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本文设计制造了电磁冷坩埚,对钛基合金电磁冷坩埚连续熔铸和定向凝固进行了数值计算和实验研究。在空载条件下,利用小线圈法测量了坩埚内不同位置、不同功率和不同线圈匝数的磁场分布规律,磁场强度在线圈高度范围内较大,且最大值出现在线圈高度中部,然后向两端衰减,向上衰减缓慢,向下衰减剧烈;磁场强度随功率的增大而增加,越靠近线圈高度中部,磁场强度增加越大;线圈匝数增加磁场强度最大值变大且位置上升;不同瓣缝位置的径向磁场分布不相同;瓣间向瓣内变化,磁场强度逐渐减小,但变化幅度很小。利用互感耦合模型建立坩埚内电磁场模型,并对坩埚内磁场进行计算,计算结果与测量结果基本一致;对大功率的磁场计算可用于预测和解释凝固界面的变化和工艺参数对裂纹的影响。
根据质量守恒定律和傅里叶定律,建立连续熔铸过程中温度场计算的数值模型,确立各类边界条件,并用VC语言编制了连续熔铸过程温度场数值计算程序,模拟Ti6Al4V和TiAl合金在不同速度和不同功率在不同时刻的温度场,并以此作为实验参数的选择依据。模拟结果显示:3匝线圈和52kW条件下,熔化首先从表面开始,然后向内向两边熔化,115秒内料棒能够熔化且形成驼峰,在抽拉过程中温度场基本保持动平衡稳定;随抽拉速度增加或功率降低,送料棒和驼峰的熔体变小,过热度变小,凝固界面下凹且位置下移;若要获得理想的界面形状和熔体过热度,必须合理控制参数。
对钛合金(Ti6Al4V)电磁冷坩埚连续熔铸和定向凝固进行实验研究,消除了各种铸造缺陷。利用正交试验方法研究了工艺参数对裂纹的影响规律,根据裂纹特征和位置,揭示了裂纹形成机制。坩埚内壁涂加涂层,可以获得没有裂纹的试样。抽拉速度是影响宏观组织的最主要参数,拉锭高度次之,再次是功率,最后是线圈匝数,但后三个参数的影响程度相差不大。随速度增加,凝固界面由凸变平变凹。欲获得少的晶粒数量和晶向偏差必须减小抽拉速度。