TiAl基合金密度低且具有較高的比強(qiáng)度,同時(shí)高溫強(qiáng)度、抗氧化和抗蠕變性能優(yōu)異,作為一種潛在的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料具有輕質(zhì)耐高溫的優(yōu)勢(shì)。研究表明,利用定向凝固技術(shù)可獲得具有平行于生長(zhǎng)方向的全片層組織TiAl基合金,其蠕變和疲勞強(qiáng)度顯著提高。電磁冷坩堝定向凝固技術(shù)解決了TiAl基合金定向凝固過(guò)程中熔體易受污染且尺寸較小的問(wèn)題,初步展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。但是,電磁冷坩堝定向凝固時(shí)熔體中存在復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象,將對(duì)定向凝固組織產(chǎn)生顯著的影響。本文系統(tǒng)研究了電磁冷坩堝定向凝固過(guò)程中傳熱、傳質(zhì)特性,揭示了電磁冷坩堝定向凝固時(shí)界面及成分調(diào)控機(jī)制,優(yōu)化了電磁冷坩堝定向凝固工藝。建立了電磁冷坩堝感應(yīng)加熱3-D模型,并通過(guò)磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)測(cè)量對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)不同工藝條件下冷坩堝內(nèi)物料中電磁場(chǎng)和感應(yīng)加熱時(shí)溫度場(chǎng)模擬計(jì)算,得到了物料內(nèi)電磁場(chǎng)分布規(guī)律及冷坩堝感應(yīng)加熱特性,優(yōu)化了冷坩堝感應(yīng)加熱效率。研究結(jié)果表明,當(dāng)物料在冷坩堝內(nèi)位置滿足關(guān)系式h_mh_1+h_2h_m+δ時(shí),物料中將被感應(yīng)出最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。此時(shí),可以用較短的時(shí)間將物料感應(yīng)熔化且物料中溫度較均勻。優(yōu)化工藝后,電磁冷坩堝感應(yīng)加熱效率提高。通過(guò)分析冷坩堝結(jié)構(gòu)及電源參數(shù)對(duì)熔池中電磁力的影響,定義了決定冷坩堝內(nèi)熔體流動(dòng)的4個(gè)無(wú)量綱參數(shù),即:電磁力與粘滯力比值的Ha數(shù),表示高頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)的磁雷諾數(shù)R_ω,表征線圈與熔體相對(duì)位置的線圈-熔體相對(duì)位置數(shù)h以及表征熔體形狀的參數(shù)H/L。建立了定向凝固用冷坩堝內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算3-D模型,并采用示蹤法對(duì)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn),電磁冷坩堝內(nèi)熔池中存在強(qiáng)烈的三維流動(dòng)。熔池縱截面上存在4個(gè)徑向環(huán)流且以軸線對(duì)稱,最大速度位于熔池表面集膚層內(nèi);在熔池橫截面上,由于冷坩堝結(jié)構(gòu)和高頻磁場(chǎng)的耦合作用將引起周向流動(dòng)。分析了無(wú)量綱參數(shù)對(duì)熔池內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律,結(jié)果表明:隨著Ha和H/L的增加,電磁耦合增強(qiáng),熔池內(nèi)流速和湍動(dòng)能逐漸增大。R_ω影響徑向環(huán)流分布及流速,R_ω越大環(huán)流越靠近熔池表面,且當(dāng)R_ω=50時(shí)熔體流速最大。h顯著改變徑向環(huán)流的相對(duì)大小,隨h增加,熔體流速減小而湍動(dòng)能增加。建立了冷坩堝內(nèi)電磁場(chǎng)、成形力場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的多物理場(chǎng)耦合模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及數(shù)值模擬獲得了多物理場(chǎng)耦合作用下熔池溫度場(chǎng)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,冷坩堝內(nèi)熔體溫度受到熔池形狀和內(nèi)部流動(dòng)的顯著影響。熔體溫度增量隨功率的變化符合S型曲線規(guī)律,當(dāng)功率在47.9 kW到55.1 kW范圍內(nèi)時(shí),熔體溫度隨功率增加的升溫速度較快,而熔池在坩堝內(nèi)高度為36 mm到38 mm范圍時(shí)溫度達(dá)到最大值。