Ti2AlNb合金锭真空自耗过程宏观偏析的数值模拟

  摘要:

Ti₂AlNb合金锭的真空电弧重熔 (VAR) 是一种超高温且不透明冶金过程，很难对这一过程中的熔体流动行为和宏观偏析的形成过程进行试验研究。发展了基于欧拉多相流的电磁场、温度场、流场、溶质场的多场强耦合数学模型，研究了真空自耗过程中的多物理场相互作用机制，对Ti₂AlNb合金锭中成分偏析形成过程及分布规律进行了预测。模拟结果表明，电磁力主要分布于熔池表面，自感电磁力推动金属液由中心向下流动而加深熔池；搅拌电磁力的离心效应则大幅提升熔池的温度场均匀度，促使熔池内金属液中的溶质混合均匀。尽管铸锭外围和中心分别形成了大范围的正、负偏析区，但区域内的成分较为均匀。在搅拌和沉降的作用下，金属熔池中的等轴晶极大地缩短了铸锭中的柱状晶区。该模型的模拟结果在熔池深度与宏观偏析分布方面与试验结果吻合良好，可进一步应用于预测和研究工业级大型铸锭中的成分偏析。

引言

航空航天、舰船等国防军工领域的迅猛发展对材料性能的要求越来越高，特别是航空发动机和航天器推重比的提高，要求承力结构材料具有更高的比强度和更好的高温性能。Ti₂AlNb合金在钛铝系合金的比强度高、耐蚀性好、高温强度和抗氧化能力优异的基础上，具有更为优异的室温塑性加工性能，成为高推重比新型航空发动机压气机机匣、整体叶盘、燃烧室机匣等大型关键构件的重要备选材料。但该合金体系内，元素的熔点、密度差异较大，其铸锭的制备难度非常大。综合考虑成本、操作的便利性和铸锭质量等因素，真空自耗技术的优势较为明显，该技术成为Ti₂AlNb合金铸锭的首选熔炼方法。真空自耗是一种用于生产高品质金属铸锭的二次熔炼工艺。在真空状态下，预制的自耗电极在直流电弧作用下被熔化成熔滴，熔滴落入水冷铜坩埚中后形成熔池，熔池液面上升的同时，熔池内的熔体也在自下而上逐渐凝固。尽管真空自耗工艺在熔炼过程中具有较大的优势，但熔炼过程中伴随的电磁场会引起熔池内金属液的剧烈流动，进而作用于铸锭的晶粒组织，并造成宏观偏析缺陷。对于Ti₂AlNb这类高合金化的合金体系而言，其性能对元素成分尤为敏感，宏观偏析对铸件的负面影响更为突出，不仅严重影响材料的力学性能，还会为构件的安全服役带来重大隐患。获得成分准确、低偏析度、组织均匀的铸锭需要有合适的熔炼工艺来保证，铸锭宏观偏析的形成与凝固顺序和金属液的流动直接相关，真空自耗过程中熔炼电流、稳弧电流等工艺参数均会通过复杂的多场作用机制影响铸锭的质量。研究真空自耗过程中金属液的凝固过程，探讨电磁搅拌对熔池内液相流动的影响规律，对于认识和控制铸锭的宏观偏析具有非常重要意义。但传统的试错法，即通过进行试验解剖铸锭的研究和优化工艺参数的方法，不仅存在成本高昂、能耗大、周期长的问题，而且由于过程的影响因素众多，很难对其进行确切的阐明。数值模拟的方法可以展示在高温、不透明条件下进行的真空自耗熔炼过程，实现对工艺过程更为直观的理解，极大减少真空自耗熔炼试验次数，缩短真空自耗熔炼工艺研究的周期，降低研发成本，对于真空自耗熔炼技术的进步具有重要意义。Karimi-Sibaki E等模拟了真空自耗过程中电磁场、温度场的分布、流动形貌以及熔池形状的演变。Zagrebelnyy D等尽管预测了真空自耗过程中的成分偏析，但该模型没有考虑等轴晶的沉积，并且其模拟结果并未得到试验验证。Sartkulvanich P等运用商业软件平台Melt-Flow VAR模拟了钛合金中V和O元素的分布，但受到软件平台的限制，未能考虑稳弧磁场对流动的影响。真空自耗熔炼过程的数值模拟工作已发展多年，但大多只是针对自耗熔炼过程的某些特定现象单独进行研究，鲜有对磁流体流动规律及宏观偏析的形成过程进行全耦合的模拟预测。本文建立真空自耗过程中的电磁场、流场、温度场、溶质场的多物理场耦合模型，进而实现对铸锭宏观组织和偏析形成的模拟预测。

精选图表

结论

(1)自感电磁力主要分布在熔池表面及顶部，由熔池表面斜向下指向中心，推动熔池中的金属液由中心向下形成涡旋，将熔池表面的热量带至熔池底部而使熔池加深。搅拌电磁力同样分布于熔池表面及顶部，沿切向推动金属液在水平方向旋转，对熔池中的金属液产生离心效应而将熔池中心的热量带至熔池外围。