电子束冷床熔炼TC4合金温度场模拟

利用ANSYS软件对电子束冷床熔炼TC4钛合金过程进行模拟研究.结果表明:熔体从冷床滴入坩埚之后,主要出现熔体升温、形成稳定熔池、熔体凝固、熔体温度下降和凝固结束这5个阶段.在开始熔炼时,熔体温度较低,升温也比较慢,但随着熔炼的进行,熔体升温加快,并维持在高温状态,最后熔体发生凝固降温,且降温速度很快.降温过程主要分为两个阶段,在快速降温阶段,熔体快速出现部分凝固,而在降温平衡阶段,熔体主要进行补缩.当降温时间达到500 s时,熔体温度基本保持不变.     

电子束冷床熔炼工艺参数对TC4钛合金Al元素挥发的影响

研究不同熔炼工艺参数对电子束冷床熔炼TC4钛合金过程中Al元素挥发的影响规律.结果表明:原料为真空自耗电弧(VAR)一次锭时,二次铸锭经电子束冷床熔炼获得;在轴向上,从铸锭的顶部至底部,Al元素的含量呈下降的趋势,并且随着熔炼速度的降低,其下降趋势更为明显;在径向上,铸锭的元素分布均匀.熔速为100 kg/h时,铸锭成分控制效果最佳,最接近TC4合金的名义成分.初始原料为电极块(添加单质Al)时,Al元素在原料熔化阶段发生较严重的挥发,且挥发量随着原料中单质Al含量的增加而增加.研究凝壳发现,从原料熔化侧至钛液流出侧,凝壳中Al元素的含量逐渐减少.     

电子束冷床熔炼TC4钛合金连铸凝固过程数值模拟

利用PROCAST有限元软件对电子束冷床熔炼TC4钛合金连铸凝固过程进行数值模拟,研究不同工况条件下的温度场分布规律、熔池形状以及组织分布特征.结果表明:在相同的浇注温度条件下,随着铸造速度的增加,熔池加深,糊状区域变浅,初生枝晶半径和二次枝晶臂间距逐渐增加,凝固组织变得粗大.而在铸造速度相同的条件下,随着浇注温度的提高,过热度增大,熔池加深,糊状区域变浅,合金的晶粒尺寸增大.在本实验条件下,选择铸造速度10 mm/min以及浇注温度1 760 ℃作为最佳工艺参数,这有利于在保证较高生产效率的同时,获得组织细小、冶金质量优良的钛合金铸锭.     

EB炉熔炼TC4钛合金热轧板材的组织性能研究

以工业化电子束冷床炉（EB炉）熔炼的TC4钛合金扁锭为研究对象，对其进行热轧变形，研究单向和换向热轧工艺对TC4钛合金板材显微组织与力学性能的影响。结果表明：TC4钛合金扁锭显微组织为魏氏组织，经过热轧塑性变形后，晶界已充分破碎，α相集束发生扭折、变形和破碎，且纵横交错分布，呈网篮状。随着热轧换向次数的增加，片状α相纵横交错越明显，降低了其在轧向和横向的各向异性，换向二次热轧的板材综合性能最优。TC4钛合金的断裂转变形式为单向热轧RD方向的韧性断裂、TD方向的韧性+准解理混合型断裂→换向一次热轧RD方向的韧+脆混合型断裂、TD方向的韧性+准解理混合型断裂→换向两次热轧的韧性断裂。热轧板材主要是α-Ti和β-Ti的基体相。单向热轧板材的晶粒在<0001>方向存在择优取向；换向一次热轧板材的晶粒取向主要介于<0001>和<"1" ?2"1" ?0>晶向之间；换向二次热轧板材晶粒取向向<01"1" ?0>方向移动，其晶粒取向介于<0001>和<01"1" ?0>方向之间。     

电子束冷床熔炼TC4合金的热平衡分析

通过对TC4合金电子束冷床熔炼过程热平衡的计算和实验验证,为制定合理的熔炼工艺提供计算依据。计算结果表明,维持冷床液态熔池表面125℃过热和结晶坩埚内100℃过热的条件下,随着熔炼速度从60kg/h增加到150kg/h,冷床内所需热量稍微增加,熔炼原料的功率明显增加,而凝固坩埚内所需热量有所降低。在提高冷床内和坩埚内的过热度时,其所需的热量都增加。     

轧制火次对EB熔炼TC4钛合金显微组织、织构和力学性能的影响

本文研究了轧制火次对电子束冷床(EB)熔炼TC4钛合金显微组织、织构和力学性能的影响。结果表明：随着轧制火次的增加,原始铸态试样中粗大晶粒被破碎,晶粒逐渐等轴化,形成大量细小的等轴α相,小角度晶界(LAGBs)逐渐增加;相比于一火次轧制变形,三火次轧制变形后LAGBs提高35.1%,位错密度逐渐增加。轧制过程中钛合金β→α转变发生了变体选择。一火次轧制后形成T型织构,柱面滑移优先开动,随着轧制火次的增加,织构类型发生转变。三火次轧制后,试样的抗拉强度和塑性显著提高,与铸态试样相比,RD与TD方向室温与400℃抗拉强度分别增加271 MPa、189 MPa和300 MPa、402MPa,断后伸长率分别增加7.4%、15.3%和7.6%、4%。RD与TD方向室温断裂机制分别从准解理断裂和脆性断裂逐渐转变为微孔聚集型断裂。     