建立了冷坩堝定向凝固時(shí)液相區(qū)、糊狀區(qū)和固相區(qū)傳熱模型,得到了液相區(qū)與糊狀區(qū)以及糊狀區(qū)和固相區(qū)傳熱規(guī)律,揭示了冷坩堝定向凝固工藝對(duì)糊狀區(qū)溫度及凝固界面形狀的影響機(jī)制。通過(guò)分析液相區(qū)與糊狀區(qū)對(duì)流傳熱,推導(dǎo)出對(duì)流傳熱條件下糊狀區(qū)溫度分布關(guān)系式以及糊狀區(qū)軸-徑熱流密度比,結(jié)合熔池形狀解釋了其對(duì)凝固界面形狀的影響機(jī)理。通過(guò)分析定向凝固時(shí)糊狀區(qū)與固相區(qū)傳熱,得到糊狀區(qū)和固相區(qū)軸向溫度分布函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),冷坩堝定向凝固時(shí)凝固界面高度隨著對(duì)流傳熱、感應(yīng)熱和抽拉速度的增加而降低�；趥鳠岱治�,優(yōu)化電磁冷坩堝定向凝固TiAl基合金工藝后,獲得了平直的凝固界面�；诶溘釄鍍�(nèi)熔體流動(dòng)規(guī)律,進(jìn)一步對(duì)熔池中對(duì)流傳質(zhì)及成分分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明,較大的Ha,R_ω和H/L,以及較小的h參數(shù)有利于提高熔池中及凝固界面前沿成分均勻性。此外,電磁冷坩堝內(nèi)強(qiáng)烈的三維流動(dòng)顯著提高了其對(duì)熔體的攪拌效率。建立了電磁冷坩堝定向凝固平界面時(shí)溶質(zhì)邊界層內(nèi)對(duì)流傳質(zhì)模型,揭示了電磁攪拌對(duì)定向凝固鑄錠中溶質(zhì)分布影響機(jī)制。基于對(duì)流-擴(kuò)散參數(shù),推導(dǎo)出冷坩堝定向凝固時(shí)熔池中成分隨凝固距離變化的關(guān)系式;結(jié)合凝固界面前沿對(duì)流傳熱模型,得到了凝固界面前沿成分過(guò)冷度的表達(dá)式。分析可知,隨著凝固前沿熔體流動(dòng)速度的增加,熔池中溶質(zhì)濃度減小,凝固界面前沿成分過(guò)冷度減小。在不同條件下對(duì)TiAl基合金定進(jìn)行向凝固,得到了冷坩堝定向凝固TiAl合金熔池及鑄錠中成分分布及組織演化規(guī)律。結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)控冷坩堝工藝參數(shù)可以消除熔池內(nèi)及凝固界面前沿溶質(zhì)偏析,得到均勻的凝固組織。利用電磁冷坩堝進(jìn)行定向凝固時(shí),較小的冷坩堝橫截面尺寸以及功率,較大的抽拉速度,有利于提高鑄錠中成分的均勻性。優(yōu)化冷坩堝定向凝固工藝后,得到了柱狀晶尺寸較大且成分、組織均勻的TiAl基合金定向凝固鑄錠。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG244.3
【部分圖文】：

動(dòng)機(jī)和 PW1100G 發(fā)動(dòng)機(jī)如圖 1-1 所示。表 1-2 TiAl 合金葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[10]Table 1-2 Application of TiAl-based alloys blade in aero-enginesTiAl 基合金零件 加工工藝 應(yīng)用情況8Al1V0.1C 壓氣機(jī)葉片毛坯、低壓渦輪葉片鑄造 F100 發(fā)動(dòng)機(jī)，JT9D 發(fā)動(dòng)機(jī)i48Al2Cr2Nb 合金低壓渦輪葉片 鑄造CF6-80C2 型發(fā)動(dòng)機(jī)第 5 級(jí)；GEnx機(jī)第 6、7 級(jí)TiAl 合金壓氣機(jī)葉片 鍛造 F119 發(fā)動(dòng)機(jī)第 9 級(jí)TiAl 合金壓氣機(jī)葉片 鍛造 歐盟 ANTLE 和德國(guó) Engine3ETi46Al5Nb1W 合金壓氣機(jī)葉片 鍛造 AE3007 窩扇發(fā)動(dòng)機(jī)第 14 級(jí)TiAl 合金低壓渦輪葉片 鑄造 GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)第 5、6 級(jí)TNM 合金低壓渦輪葉片 鍛造 PW1100G 發(fā)動(dòng)機(jī)第 3 級(jí)(a)(b)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文溫下，TiAl 合金有四種典型的顯微組織，其中具有全片層組織的 T優(yōu)異的高溫?cái)嗔秧g性和蠕變抗力。同時(shí)，全片層 TiAl 合金的片層取性能產(chǎn)生重要影響。研究表明，利用定向凝固技術(shù)獲得具有平行于片層組織 TiAl 合金可有效提高蠕變和疲勞強(qiáng)度[16-18]。

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本文編號(hào)：2847477