var法熔炼钛合金补缩过程中温度分布的有限元分析

var法熔炼钛合金补缩过程中温度分布的有限元分析

1聚合物补缩过程的模拟分析钛和钛合金由于其强度高、稳定性好、耐腐蚀性好、无磁性等优点，广泛用于飞机结构材料和高性能航空发动机的风扇、压气机、底盘、叶片等重要部件。真空自耗电弧熔炼(VAR)法作为目前生产钛合金铸锭的主要方法已在国内外钛合金生产单位广泛应用,加强其冶金过程控制,尤其是成品熔炼补缩阶段的控制是提高铸锭成分均匀性和成品率的关键。补缩过程中存在诸多影响因素,其中温度场的影响最为明显。近年来,国内外学者采用数值模拟的方法对VAR熔炼过程进行了一系列的研究,但是对补缩过程的研究鲜有报道。因此,采用数值模拟软件,运用有限元方法研究分析VAR法熔炼钛合金补缩过程的温度场分布以及固液两相区的变化情况,探讨补缩过程中熔池形貌的变化规律具有重要意义。旨在通过对该过程的深入研究,优化补缩工艺参数,为高均质钛合金铸锭的生产提供帮助。2建立和计算模型2.1铸锭地方热分析边界条件补缩是成品熔炼时提高铸锭成品率的有效措施,通过逐渐降低电流,可以使得铸锭中气孔不断上升。补缩过程可具体分为两个阶段,分别是降电流阶段和小电流保温阶段。降电流阶段是指电流由稳定熔炼时刻的值逐渐降低直到最小;小电流保温阶段是指熔速为0的阶段,是通过小电流烘烤使得铸锭头部成分均匀化的过程。基于上述理论,作出以下假设:①坩埚外壁冷却水的温度是恒定的,忽略熔炼过程中冷却水温度的升高;②熔池表面是平面,不考虑熔池流动对温度分布的影响;③铸锭与坩埚之间为理想热传导,不考虑铸锭凝固过程中的收缩行为。选用ANSYS12.0有限元分析软件中的solid231热单元,采用APDL参数化编程,运用生死单元模拟瞬态熔炼过程。参数化设计语言APDL用智能分析的手段定义模型和载荷并进行求解及结果解释。计算中以应用最为广泛、参数最为齐全的TC4钛合金为研究对象。具体模型尺寸和工艺参数见表1。图1为在ANSYS软件中建立的VAR模型,其中,外层模型为坩埚部分,内层模型是整个计算过程中的铸锭部分,在铸锭与坩埚接触区采用共节点划分以简化边界条件。考虑到模型较大,在满足计算精度的前提下将铸锭部位网格尺寸设为10mm×10mm。2.2熔池表面表面两相射导系数的计算VAR法熔炼钛合金过程的温度场模拟主要涉及3种边界条件:熔池表面热传导、坩埚外壁的对流换热以及熔池上部的热辐射。在熔池表面,主要是电弧对熔池的热输入,考虑到相变潜热,熔池表面温度可表示为:T=TL+400e−12DcJΤ=ΤL+400e-12DcJ式中,T为熔池表面温度,K;TL为液相线温度,K;J为电流密度,kA/m2;Dc为铸锭直径,m。坩埚外壁传热方式为坩埚与冷却水之间的对流换热。从固体表面流入流体的热流密度用Newton冷却定律表示:q=0.023λf(v·d/μ)0.8Pr0.4/d(Tf-Tw)式中,q为热流密度,W/m2;λf为冷却水的导热系数,W/(m·K);v为冷却水流速,m/s;d为当量直径,m,d=4A/L;A为水流横截面积,m2;L为水流横截面周长,m,即冷却水水流截面湿润周长;μ为冷却水的粘度,m2/s;Pr为普朗特数,无量纲;Tf为流体的特征温度,计算中设定冷却水的温度Tf为300K;Tw为固体边界温度,K。熔池表面与闭锁阀之间的辐射换热通过下式表示:Q=σεAiFij(T4i-T4j)其中,Q为热量,J;σ为Stefan-Boltzman常数,J/K;ε为发射率;Ai为i的面积,m2,本文计算中指熔池表面;Fij为两个发射面的格式因子,无量纲;Ti、Tj分别为i和j面(本文中指闭锁阀下表面)的绝对温度,K。