电子束冷床炉熔炼TC18钛合金过程中元素挥发研究

采用BMO-25型电子束冷床炉(EB炉)熔炼TC18钛合金铸锭,利用Langmuir定律建立了熔炼过程中各组元饱和蒸气压及挥发规律的数学模型,并根据实测挥发率对TC18钛合金各组元的活度系数进行验证性分析。结果表明：通过数学模型获得的活度系数及挥发率能够较好地匹配实际熔炼过程,理论挥发率与实测挥发率吻合度较高。EB炉熔炼TC18钛合金过程中,Al、Cr元素挥发明显,实测挥发率分别为12.06%～18.27%和30.77%～37.16%。将Al、Mo、Cr补加率分别设为15.6%、4.25%、30%,并通过控制熔炼电流使熔炼速度稳定在178 kg/h左右,由此所获得的TC18钛合金铸锭化学成分均匀性良好,符合GB/T 3620.1—2016要求。     

基于DMNR模型建立EB炉熔炼TC4钛合金的双重多元非线性回归本构方程

通过热模拟压缩实验研究EB炉熔炼TC4钛合金在应变速率为0.01 s_^-1-10 s_^-1,变形温度为800 ℃-1100℃条件下的热变形行为,计算合金在不同变形条件下的应变速率敏感性指数m,并基于DMNR模型建立EB炉熔炼TC4钛合金的双重多元非线性回归本构方程。结果表明：在变形开始阶段,加工硬化占主导作用,流动应力随着应变的增加而增加,当达到峰值应力时,软化作用比较明显,位错开始发生滑移和攀移,流动应力随着应变的增加而降低。在低温小应变速率下m值较大,在高温大应变速率下m值较小,m值越大,对应的显微组织越均匀。采用所建立的非线性回归本构方程能够较好地预测EB炉熔炼TC4钛合金的流动应力,预测值与实测值之间的平均绝对相对误差为5.83% ,相关系数为0.98。     

TC4钛合金等温锻造过程的数值模拟和实验研究

实验研究了TC4钛合金等温锻造的工艺过程,并采用DEFORM-3D有限元软件对其进行数值模拟.结果表明,采用等温锻造工艺成功地锻造出某钛合金复杂结构件,锻件轮廓清晰、表面光洁、尺寸精度高,金属流线分布合理,组织性能超过常规机加工件,其材料用量相对于常规机加工件提高到60%.通过软件模拟,了解锻件成形的应力、应变及金属流动等信息,为工艺的确定和设备的选取提供了理论依据.     

TC4ELI钛合金的电子束冷床熔炼技术

采用EBCHR-3150KW大功率电子束冷床熔炼炉,研究了以“TA1纯钛残料+海绵钛+中间合金”通过一次EB熔炼TC4ELI钛合金扁锭的生产工艺,分析了熔炼工艺参数对铸锭化学成分的影响,并对工艺可行性进行了分析,研究了不同热处理制度对板材组织性能的影响。结果表明：TC4ELI钛合金EB熔炼过程中Al元素的实际挥发率达到15%～18%,通过控制原材料制备使其达到宏观均匀、控制成分配比,制定合理的工艺要求,完全可以生产出符合国标GB/T 3620.1-2016要求的TC4ELI钛合金EB扁锭。     

熔炼方式对TC17钛合金铸锭化学成分及棒材组织均匀性的影响研究

对比分析一次电子束冷床炉熔炼(EBCHM)加一次真空自耗电弧炉熔炼(VAR)和三次真空自耗电弧炉熔炼生产的φ820 mm TC17钛合金铸锭的化学成分均匀性,以及由这两种铸锭经相同工艺锻造得到的棒材的组织均匀性。结果表明,通过原材料控制和工艺参数设计,两种熔炼方式均可生产出化学成分均匀、杂质含量可控的大规格TC17钛合金铸锭,且EBCHM+VAR工艺在残钛回收方面具有优势;两种工艺得到的铸锭,经相同的锻造工艺可获得组织均匀的棒材,为航空转动件提供材料支撑。     

VAR熔炼制备超大规格TC4 ELI钛合金铸锭研究

舰船和海洋领域对钛合金材料的需求呈大型化发展趋势,铸锭作为锻件和板材的母材,其大型化也势在必行。为满足大型铸锭的工业化生产,采用有限元分析法对真空自耗电弧熔炼（VAR）超大规格TC4ELI钛合金一次锭和成品锭的熔炼过程进行了数值模拟研究。结果表明,一次锭熔炼过程中稳弧电流和稳弧周期直接影响熔池中夹杂物的运动轨迹;对于TC4 ELI钛合金一次锭熔炼,较为合适的稳弧参数为稳弧电流30 A,稳弧周期40 s;成品锭熔炼时,降低熔炼电流,增大稳弧电流和稳弧周期,即加强VAR熔炼过程中的搅拌有助于提高铸锭成分均匀性和表面质量。根据数值模拟结果进行了12.8 t级超大规格TC4 ELI钛合金铸锭的工业化生产,所得铸锭表面质量良好,成分均匀。     

