摘要:

Ti₂AlNb合金錠的真空電弧重熔 (VAR) 是一種超高溫且不透明冶金過(guò)程，很難對(duì)這一過(guò)程中的熔體流動(dòng)行為和宏觀偏析的形成過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究。發(fā)展了基于歐拉多相流的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)的多場(chǎng)強(qiáng)耦合數(shù)學(xué)模型，研究了真空自耗過(guò)程中的多物理場(chǎng)相互作用機(jī)制，對(duì)Ti₂AlNb合金錠中成分偏析形成過(guò)程及分布規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果表明，電磁力主要分布于熔池表面，自感電磁力推動(dòng)金屬液由中心向下流動(dòng)而加深熔池；攪拌電磁力的離心效應(yīng)則大幅提升熔池的溫度場(chǎng)均勻度，促使熔池內(nèi)金屬液中的溶質(zhì)混合均勻。盡管鑄錠外圍和中心分別形成了大范圍的正、負(fù)偏析區(qū)，但區(qū)域內(nèi)的成分較為均勻。在攪拌和沉降的作用下，金屬熔池中的等軸晶極大地縮短了鑄錠中的柱狀晶區(qū)。該模型的模擬結(jié)果在熔池深度與宏觀偏析分布方面與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可進(jìn)一步應(yīng)用于預(yù)測(cè)和研究工業(yè)級(jí)大型鑄錠中的成分偏析。

引言

航空航天、艦船等國(guó)防軍工領(lǐng)域的迅猛發(fā)展對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航天器推重比的提高，要求承力結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強(qiáng)度和更好的高溫性能。Ti₂AlNb合金在鈦鋁系合金的比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫強(qiáng)度和抗氧化能力優(yōu)異的基礎(chǔ)上，具有更為優(yōu)異的室溫塑性加工性能，成為高推重比新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣、整體葉盤、燃燒室機(jī)匣等大型關(guān)鍵構(gòu)件的重要備選材料。但該合金體系內(nèi)，元素的熔點(diǎn)、密度差異較大，其鑄錠的制備難度非常大。綜合考慮成本、操作的便利性和鑄錠質(zhì)量等因素，真空自耗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)較為明顯，該技術(shù)成為Ti₂AlNb合金鑄錠的首選熔煉方法。真空自耗是一種用于生產(chǎn)高品質(zhì)金屬鑄錠的二次熔煉工藝。在真空狀態(tài)下，預(yù)制的自耗電極在直流電弧作用下被熔化成熔滴，熔滴落入水冷銅坩堝中后形成熔池，熔池液面上升的同時(shí)，熔池內(nèi)的熔體也在自下而上逐漸凝固。盡管真空自耗工藝在熔煉過(guò)程中具有較大的優(yōu)勢(shì)，但熔煉過(guò)程中伴隨的電磁場(chǎng)會(huì)引起熔池內(nèi)金屬液的劇烈流動(dòng)，進(jìn)而作用于鑄錠的晶粒組織，并造成宏觀偏析缺陷。對(duì)于Ti₂AlNb這類高合金化的合金體系而言，其性能對(duì)元素成分尤為敏感，宏觀偏析對(duì)鑄件的負(fù)面影響更為突出，不僅嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能，還會(huì)為構(gòu)件的安全服役帶來(lái)重大隱患。獲得成分準(zhǔn)確、低偏析度、組織均勻的鑄錠需要有合適的熔煉工藝來(lái)保證，鑄錠宏觀偏析的形成與凝固順序和金屬液的流動(dòng)直接相關(guān)，真空自耗過(guò)程中熔煉電流、穩(wěn)弧電流等工藝參數(shù)均會(huì)通過(guò)復(fù)雜的多場(chǎng)作用機(jī)制影響鑄錠的質(zhì)量。研究真空自耗過(guò)程中金屬液的凝固過(guò)程，探討電磁攪拌對(duì)熔池內(nèi)液相流動(dòng)的影響規(guī)律，對(duì)于認(rèn)識(shí)和控制鑄錠的宏觀偏析具有非常重要意義。但傳統(tǒng)的試錯(cuò)法，即通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)解剖鑄錠的研究和優(yōu)化工藝參數(shù)的方法，不僅存在成本高昂、能耗大、周期長(zhǎng)的問(wèn)題，而且由于過(guò)程的影響因素眾多，很難對(duì)其進(jìn)行確切的闡明。數(shù)值模擬的方法可以展示在高溫、不透明條件下進(jìn)行的真空自耗熔煉過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過(guò)程更為直觀的理解，極大減少真空自耗熔煉試驗(yàn)次數(shù)，縮短真空自耗熔煉工藝研究的周期，降低研發(fā)成本，對(duì)于真空自耗熔煉技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。Karimi-Sibaki E等模擬了真空自耗過(guò)程中電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布、流動(dòng)形貌以及熔池形狀的演變。Zagrebelnyy D等盡管預(yù)測(cè)了真空自耗過(guò)程中的成分偏析，但該模型沒(méi)有考慮等軸晶的沉積，并且其模擬結(jié)果并未得到試驗(yàn)驗(yàn)證。Sartkulvanich P等運(yùn)用商業(yè)軟件平臺(tái)Melt-Flow VAR模擬了鈦合金中V和O元素的分布，但受到軟件平臺(tái)的限制，未能考慮穩(wěn)弧磁場(chǎng)對(duì)流動(dòng)的影響。真空自耗熔煉過(guò)程的數(shù)值模擬工作已發(fā)展多年，但大多只是針對(duì)自耗熔煉過(guò)程的某些特定現(xiàn)象單獨(dú)進(jìn)行研究，鮮有對(duì)磁流體流動(dòng)規(guī)律及宏觀偏析的形成過(guò)程進(jìn)行全耦合的模擬預(yù)測(cè)。本文建立真空自耗過(guò)程中的電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)的多物理場(chǎng)耦合模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄錠宏觀組織和偏析形成的模擬預(yù)測(cè)。

精選圖表

結(jié)論

(1)自感電磁力主要分布在熔池表面及頂部，由熔池表面斜向下指向中心，推動(dòng)熔池中的金屬液由中心向下形成渦旋，將熔池表面的熱量帶至熔池底部而使熔池加深。攪拌電磁力同樣分布于熔池表面及頂部，沿切向推動(dòng)金屬液在水平方向旋轉(zhuǎn)，對(duì)熔池中的金屬液產(chǎn)生離心效應(yīng)而將熔池中心的熱量帶至熔池外圍。