Nb-Ti-Si合金等离子—感应复合熔炼数值模拟与实验研究
发布时间：2021-08-01 06:19
Nb-Ti-Si合金是高推重比航空发动机高压涡轮叶片以及新一代高速飞行器的耐1200℃以上高温结构件的重要候选材料。它具有高熔点、高活性、成分复杂且含有低熔点合金元素等特点。为了解决Nb-Ti-Si合金难熔配并改善宏观偏析等问题,本研究提出了等离子-感应复合熔炼技术,并搭建了等离子弧-水冷铜坩埚感应悬浮复合熔炼设备,围绕感应悬浮熔炼及复合熔炼技术的传输行为开展了数值模拟及成分分布规律的研究。本文的研究有助于掌握超高温金属复合熔炼过程中的传输现象,对高熔点高活性金属材料复合熔炼新技术开发和工艺优化等具有重要的理论指导意义和工程应用价值。本文在深入了解感应熔炼及等离子弧-感应复合熔炼过程的加热特点及相关物理传输现象的基础上,分别建立了耦合电磁场、温度场和流场的三维数学模型。在各自所需的感应热源模型、“感应热源+随匙孔深度变化的热流”复合热源模型的基础上,通过结合VOF追踪算法、热焓-孔隙率法以及多种流体驱动力如电磁悬浮力、表面张力、Marangoni剪切力、热浮力、重力等,详细描述了两种熔炼方式下从加热阶段至冷却阶段所历经的各种传热及流动现象。整个数值程序的实施主要基于Ansys Maxw...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
等离子-感应复合熔炼技术原理及设备(a)复合熔炼原理示意图(b)复合熔炼设备示意图(c)水冷系统示意图
合金是下一代高温结构材料的理想候选者，由于具有重要的军事需求背景，以美国 GE 和美国空军实验室(AFRL)为首的研究机构近年来对 Nb-Ti-Si 合金进行了深入的研究，取得了很大进展，图1-2为美国GE利用精密铸造生产的Nb-Ti-Si合金涡轮叶片[46]。图 1-2 美国 GE 铸造的 Nb-Ti-Si 合金涡轮叶片[46]Fig. 1-2 Nb-Ti-Si alloy turbine blade from GE[46]
体内温度梯度非常大，合金元素难以在熔体内均匀，与自耗电弧熔炼存在同样的问题[92]。、北航、金属所、西工大、哈工大在 Nb-Ti-Si 合金展了不少研究工作。自耗电弧、非自耗电弧、水冷熔炼、电子束等都曾被用于 Nb-Ti-Si 合金的熔炼过率限制以及电极材料的污染问题主要适合于实验埚感应熔炼温度偏低、陶瓷坩埚真空感应熔炼主要束熔炼由于高真空工作，低熔点合金元素挥发带来此，目前自耗电弧熔炼是制备公斤级 Nb-Ti-Si 合金电弧熔炼复杂成分 Nb-Ti-Si 合金时容易形成严重的匀并且不可控，不同位置组织性能差别很大。这是下熔体较小，合金元素难以大范围内流动和搅拌，的宏观偏析，下面以实验结果简要说明。示为通过电弧炉熔炼得到 2kg 母合金锭(Ф63×91m花线切割在母合金锭的上、中和下部选取了 9 个典
【参考文献】：
期刊论文
[1]超高温Nb-Si基复合材料研究现状[J]. 徐严谨,褚楚,侯红亮,韩宝帅,孟宪宇,骆良顺,苏彦庆,郭景杰,傅恒志. 稀有金属材料与工程. 2018(09)
[2]Microstructure and High-Temperature Oxidation Behavior of Dy-Doped Nb–Si-Based Alloys[J]. Yue-Ling Guo,Li-Na Jia,Hua-Rui Zhang,Bin Kong,Yong-Lin Huang,Hu Zhang. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(07)
[3]航空发动机推重比技术指标研究[J]. 孟令勇,高海红,郑天慧,郭琦. 燃气涡轮试验与研究. 2016(02)
[4]合金元素Hf,Sn,Ta,Zr,Dy和Ho对Nb-Nb5Si3合金组织和力学性能的影响[J]. 郭建亭,周兰章,田玉新,侯介山,李谷松. 金属学报. 2015(07)
[5]Nb-Si基超高温合金的研究进展[J]. 郑蕾,贾丽娜,张虎,徐惠彬. 宇航材料工艺. 2013(03)
[6]日本火箭发动机喷管用C/C复合材料[J]. 李崇俊,崔红,李瑞珍. 宇航材料工艺. 2013(02)
[7]电子束熔炼工艺对Nb-W合金成分及力学性能的影响[J]. 李麦海,武宇,姚修楠. 宁夏大学学报(自然科学版). 2012(02)
[8]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[9]金属零件选区激光熔化直接成型技术研究进展(邀请论文)[J]. 杨永强,王迪,吴伟辉. 中国激光. 2011(06)
[10]碳/碳燃气舵热-结构数值模拟分析[J]. 刘丽丽,李克智,李贺军,沈学涛. 机械科学与技术. 2011(05)
博士论文
