TiAl基合金冷坩埚定向凝固过程中传输特性研究

发布时间：2020-10-19 17:04

　　 TiAl基合金密度低且具有较高的比强度,同时高温强度、抗氧化和抗蠕变性能优异,作为一种潜在的航空发动机叶片材料具有轻质耐高温的优势。研究表明,利用定向凝固技术可获得具有平行于生长方向的全片层组织TiAl基合金,其蠕变和疲劳强度显著提高。电磁冷坩埚定向凝固技术解决了TiAl基合金定向凝固过程中熔体易受污染且尺寸较小的问题,初步展现出了良好的应用前景。但是,电磁冷坩埚定向凝固时熔体中存在复杂的传热、传质现象,将对定向凝固组织产生显著的影响。本文系统研究了电磁冷坩埚定向凝固过程中传热、传质特性,揭示了电磁冷坩埚定向凝固时界面及成分调控机制,优化了电磁冷坩埚定向凝固工艺。建立了电磁冷坩埚感应加热3-D模型,并通过磁场和温度场测量对模型进行验证。通过对不同工艺条件下冷坩埚内物料中电磁场和感应加热时温度场模拟计算,得到了物料内电磁场分布规律及冷坩埚感应加热特性,优化了冷坩埚感应加热效率。研究结果表明,当物料在冷坩埚内位置满足关系式h_mh_1+h_2h_m+δ时,物料中将被感应出最大的磁感应强度。此时,可以用较短的时间将物料感应熔化且物料中温度较均匀。优化工艺后,电磁冷坩埚感应加热效率提高。通过分析冷坩埚结构及电源参数对熔池中电磁力的影响,定义了决定冷坩埚内熔体流动的4个无量纲参数,即:电磁力与粘滞力比值的Ha数,表示高频磁场集肤效应的磁雷诺数R_ω,表征线圈与熔体相对位置的线圈-熔体相对位置数h以及表征熔体形状的参数H/L。建立了定向凝固用冷坩埚内流场计算3-D模型,并采用示踪法对流场计算结果进行了验证。研究发现,电磁冷坩埚内熔池中存在强烈的三维流动。熔池纵截面上存在4个径向环流且以轴线对称,最大速度位于熔池表面集肤层内;在熔池横截面上,由于冷坩埚结构和高频磁场的耦合作用将引起周向流动。分析了无量纲参数对熔池内流场的影响规律,结果表明:随着Ha和H/L的增加,电磁耦合增强,熔池内流速和湍动能逐渐增大。R_ω影响径向环流分布及流速,R_ω越大环流越靠近熔池表面,且当R_ω=50时熔体流速最大。h显著改变径向环流的相对大小,随h增加,熔体流速减小而湍动能增加。建立了冷坩埚内电磁场、成形力场、流场和温度场的多物理场耦合模型,通过实验测量以及数值模拟获得了多物理场耦合作用下熔池温度场变化规律。研究结果表明,冷坩埚内熔体温度受到熔池形状和内部流动的显著影响。熔体温度增量随功率的变化符合S型曲线规律,当功率在47.9 kW到55.1 kW范围内时,熔体温度随功率增加的升温速度较快,而熔池在坩埚内高度为36 mm到38 mm范围时温度达到最大值。建立了冷坩埚定向凝固时液相区、糊状区和固相区传热模型,得到了液相区与糊状区以及糊状区和固相区传热规律,揭示了冷坩埚定向凝固工艺对糊状区温度及凝固界面形状的影响机制。通过分析液相区与糊状区对流传热,推导出对流传热条件下糊状区温度分布关系式以及糊状区轴-径热流密度比,结合熔池形状解释了其对凝固界面形状的影响机理。通过分析定向凝固时糊状区与固相区传热,得到糊状区和固相区轴向温度分布函数。研究发现,冷坩埚定向凝固时凝固界面高度随着对流传热、感应热和抽拉速度的增加而降低。基于传热分析,优化电磁冷坩埚定向凝固TiAl基合金工艺后,获得了平直的凝固界面。基于冷坩埚内熔体流动规律,进一步对熔池中对流传质及成分分布进行分析。结果表明,较大的Ha,R_ω和H/L,以及较小的h参数有利于提高熔池中及凝固界面前沿成分均匀性。此外,电磁冷坩埚内强烈的三维流动显著提高了其对熔体的搅拌效率。建立了电磁冷坩埚定向凝固平界面时溶质边界层内对流传质模型,揭示了电磁搅拌对定向凝固铸锭中溶质分布影响机制。基于对流-扩散参数,推导出冷坩埚定向凝固时熔池中成分随凝固距离变化的关系式;结合凝固界面前沿对流传热模型,得到了凝固界面前沿成分过冷度的表达式。分析可知,随着凝固前沿熔体流动速度的增加,熔池中溶质浓度减小,凝固界面前沿成分过冷度减小。在不同条件下对TiAl基合金定进行向凝固,得到了冷坩埚定向凝固TiAl合金熔池及铸锭中成分分布及组织演化规律。结果表明,通过调控冷坩埚工艺参数可以消除熔池内及凝固界面前沿溶质偏析,得到均匀的凝固组织。利用电磁冷坩埚进行定向凝固时,较小的冷坩埚横截面尺寸以及功率,较大的抽拉速度,有利于提高铸锭中成分的均匀性。优化冷坩埚定向凝固工艺后,得到了柱状晶尺寸较大且成分、组织均匀的TiAl基合金定向凝固铸锭。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG244.3
【部分图文】：

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