TiAl基合金冷坩埚定向凝固过程中传输特性研究

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1、博士学位论文TiAl基合金冷坩埚定向凝固过程中传输特性研究INVESTIGATIONONTRANSFERBEHAVIORSDURINGDIRECTIONALSOLIDIFICATIONOFTiAl-BASEDALLOYSBYELECTROMAGNETICCOLDCRUCIBLE杨耀华哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG146.23学校代码：10213国际图书分类号：669.2密级：公开工学博士学位论文TiAl基合金冷坩埚定向凝固过程中传输特性研究博士研究生：杨耀华导师：陈瑞润教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG146.23U.D.C:669.2DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringINVESTIGATIONONTRANSFERBEHAVIORSDURINGDIRECTIONALSOLIDIFICATIONOFTiAl-BASEDALLOYSBYELECTROMAGNETICCOLDCRUCIBLECandidate：YangYaohuaSupervisor：Prof.ChenRuirunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSp

3、eciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要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

4、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

5、hm

6、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。Rω影响径向环流分布及流速，Rω越大环流越靠近熔池表面，且当Rω=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

7、率在47.9kW到55.1kW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36mm到38mm范围时温度达到最大值。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文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