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，進行電磁特性分析。在此基礎上，建立坩堝內鈦鋁熔體模型，對熔池內電磁場和流動場做了細致的研究。進而，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。結合有限元計算結果，借助高清數(shù)碼相機、金相顯微鏡和掃描電鏡等分析工具，對定向凝固組織進行了宏觀和微觀的分析研究。

2、r>　　數(shù)值計算結果表明：空載坩堝內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)過復雜的循環(huán)路徑后又集中回流，凝固界面存在水平局部強流區(qū)，電流140A、50kHz時達到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，熔池內回漩強流區(qū)向熔池內部擴展且范圍不斷變大。
　　實驗結果顯示，試樣凝固界面多呈“W”形，兩側的柱狀晶組織較為平直，而中部組織呈“V”字形生長。綜合計算結果分析表明：熔池內部熱場分布不均勻，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，試樣側面的表面質量明顯優(yōu)于正寬面，這也會對內部組織造成影響。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，而富硅相呈團簇狀析出。
　　通過本課題的研究可知，在此坩堝結構確定的情況下，結合數(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，揭示影響機理，合理調整相關工藝參數(shù)，可以獲得電磁冷坩堝條件