鈦合金冷坩堝電磁定向凝固傳輸過程耦合模型與數(shù)值計算.pdf

1、冷坩堝電磁定向凝固成形技術(shù)是集電磁懸浮熔煉、電磁約束成形和強(qiáng)制冷卻三位于一體的新型定向凝固技術(shù)。它特別適用于高熔點(diǎn)、高活性材料的中小尺寸部件，如航空發(fā)動機(jī)葉片的近凈形成形。
　　TiAl合金以其良好的綜合高溫性能成為制備航空發(fā)動機(jī)葉片的重要材料，但將其液態(tài)成形的難點(diǎn)來自于它們的高熔點(diǎn)和高活性。利用電磁冷坩堝定向凝固成形技術(shù)實現(xiàn) TiAl合金的液態(tài)成形，獲得定向凝固組織的近凈形鑄件具有重要的應(yīng)用價值。
　　研究冷坩堝電磁定向凝

2、固成形過程中的耦合傳輸現(xiàn)象對于揭示在復(fù)雜外場作用下合金凝固的傳熱、傳質(zhì)及流動等行為，理論指導(dǎo)該項復(fù)雜的成形技術(shù)具有重要意義。
　　本文以冷坩堝電磁定向凝固成形過程中耦合傳輸現(xiàn)象的數(shù)值模擬為研究目的，在前期工作的基礎(chǔ)上，完成了如下研究工作：
　　1.闡述并建立了電磁場與合金凝固傳輸現(xiàn)象多場耦合數(shù)學(xué)描述的理論模型。引入低磁雷諾數(shù)條件，將電磁場與凝固耦合傳輸之間的影響進(jìn)一步簡化為電磁場單向影響凝固耦合傳輸過程，為冷坩堝電磁場下的凝

3、固耦合傳輸數(shù)值模擬做好了理論準(zhǔn)備。
　　2.解決了電磁場與凝固耦合傳輸模型數(shù)值耦合的計算技術(shù)等問題；包括利用ANSYS計算電磁場、ANSYS電磁場計算結(jié)果的FEM→FDM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、正弦電磁場電磁力與感應(yīng)焦耳熱的引入等。
　　3.在前期工作的基礎(chǔ)上，以類葉片鑄件為對象，模擬研究了不同電磁場下的凝固耦合傳輸過程，以檢驗所采用的數(shù)學(xué)模型、數(shù)值計算方法和耦合技術(shù)的可行性；對靜磁場下的模擬結(jié)果表明，靜磁場可以有效抑制純液相區(qū)中的流動，

4、但不能有效抑制凝固區(qū)中的補(bǔ)縮流動；對正弦諧波磁場下定向凝固傳輸行為的模擬結(jié)果表明，交變磁場的電磁攪拌效果與磁場強(qiáng)度、頻率和合金的電磁物性參數(shù)、合金凝固傳輸行為等密切相關(guān)。
　　4.研究了冷坩堝電磁定向凝固條件下駝峰形狀、位置及所需的電磁場強(qiáng)度與冷坩堝幾何參數(shù)的關(guān)系，對坩堝壁的電磁削弱效果及冷坩堝的電磁特性進(jìn)行了函數(shù)擬合等理論分析；給出了冷坩堝電磁成形過程中高度一定的駝峰在坩堝中隨位置變化時，其形狀變化與所需勵磁電流強(qiáng)度的數(shù)值計算式

5、，結(jié)合數(shù)值計算，分析了冷坩堝電磁特性曲線對冷坩堝下駝峰的影響，包括駝峰形狀演變、吸收功率的變化、穩(wěn)定性等；推導(dǎo)出了由冷坩堝電磁特性曲線決定的無接觸電磁約束區(qū)熔成形熔體靜壓力與電磁壓力平衡時所需最佳電源勵磁電流的數(shù)值計算式。數(shù)值計算表明，下駝峰占據(jù)電磁特性曲線的峰值部分區(qū)域有助于減小軟接觸程度。
　　5.模擬了冷坩堝軟接觸電磁定向成形中上下駝峰結(jié)構(gòu)中的溫度場、流場和相對壓力場等的分布，分析了采用冷坩堝獲得電磁定向凝固組織的可行性機(jī)理