TC4钛合金电子束冷床熔炼技术研究

发布时间：2017-09-09 10:21

  本文关键词：TC4钛合金电子束冷床熔炼技术研究

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【摘要】： TC4(Ti-6A1-4V)钛合金是由美国于1954年研制成功的α+β两相型钛合金。具有高强度、高韧性、良好的塑性且耐高温、耐蚀性等一系列优点,是目前应用最广,产量最大的钛合金。该合金主要在退火状态下使用,也可以固溶时效进行强化,成品和半成品主要有棒材、薄板、厚板、型材以及锻件和铸件等。 由于TC4钛合金主要用于航空航天工业制造飞机结构中的各种承力件以及各种类型的紧固件,所以使用中对该合金性能要求非常严格,近年来对该合金铸锭的研究很多。为了获得成分均匀,质量合格的TC4钛合金铸锭,本文通过电子束冷床进行熔炼实验,研究不同的熔炼工艺参数,不同原材料成分以及其它因素对熔炼的影响；并通过数学模型及计算机模拟分析与实验相结合进行对比研究。 研究发现,元素的饱和蒸气压对熔炼过程中元素的挥发影响很大,在TC4钛合金中,纯铝的饱和蒸气压比基体元素的大800倍左右,比V元素大2000多倍,造成在熔炼过程中,A1元素发生大面积的挥发损失,且随着熔体温度的升高,A1元素的挥发损失量也有很大增加；而V元素的挥发则非常小,熔炼后相对质量分数还略有增加。 熔炼过程中原料的加入对A1元素挥发影响也很大,当熔化原料采用合金化程度较高的真空自耗(VAR)一次锭时,A1元素的挥发量小,主要在冷床精炼阶段有一定的挥发,在原料熔化和坩埚中的凝固阶段挥发很少；而当原料中加入单质A1之后,元素在熔化阶段的挥发增加,且随着原料中A1含量增加而增加。研究凝壳发现,从原料熔化侧至钛液流出侧,A1元素的含量呈降低趋势,最终A1元素的质量分数降低并稳定至铸锭中的平均水平。 电子束冷床熔炼TC4钛合金过程中,熔速采用100kg/h时熔炼效果最好,熔炼出的铸锭完全符合国标规定成分要求,且铸锭质量良好,各种元素分布均匀,是一种理想的熔炼速度。熔炼出的TC4钛合金铸锭在轴向上,各合金元素的质量分数符合国家标准,A1元素分布从铸锭上部到下部呈降低的趋势,且随着熔速的减小,降低的趋势更加明显,主要由于在熔炼的开始阶段,TC4钛合金熔体长时间保持高温状态,所以Al元素的挥发损失较为严重,含量偏低。在径向上,合金元素成分分布非常均匀,熔炼效果良好。 利用ANSYS模拟发现,熔体从冷床滴入坩埚之后,主要经过熔体升温,形成稳定熔池,熔体凝固,熔体温度下降,凝固结束几个主要熔炼阶段。熔体从熔点开始降温的过程主要有两个阶段,包括熔体降温速度很快,在很短的时间内迅速开始凝固的快速降温阶段以及熔体与坩埚外壁温差较小,降温逐渐趋于平缓的降温平衡阶段。当降温时间达到500s的时侯,坩埚内外温度基本平衡。ANSYS模拟软件准确反映了熔炼过程温度场的分布情况,且与实验吻合良好。
【关键词】：TC4钛合金 电子束冷床熔炼 Al元素挥发 温度场模拟
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TG27
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 引言9-11
• 1.1.1 钛合金的分类及应用9-10
• 1.1.2 TC4钛合金的发展及应用10-11
• 1.2 钛合金的真空熔炼11-14
• 1.2.1 钛合金真空熔炼的热力学12
• 1.2.2 钛合金真空熔炼的动力学12-13
• 1.2.3 钛合金真空熔炼的背景及现状13-14
• 1.3 电子束冷床熔炼炉14-18
• 1.3.1 电子束冷床炉的结构14-15
• 1.3.2 电子束冷床的熔炼原理15-16
• 1.3.3 电子束冷床熔炼的优点16
• 1.3.4 电子束冷床在钛合金熔炼中的应用16
• 1.3.5 电子束冷床熔炼中夹杂的去除和Al挥发的控制16-18
• 1.4 电子束冷床熔炼过程温度场模拟概述18-21
• 1.4.1 度场数值模拟的方法18-20
• 1.4.2 熔炼过程中温度场模拟研究的概述20-21
• 1.5 本课题意义及研究内容21-23
• 2 材料和实验方法23-27
• 2.1 实验材料23-24
• 2.2 实验方案24-25
• 2.2.1 熔炼实验设备24
• 2.2.2 实验流程图24-25
• 2.3 实验方法25-27
• 2.3.1 铸锭及凝壳的组织和成分分析25-26
• 2.3.2 熔炼过程合金元素挥发分析26
• 2.3.3 熔炼工艺参数研究26
• 2.3.4 金相组织观察26
• 2.3.5 熔炼过程温度场模拟实验26-27
• 3 熔炼过程中合金元素Al及其它元素的挥发机理研究27-37
• 3.1 数学模型及理论计算方法27-33
• 3.1.1 熔体中元素的挥发趋势热力学分析27-31
• 3.1.2 合金元素挥发的液相控制与传质系数31-33
• 3.2 熔体中Al元素挥发损失量的计算与验证33-34
• 3.3 Al元素挥发实验结果分析34-35
• 3.3.1 Al元素在冷床凝壳中的分布情况34
• 3.3.2 Al元素在不同阶段中的分布情况34-35
• 3.4 本章小结35-37
• 4 不同熔炼工艺下TC4钛合金铸锭的成分均匀性研究37-45
• 4.1 熔炼工艺对TC4钛合金铸锭质量的影响37-40
• 4.1.1 熔速对TC4钛合金铸锭化学成分的影响37-38
• 4.1.2 原料对TC4钛合金铸锭化学成分的影响38-40
• 4.2 电子束冷床熔炼TC4钛合金铸锭成分均匀性研究40-43
• 4.2.1 TC4钛合金铸锭轴向化学成分的均匀性分析40-42
• 4.2.2 TC4钛合金铸锭径向化学成分的均匀性分析42-43
• 4.3 本章小结43-45
• 5 电子束冷床熔炼TC4钛合金过程中温度场模拟研究45-61
• 5.1 ANSYS热分析理论研究45-52
• 5.1.1 ANSYS热分析基础知识45-47
• 5.1.2 ANSYS热分析控制方程47-49
• 5.1.3 热传导中变分原理及有限元求解列式49-52
• 5.2 ANSYS分析模型的建立和网格划分52-53
• 5.3 材料的热物性参数及边界条件53-55
• 5.3.1 密度53-54
• 5.3.2 导热系数和比热容54
• 5.3.3 ANSYS模拟分析中的边界条件及焓值54-55
• 5.3.4 对流换热系数的计算55
• 5.4 温度场模拟结果分析55-59
• 5.5 降温过程模拟结果与实验验证59-60
• 5.6 本章小结60-61
• 6 结论61-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-69
• 附录:攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利69

【参考文献】

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本文编号：819874