钛铝基合金扁形冷坩埚定向凝固数值计算与组织研究

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1、国内图书分类号：TG146.2国际图书分类号：621.74工学硕士学位论文钛铝基合金扁形冷坩埚定向凝固数值计算与组织研究硕士研究生：杨劼人导师：傅恒志院士陈瑞润副教授申请学位：工学硕士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2009年06月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TG146.2U.D.C.：621.74DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALCALCULATIONANDSTRUCTURESSTUDYOFTIAL-BASEDA

2、LLOYDIRECTIONALLYSOLIDIFIEDBYRECTANGULARCOLDCRUCIBLECandidate：YangJierenAcad.FuHengzhiSupervisor：AssociateProf.ChenRuirunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringSchoolofMaterialsScienceandAffiliation：EngineeringthDateofDefence：June,3

3、0,2009Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文运用有限元数值计算与实验相结合的方法，研究了钛铝合金在宽厚比2.5:1电磁冷坩埚条件下的定向凝固。首先建立了空载坩埚三维简化与局部逼真模型，进行电磁特性分析。在此基础上，建立坩埚内钛铝熔体模型，对熔池内电磁场和流动场做了细致的研究。进而，在不同工艺条件下成功制备了钛铝合金扁锭试样，成分为Ti46Al0.5W0.5Si。结合有限元计算结果，借助高清数码相机、金相显微镜和扫描电镜等分析工具，对

4、定向凝固组织进行了宏观和微观的分析研究。数值计算结果表明：空载坩埚内BBz从底至上变化规律为先增大再减小，并在线圈中部靠上位置出现峰值，靠近开缝处的磁场明显较高且径向磁场很大。电流频率从100kHz变化到10kHz时，坩埚内磁场增加至原来2~3倍，但开缝处变化不明显。钛铝合金熔池内的流动呈交错式的回漩循环状，处于拐角附近的熔体向前上方流动，经过复杂的循环路径后又集中回流，凝固界面存在水平局部强流区，电流140A、50kHz时达到0.15mm/s以上。驼峰顶端出现向上高速流动，这可能会使驼峰失稳。随着电流增大，熔池流动形态基本不变但其流速增大。随着频率

5、的降低，熔池内回漩强流区向熔池内部扩展且范围不断变大。实验结果显示，试样凝固界面多呈“W”形，两侧的柱状晶组织较为平直，而中部组织呈“V”字形生长。综合计算结果分析表明：熔池内部热场分布不均匀，两边过热度较高而中部不足；凝固界面存在局部热流冲刷，大大降低了柱状晶生长前沿的形核率，使试样两边柱状晶可以持续生长；游离晶随热流漂移，集中分布在熔池中部，成为试样中部组织“V”字生长的原因之一。此外，试样侧面的表面质量明显优于正宽面，这也会对内部组织造成影响。对柱状晶的析出物分析发现，其富钨相和富硅相分别在晶内和晶界以不同的形式析出，富钨相沿晶界网状析出，而富

6、硅相呈团簇状析出。通过本课题的研究可知，在此坩埚结构确定的情况下，结合数值计算获得的电磁场与流场分布规律，通过实验分析钛铝合金定向凝固过程中的各种因素影响规律，揭示影响机理，合理调整相关工艺参数，可以获得电磁冷坩埚条件下优异的钛铝合金定向凝固组织。关键词：电磁冷坩埚，钛铝合金，有限元，定向凝固，凝固界面-IV-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInthispaper,basedonthecombinationoffiniteelementnumericalcalculationandexperimentalmethod,studiedth

7、edirectionalsolidificationoftheTiAlalloyundertheconditionofthewidthandthicknessratio2.5:1near-rectangularelectromagneticcoldcrucible.Theelectromagneticcharacteristicsoftheemptycruciblemodelwasfirstlyanalyzed.Onthisbasis,TiAlmeltmodelwasestablished,theelectromagneticfieldandflow

8、fielddistributionofthepoolwerestudiedindetail.Furtherm