冷却强度对大尺寸钛合金var铸锭凝固组织演化行为的影响
作者单位：东北大学冶金学院
会议名称：《第十二届中国金属学会青年学术年会暨首届〝碳中和〞冶金青年科学家沙龙》
会议日期：1000年
学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化]
关 键 词：真空电弧重熔 凝固组织 二次枝晶臂间距 冷却条件 形核参数
摘 要：真空电弧重熔(var)技术具有熔炼速度快、工艺自动化程度高、可用于生产大型铸锭等优点,被广泛应用于制备镍基高温合金、难熔性钛及锆合金等。近年来,新型装备的发展不仅对铸锭的冶金质量提出了更高的要求,同时对大尺寸铸锭的需求量也逐步增加。然而铸锭尺寸的大型化必然会加剧铸锭内部各合金元素的偏析趋势以及凝固组织的非均匀化程度,给产品带来各种冶金缺陷问题,因此迫切需要对var过程中大尺寸铸锭凝固组织演化行为进行系统性的研究。基于此,本研究通过计算机模拟技术来预测var过程铸锭内温度以及凝固组织演变过程,通过实验对比得到适用于var工艺条件下的晶粒形核参数,重点分析冷却强度这一重要参数对凝固过程的影响规律和作用机理。利用元胞自动机(CA)耦合有限元模型(FE)构建了包含整个var过程的热流传输模型以及描述枝晶生长行为的三维凝固组织计算模型。通过该模型模拟了从起弧阶段到热封顶结束的整个熔炼过程中的凝固组织演化过程以及相关的凝固参数变化关系。主要研究结果有:(1)当形核过冷度ΔTmax低于0.5 K时,铸锭中心会出现大面积等轴晶形核,进一步增加到1.0 K后,晶粒数量由2.868×106减小到8.0×105,晶粒平均面积由0.287 mm2增加到0.512 mm2。即增加形核过冷度,会降低铸锭内部形核驱动力,导致铸锭心部的形核数目减少,柱状晶尖端由于缺少晶粒的阻挡得到迅速生长,晶粒平均尺寸增加。(2)当形核密度nmax设置为5×109 m-3时,铸锭内柱状晶组织占比较高,将其增加到1×1011 m-3,在相同过冷度条件下,形核数量大幅增加,铸锭纵截面的晶粒数由4.220×105增加到5.146×106,晶粒平均面积由0.969 mm2减小到0.0796 mm2。(3)结合形核参数对凝固过程晶粒结构的影响,并与实验结果进行对比分析,确定适用于var工艺条件下的形核参数:?Tmax=0.1 K,nmax=5×1010 m-3,?Tσ=0.1 K。通过模拟得到的钛合金凝固组织形态及枝晶生长方向与实验结果呈现出高度一致性,即对应于熔炼的不同阶段凝固组织可分为四种结构:表面细晶区、底部垂直柱状晶区、中上部柱状晶区以及中心等轴晶区。(4)在熔炼初始阶段,铸锭与结晶器之间以底部换热为主,侧壁冷却条件的变化对温度场影响较小。当熔炼过程达到稳定时,对比空冷边界条件可以发现,在结晶器内通入冷却介质能够促进侧壁的散热,因此随着氦冷强度的增加,熔池逐渐变浅,糊状区面积逐渐减小。(5)与空冷状态下的凝固组织相比,通入氦气冷却后,在壁面的强烈冷却作用下铸锭中心的等轴晶区面积逐渐减小,结晶器侧壁附近的柱状晶生长得到加强,侧壁附近的柱状晶逐渐趋于小角度生长。(6)铸锭下部在氦冷条件下的SDAS要明显小于空冷条件,并且随着氦冷强度增加,SDAS有持续的下降趋势,而在铸锭中部则呈现出相反的变化趋势。定量数据研究表明,将氦冷强度增加到800 W/m2?K-1,铸锭侧壁及心部的SDAS分别减小了62.14μm和24.65μm,说明冷却条件对侧壁位置SDAS的影响明显大于铸锭心部。