TC4合金的电子束冷床熔炼热平衡计算

通过对TC4合金电子束冷床熔炼过程热平衡的计算和实验验证,为制定合理的熔炼工艺提供了理论依据。结果表明,对于100kg/h的熔炼速度,维持冷床液态熔池表面125℃过热和结晶坩埚内100℃过热的条件下,熔炼原料的功率为70kW,维持冷床内液态熔池的功率为122kW,维持结晶坩埚良好凝固温度的功率为62kW。在此功率熔炼时冷床内液态熔池表面温度和计算吻合。     

TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能

通过室温拉伸、室温缺口拉伸、显微硬度以及金相分析对TC4钛合金电子束焊接接头的显微组织和性能进行了研究。试验结果表明，用电子束焊接TC4钛合金可获得性能良好的焊接接头，其接头的抗拉强度不低于母材，焊缝的缺口敏感系数均小于1。焊缝区和热影响区的硬度均高于母材，焊缝组织是由较粗大的原始β相转变而成的α′相，即针状马氏体，热影响区组织为均匀且细小的针状马氏体和原始α相的混合物。     

电子束冷床熔炼TC4钛合金铸锭凝固过程有限元模拟

利用ProCAST有限元软件对电子束冷床熔炼TC4钛合金铸模凝固过程进行数值模拟,研究了不同浇注速度下温度场的分布规律、预测组织缺陷分布以及晶粒尺寸大小。结果表明,相同浇注温度下,随着浇注速度的增大,铸锭凝固过程中达到稳态所需的时间明显缩短,且无冷隔及浇不足等缺陷出现;缩孔缩松量逐渐增大,且主要分布于铸锭的侧表面及冒口位置;初生枝晶半径和二次枝晶臂间距逐渐增加,凝固组织变得粗大,细晶区域明显减小。在本试验条件下,浇注温度为1 760℃时,选择100 kg/h作为最佳浇注速度,在保证生产效率的同时,可以获得组织细小、冶金质量优良的钛合金铸锭。     

TC4钛合金焊接接头中压电子束局部热处理技术

电子束局部热处理技术是对整体热处理的一种有益补充,针对TC4钛合金进行中压电子束局部热处理研究。电子束局部热处理后TC4钛合金接头的组织形态与电子束焊态基本相同,但焊缝区的晶粒组织略有细化,焊缝区显微硬度也得到了改善,电子束局部热处理后焊接接头的拉伸力学性能均高于焊态。优化的电子束局部热处理工艺完全可以使TC4钛合金接头的组织力学性能超过焊态。     

TC4钛合金螺纹成型的有限元分析

以TC4钛合金螺栓搓丝成型过程为研究对象,利用ABAQUS有限元软件进行仿真分析,得到切向速度、径向进给速度和摩擦因数对螺纹成型质量的影响规律.结果表明:搓丝板切向速度和摩擦因数对螺纹成型质量有显著影响,而径向进给速度对螺纹成型质量影响很小;切向速度低于300 mm/s时螺纹成型质量较好,高于300 mm/s时成型质量...     

电子束高频扫描对TC4钛合金组织性能影响的研究

为了提高TC4钛合金表面硬度和微观组织,采用高频电子束扫描对TC4钛合金表面进行处理。为了获得良好的电子束高频扫描工艺参数,分别研究了电子束能量、聚焦电流、扫描频率等工艺参数调整时,TC4钛合金表面硬度和微观组织变化。将经过不同工艺处理的TC4钛合金,分别检测了表面硬度、表面组织、硬化层深度、硬化层内部组织。研究结果表明：与未经处理的TC4母材相比,经过电子束高频扫描处理的TC4钛合金表面硬度增加了40Mpa以上;随着电子束能量增加,影响深度将会增大;聚焦电流在小范围内调整,将会获得较高的表面硬度;处理区域的表面硬度逐渐减小,晶粒增大;其它工艺参数不变时,随着扫描次数增大,表面硬度逐渐降低,影响层的晶粒将会逐渐粗化。     

基于湍流计算模型的TC4钛合金搅拌摩擦焊过程的流场分析

以TC4钛合金为研究对象,利用计算流体力学软件FLUENT建立搅拌摩擦焊过程的三维有限体积模型,选取k-ε湍流计算模型,利用数值模拟的方法对材料的塑性流动行为进行了研究。结果表明:搅拌头及其附近区域的材料流动方向与搅拌头的旋转方向相同,且此区域的材料流动速度远大于其它区域;受接触点线速度的影响,轴肩附近的材料流动速度大于焊件内部与搅拌针接触区域材料的流动速度,且搅拌针附近材料的流动速度随搅拌针的直径减小而减小。