鈦鋁基合金扁形冷坩堝定向凝固數(shù)值計算與組織研究.pdf

1、本文運用有限元數(shù)值計算與實驗相結(jié)合的方法，研究了鈦鋁合金在寬厚比2.5:1電磁冷坩堝條件下的定向凝固。首先建立了空載坩堝三維簡化與局部逼真模型，進(jìn)行電磁特性分析。在此基礎(chǔ)上，建立坩堝內(nèi)鈦鋁熔體模型，對熔池內(nèi)電磁場和流動場做了細(xì)致的研究。進(jìn)而，在不同工藝條件下成功制備了鈦鋁合金扁錠試樣，成分為Ti46Al0.5W0.5Si。結(jié)合有限元計算結(jié)果，借助高清數(shù)碼相機(jī)、金相顯微鏡和掃描電鏡等分析工具，對定向凝固組織進(jìn)行了宏觀和微觀的分析研究。

2、r>　　數(shù)值計算結(jié)果表明：空載坩堝內(nèi)Bz從底至上變化規(guī)律為先增大再減小，并在線圈中部靠上位置出現(xiàn)峰值，靠近開縫處的磁場明顯較高且徑向磁場很大。電流頻率從100kHz變化到10kHz時，坩堝內(nèi)磁場增加至原來2～3倍，但開縫處變化不明顯。鈦鋁合金熔池內(nèi)的流動呈交錯式的回漩循環(huán)狀，處于拐角附近的熔體向前上方流動，經(jīng)過復(fù)雜的循環(huán)路徑后又集中回流，凝固界面存在水平局部強(qiáng)流區(qū)，電流140A、50kHz時達(dá)到0.15mm/s以上。駝峰頂端出現(xiàn)向上高速

3、流動，這可能會使駝峰失穩(wěn)。隨著電流增大，熔池流動形態(tài)基本不變但其流速增大。隨著頻率的降低，熔池內(nèi)回漩強(qiáng)流區(qū)向熔池內(nèi)部擴(kuò)展且范圍不斷變大。
　　實驗結(jié)果顯示，試樣凝固界面多呈“W”形，兩側(cè)的柱狀晶組織較為平直，而中部組織呈“V”字形生長。綜合計算結(jié)果分析表明：熔池內(nèi)部熱場分布不均勻，兩邊過熱度較高而中部不足；凝固界面存在局部熱流沖刷，大大降低了柱狀晶生長前沿的形核率，使試樣兩邊柱狀晶可以持續(xù)生長；游離晶隨熱流漂移，集中分布在熔池中部

4、，成為試樣中部組織“V”字生長的原因之一。此外，試樣側(cè)面的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于正寬面，這也會對內(nèi)部組織造成影響。對柱狀晶的析出物分析發(fā)現(xiàn)，其富鎢相和富硅相分別在晶內(nèi)和晶界以不同的形式析出，富鎢相沿晶界網(wǎng)狀析出，而富硅相呈團(tuán)簇狀析出。
　　通過本課題的研究可知，在此坩堝結(jié)構(gòu)確定的情況下，結(jié)合數(shù)值計算獲得的電磁場與流場分布規(guī)律，通過實驗分析鈦鋁合金定向凝固過程中的各種因素影響規(guī)律，揭示影響機(jī)理，合理調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，可以獲得電磁冷坩堝條件