[1]Nb-Si基合金电磁冷坩埚定向凝固组织和性能研究[D]. 燕云程.哈尔滨工业大学 2014
[2]受控脉冲穿孔PAW焊接熔池与小孔瞬时演变行为的数值分析[D]. 孙俊华.山东大学 2012
[3]PAW焊接熔池—小孔流场与热场动态行为的数值分析[D]. 张涛.山东大学 2011
硕士论文
[1]钛合金等离子弧熔炼温度场数值模拟及相关参数的研究[D]. 郑魁.哈尔滨工业大学 2006
[2]基于ANSYS的感应加热数值模拟分析[D]. 吴金富.浙江工业大学 2004
本文编号：3314989
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
等离子-感应复合熔炼技术原理及设备(a)复合熔炼原理示意图(b)复合熔炼设备示意图(c)水冷系统示意图
合金是下一代高温结构材料的理想候选者，由于具有重要的军事需求背景，以美国 GE 和美国空军实验室(AFRL)为首的研究机构近年来对 Nb-Ti-Si 合金进行了深入的研究，取得了很大进展，图1-2为美国GE利用精密铸造生产的Nb-Ti-Si合金涡轮叶片[46]。图 1-2 美国 GE 铸造的 Nb-Ti-Si 合金涡轮叶片[46]Fig. 1-2 Nb-Ti-Si alloy turbine blade from GE[46]
体内温度梯度非常大，合金元素难以在熔体内均匀，与自耗电弧熔炼存在同样的问题[92]。、北航、金属所、西工大、哈工大在 Nb-Ti-Si 合金展了不少研究工作。自耗电弧、非自耗电弧、水冷熔炼、电子束等都曾被用于 Nb-Ti-Si 合金的熔炼过率限制以及电极材料的污染问题主要适合于实验埚感应熔炼温度偏低、陶瓷坩埚真空感应熔炼主要束熔炼由于高真空工作，低熔点合金元素挥发带来此，目前自耗电弧熔炼是制备公斤级 Nb-Ti-Si 合金电弧熔炼复杂成分 Nb-Ti-Si 合金时容易形成严重的匀并且不可控，不同位置组织性能差别很大。这是下熔体较小，合金元素难以大范围内流动和搅拌，的宏观偏析，下面以实验结果简要说明。示为通过电弧炉熔炼得到 2kg 母合金锭(Ф63×91m花线切割在母合金锭的上、中和下部选取了 9 个典
【参考文献】：
期刊论文
[1]超高温Nb-Si基复合材料研究现状[J]. 徐严谨,褚楚,侯红亮,韩宝帅,孟宪宇,骆良顺,苏彦庆,郭景杰,傅恒志. 稀有金属材料与工程. 2018(09)
[2]Microstructure and High-Temperature Oxidation Behavior of Dy-Doped Nb–Si-Based Alloys[J]. Yue-Ling Guo,Li-Na Jia,Hua-Rui Zhang,Bin Kong,Yong-Lin Huang,Hu Zhang. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(07)
[3]航空发动机推重比技术指标研究[J]. 孟令勇,高海红,郑天慧,郭琦. 燃气涡轮试验与研究. 2016(02)
[4]合金元素Hf,Sn,Ta,Zr,Dy和Ho对Nb-Nb5Si3合金组织和力学性能的影响[J]. 郭建亭,周兰章,田玉新,侯介山,李谷松. 金属学报. 2015(07)
[5]Nb-Si基超高温合金的研究进展[J]. 郑蕾,贾丽娜,张虎,徐惠彬. 宇航材料工艺. 2013(03)
[6]日本火箭发动机喷管用C/C复合材料[J]. 李崇俊,崔红,李瑞珍. 宇航材料工艺. 2013(02)
[7]电子束熔炼工艺对Nb-W合金成分及力学性能的影响[J]. 李麦海,武宇,姚修楠. 宁夏大学学报(自然科学版). 2012(02)
[8]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[9]金属零件选区激光熔化直接成型技术研究进展(邀请论文)[J]. 杨永强,王迪,吴伟辉. 中国激光. 2011(06)
[10]碳/碳燃气舵热-结构数值模拟分析[J]. 刘丽丽,李克智,李贺军,沈学涛. 机械科学与技术. 2011(05)
博士论文
[1]Nb-Si基合金电磁冷坩埚定向凝固组织和性能研究[D]. 燕云程.哈尔滨工业大学 2014
[2]受控脉冲穿孔PAW焊接熔池与小孔瞬时演变行为的数值分析[D]. 孙俊华.山东大学 2012
[3]PAW焊接熔池—小孔流场与热场动态行为的数值分析[D]. 张涛.山东大学 2011
硕士论文
[1]钛合金等离子弧熔炼温度场数值模拟及相关参数的研究[D]. 郑魁.哈尔滨工业大学 2006
[2]基于ANSYS的感应加热数值模拟分析[D]. 吴金富.浙江工业大学 2004
本文编号：3314989
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