本文關(guān)鍵詞：TC4鈦合金電子束冷床熔煉技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： TC4鈦合金 電子束冷床熔煉 Al元素?fù)]發(fā) 溫度場模擬

【摘要】： TC4(Ti-6A1-4V)鈦合金是由美國于1954年研制成功的α+β兩相型鈦合金。具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的塑性且耐高溫、耐蝕性等一系列優(yōu)點,是目前應(yīng)用最廣,產(chǎn)量最大的鈦合金。該合金主要在退火狀態(tài)下使用,也可以固溶時效進(jìn)行強(qiáng)化,成品和半成品主要有棒材、薄板、厚板、型材以及鍛件和鑄件等。 由于TC4鈦合金主要用于航空航天工業(yè)制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的各種承力件以及各種類型的緊固件,所以使用中對該合金性能要求非常嚴(yán)格,近年來對該合金鑄錠的研究很多。為了獲得成分均勻,質(zhì)量合格的TC4鈦合金鑄錠,本文通過電子束冷床進(jìn)行熔煉實驗,研究不同的熔煉工藝參數(shù),不同原材料成分以及其它因素對熔煉的影響；并通過數(shù)學(xué)模型及計算機(jī)模擬分析與實驗相結(jié)合進(jìn)行對比研究。 研究發(fā)現(xiàn),元素的飽和蒸氣壓對熔煉過程中元素的揮發(fā)影響很大,在TC4鈦合金中,純鋁的飽和蒸氣壓比基體元素的大800倍左右,比V元素大2000多倍,造成在熔煉過程中,A1元素發(fā)生大面積的揮發(fā)損失,且隨著熔體溫度的升高,A1元素的揮發(fā)損失量也有很大增加；而V元素的揮發(fā)則非常小,熔煉后相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)還略有增加。 熔煉過程中原料的加入對A1元素?fù)]發(fā)影響也很大,當(dāng)熔化原料采用合金化程度較高的真空自耗(VAR)一次錠時,A1元素的揮發(fā)量小,主要在冷床精煉階段有一定的揮發(fā),在原料熔化和坩堝中的凝固階段揮發(fā)很少；而當(dāng)原料中加入單質(zhì)A1之后,元素在熔化階段的揮發(fā)增加,且隨著原料中A1含量增加而增加。研究凝殼發(fā)現(xiàn),從原料熔化側(cè)至鈦液流出側(cè),A1元素的含量呈降低趨勢,最終A1元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低并穩(wěn)定至鑄錠中的平均水平。 電子束冷床熔煉TC4鈦合金過程中,熔速采用100kg/h時熔煉效果最好,熔煉出的鑄錠完全符合國標(biāo)規(guī)定成分要求,且鑄錠質(zhì)量良好,各種元素分布均勻,是一種理想的熔煉速度。熔煉出的TC4鈦合金鑄錠在軸向上,各合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn),A1元素分布從鑄錠上部到下部呈降低的趨勢,且隨著熔速的減小,降低的趨勢更加明顯,主要由于在熔煉的開始階段,TC4鈦合金熔體長時間保持高溫狀態(tài),所以Al元素的揮發(fā)損失較為嚴(yán)重,含量偏低。在徑向上,合金元素成分分布非常均勻,熔煉效果良好。 利用ANSYS模擬發(fā)現(xiàn),熔體從冷床滴入坩堝之后,主要經(jīng)過熔體升溫,形成穩(wěn)定熔池,熔體凝固,熔體溫度下降,凝固結(jié)束幾個主要熔煉階段。熔體從熔點開始降溫的過程主要有兩個階段,包括熔體降溫速度很快,在很短的時間內(nèi)迅速開始凝固的快速降溫階段以及熔體與坩堝外壁溫差較小,降溫逐漸趨于平緩的降溫平衡階段。當(dāng)降溫時間達(dá)到500s的時侯,坩堝內(nèi)外溫度基本平衡。ANSYS模擬軟件準(zhǔn)確反映了熔煉過程溫度場的分布情況,且與實驗吻合良好。
【關(guān)鍵詞】：TC4鈦合金 電子束冷床熔煉 Al元素?fù)]發(fā) 溫度場模擬
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TG27
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-23
• 1.1 引言9-11