初始条件可表示为:T|t=0=T0(T0=300K)2.3边界条件分析由于补缩过程的计算需要以补缩前的温度场为前提条件,因此本文中对整个熔炼过程进行了计算。计算中采用生死单元方法在整个铸锭的每层网格上逐步加载温度边界,以此实现边熔化边凝固的过程。经过边界条件的加载,对铸锭整个熔炼过程中熔池的温度分布、温度梯度的变化进行了分析。图2为VAR过程中不同时间下温度场的分布特征。3分析与讨论3.1补缩阶段铸锭直径和温度变化图3为整个VAR法熔炼过程中不同阶段铸锭轴线位置温度变化曲线。从图3可以看出,熔炼初期,坩埚底部冷却较强,液固两相区的温度梯度(曲线斜率)较大。随着熔炼的进行,液固两相区的温度梯度减小,熔炼达到平衡后液固两相区保持相近的温度梯度直至补缩之前。这主要是由于坩埚外壁冷却水使得靠近坩埚底部的熔体首先发生凝固,从而减弱了坩埚底部散热,形成不断增高的熔池。当铸锭达到一定高度时,坩埚内热量的吸收与散失逐渐达到平衡,进入稳态熔炼阶段,熔池深度和形状不再继续变化。因此,在进入补缩阶段前,糊状区的温度梯度不再发生变化,最大达到602K/m。可以看到,进入补缩期后,降电流阶段熔池表面温度低于熔池内部,温度梯度变化不大;进入小电流烘烤阶段后,熔池表面温度低于液相线,即铸锭表面已经发生凝固,温度梯度不断减小,最小为264K/m。图4为补缩阶段铸锭直径方向温度场的变化规律。由图4可见,随着补缩进行,熔池径向温度梯度(曲线斜率)逐渐减小。补缩前糊状区温度梯度最大达到3300K/m,最小为650K/m。图3与图4对比可知,径向温度梯度远远大于轴向,并且越接近熔池边缘越大。一方面说明热量主要沿径向散失,另一方面造成铸锭外围柱状晶粗大,在靠近铸锭中心处枝晶尖端重熔或者破碎,形成新的形核中心,有利于中心细晶区的形成。这些变化与实际铸锭的凝固组织一致。3.2补缩阶段铸锭深度的变化实际熔炼过程中,补缩阶段电流一般是从某一值保持一段时间后再减小,如此反复,即以阶梯下降方式补缩。本研究计算中,尝试了采用直线方式将电流减小到特定值的补缩方式。图5为VAR补缩阶段两种降电流方式的示意图。通过计算,得出两种补缩方式下熔池深度随时间的变化曲线,如图6所示。由图6可见,直线法降电流,整个补缩阶段熔池深度呈线性减小趋势,即铸锭一直保持较快的凝固方式,不利于在补缩阶段改善成分。而阶梯降电流方式在补缩阶段初期,熔池变化缓慢,在电流较大情况下有利于杂质溶解上浮和成分均匀,随后熔池变化逐渐增大,在小电流保持阶段搅拌减弱,凝固加速,有利于提高生产效率。3.3冷却熔池的充放电温度和自图7为熔炼速率分别为16、24、36kg/min情况下熔池高度与熔池温度的关系曲线。熔炼的液相线温度为1933K。当熔池表面温度低于液相线温度时,熔池下部一定范围内温度均高于熔池表面温度,即铸锭表面发生凝固时,在铸锭内部包裹了一部分液相,认为该位置应为冒口形成的位置。由此可见,随着熔炼速率的增大,冒口形成的位置降低,即冒口增大。图8为熔炼电流分别为19、24、29、34kA情况下熔池补缩前后的形貌。可见,补缩前(图8a),固相线温度对应轴线位置相近,即熔池深度几乎没有变化,随着熔炼电流的增大,熔池边缘温度升高,补缩前不同熔炼电流对应的熔池深度基本相等。补缩降电流阶段结束后(图8b),熔池底部位置上升,熔池深度减小。熔炼电流越大,熔池越深。由此可以推断,在随后的小电流保温阶段,各种工艺参数都相同的条件下,较深的熔池形成的冒口位置也较深,因此冒口较大。4工艺参数对冒口的影响(1)与补缩前相比,补缩阶段辐射散热对于坩埚内热量分布影响增大;补缩前糊状区径向温度梯度远