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程，很難對這一過程中的熔體流動行為和宏觀偏析的形成過程進行試驗研究。發(fā)展了基于歐拉多相流的電磁場、溫度場、流場、溶質場的多場強耦合數學模型，研究了真空自耗過程中的多物理場相互作用機制，對Ti₂AlNb合金錠中成分偏析形成過程及分布規(guī)律進行了預測。模擬結果表明，電磁力主要分布于熔池表面，自感電磁力推動金屬液由中心向下流動而加深熔池；攪拌電磁力的離心效應則大幅提升熔池的溫度場均勻度，促使熔池內金屬液中的溶質混合均勻。盡管鑄錠外圍和中心分別形成了大范圍的正、負偏析區(qū)，但區(qū)域內的成分較為均勻。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)。該模型的模擬結果在熔池深度與宏觀偏析分布方面與試驗結果吻合良好，可進一步應用于預測和研究工業(yè)級大型鑄錠中的成分偏析。

引言

航空航天、艦船等國防軍工領域的迅猛發(fā)展對材料性能的要求越來越高，特別是航空發(fā)動機和航天器推重比的提高，要求承力結構材料具有更高的比強度和更好的高溫性能。Ti₂AlNb合金在鈦鋁系合金的比強度高、耐蝕性好、高溫強度和抗氧化能力優(yōu)異的基礎上，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)動機壓氣機機匣、整體葉盤、燃燒室機匣等大型關鍵構件的重要備選材料。但該合金體系內，元素的熔點、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量等因素，真空自耗技術的優(yōu)勢較為明顯，該技術成為Ti₂AlNb合金鑄錠的首選熔煉方法。真空自耗是一種用于生產高品質金屬鑄錠的二次熔煉工藝。在真空狀態(tài)下，預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，熔池內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程中具有較大的優(yōu)勢，但熔煉過程中伴隨的電磁場會引起熔池內金屬液的劇烈流動，進而作用于鑄錠的晶粒組織，并造成宏觀偏析缺陷。對于Ti₂AlNb這類高合金化的合金體系而言，其性能對元素成分尤為敏感，宏觀偏析對鑄件的負面影響更為突出，不僅嚴重影響材料的力學性能，還會為構件的安全服役帶來重大隱患。獲得成分準確、低偏析度、組織均勻的鑄錠需要有合適的熔煉工藝來保證，鑄錠宏觀偏析的形成與凝固順序和金屬液的流動直接相關，真空自耗過程中熔煉電流、穩(wěn)弧電流等工藝參數均會通過復雜的多場作用機制影響鑄錠的質量。研究真空自耗過程中金屬液的凝固過程，探討電磁攪拌對熔池內液相流動的影響規(guī)律，對于認識和控制鑄錠的宏觀偏析具有非常重要意義。但傳統(tǒng)的試錯法，即通過進行試驗解剖鑄錠的研究和優(yōu)化工藝參數的方法，不僅存在成本高昂、能耗大、周期長的問題，而且由于過程的影響因素眾多，很難對其進行確切的闡明。數值模擬的方法可以展示在高溫、不透明條件下進行的真空自耗熔煉過程，實現對工藝過程更為直觀的理解，極大減少真空自耗熔煉試驗次數，縮短真空自耗熔煉工藝研究的周期，降低研發(fā)成本，對于真空自耗熔煉技術的進步具有重要意義。Karimi-Sibaki E等模擬了真空自耗過程中電磁場、溫度場的分布、流動形貌以及熔池形狀的演變。Zagrebelnyy D等盡管預測了真空自耗過程中的成分偏析，但該模型沒有考慮等軸晶的沉積，并且其模擬結果并未得到試驗驗證。Sartkulvanich P等運用商業(yè)軟件平臺Melt-Flow VAR模擬了鈦合金中V和O元素的分布，但受到軟件平臺的限制，未能考慮穩(wěn)弧磁場對流動的影響。真空自耗熔煉過程的數值模擬工作已發(fā)展多年，但大多只是針對自耗熔煉過程的某些特定現象單獨進行研究，鮮有對磁流體流動規(guī)律及宏觀偏析的形成過程進行全耦合的模擬預測。本文建立真空自耗過程中的電磁場、流場、溫度場、溶質場的多物理場耦合模型，進而實現對鑄錠宏觀組織和偏析形成的模擬預測。

精選圖表

結論

(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，沿切向推動金屬液在水平方向旋轉，對熔池中的金屬液產生離心效應而將熔池中心的熱量帶至熔池外圍。