• 1.1.1 鈦合金的分類及應(yīng)用9-10
• 1.1.2 TC4鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用10-11
• 1.2 鈦合金的真空熔煉11-14
• 1.2.1 鈦合金真空熔煉的熱力學(xué)12
• 1.2.2 鈦合金真空熔煉的動力學(xué)12-13
• 1.2.3 鈦合金真空熔煉的背景及現(xiàn)狀13-14
• 1.3 電子束冷床熔煉爐14-18
• 1.3.1 電子束冷床爐的結(jié)構(gòu)14-15
• 1.3.2 電子束冷床的熔煉原理15-16
• 1.3.3 電子束冷床熔煉的優(yōu)點16
• 1.3.4 電子束冷床在鈦合金熔煉中的應(yīng)用16
• 1.3.5 電子束冷床熔煉中夾雜的去除和Al揮發(fā)的控制16-18
• 1.4 電子束冷床熔煉過程溫度場模擬概述18-21
• 1.4.1 度場數(shù)值模擬的方法18-20
• 1.4.2 熔煉過程中溫度場模擬研究的概述20-21
• 1.5 本課題意義及研究內(nèi)容21-23
• 2 材料和實驗方法23-27
• 2.1 實驗材料23-24
• 2.2 實驗方案24-25
• 2.2.1 熔煉實驗設(shè)備24
• 2.2.2 實驗流程圖24-25
• 2.3 實驗方法25-27
• 2.3.1 鑄錠及凝殼的組織和成分分析25-26
• 2.3.2 熔煉過程合金元素?fù)]發(fā)分析26
• 2.3.3 熔煉工藝參數(shù)研究26
• 2.3.4 金相組織觀察26
• 2.3.5 熔煉過程溫度場模擬實驗26-27
• 3 熔煉過程中合金元素Al及其它元素的揮發(fā)機(jī)理研究27-37
• 3.1 數(shù)學(xué)模型及理論計算方法27-33
• 3.1.1 熔體中元素的揮發(fā)趨勢熱力學(xué)分析27-31
• 3.1.2 合金元素?fù)]發(fā)的液相控制與傳質(zhì)系數(shù)31-33
• 3.2 熔體中Al元素?fù)]發(fā)損失量的計算與驗證33-34
• 3.3 Al元素?fù)]發(fā)實驗結(jié)果分析34-35
• 3.3.1 Al元素在冷床凝殼中的分布情況34
• 3.3.2 Al元素在不同階段中的分布情況34-35
• 3.4 本章小結(jié)35-37
• 4 不同熔煉工藝下TC4鈦合金鑄錠的成分均勻性研究37-45
• 4.1 熔煉工藝對TC4鈦合金鑄錠質(zhì)量的影響37-40
• 4.1.1 熔速對TC4鈦合金鑄錠化學(xué)成分的影響37-38
• 4.1.2 原料對TC4鈦合金鑄錠化學(xué)成分的影響38-40
• 4.2 電子束冷床熔煉TC4鈦合金鑄錠成分均勻性研究40-43
• 4.2.1 TC4鈦合金鑄錠軸向化學(xué)成分的均勻性分析40-42
• 4.2.2 TC4鈦合金鑄錠徑向化學(xué)成分的均勻性分析42-43
• 4.3 本章小結(jié)43-45
• 5 電子束冷床熔煉TC4鈦合金過程中溫度場模擬研究45-61
• 5.1 ANSYS熱分析理論研究45-52
• 5.1.1 ANSYS熱分析基礎(chǔ)知識45-47
• 5.1.2 ANSYS熱分析控制方程47-49
• 5.1.3 熱傳導(dǎo)中變分原理及有限元求解列式49-52
• 5.2 ANSYS分析模型的建立和網(wǎng)格劃分52-53
• 5.3 材料的熱物性參數(shù)及邊界條件53-55
• 5.3.1 密度53-54
• 5.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容54
• 5.3.3 ANSYS模擬分析中的邊界條件及焓值54-55
• 5.3.4 對流換熱系數(shù)的計算55
• 5.4 溫度場模擬結(jié)果分析55-59
• 5.5 降溫過程模擬結(jié)果與實驗驗證59-60
• 5.6 本章小結(jié)60-61
• 6 結(jié)論61-63
• 致謝63-64
• 參考文獻(xiàn)64-69
• 附錄:攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和申請的專利69

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：819874