Ti-5Al-2.5Sn合金ISM熔炼工艺参数优化设计

Ti-5Al-2.5Sn合金ISM熔炼工艺参数优化设计摘要:运用直接差分方法，建立了感应凝壳熔炼温度场计算模型，并在此基础上模拟计算了熔炼Ti-5Al-2.5Sn合金时坩埚内温度变化。提出了合理的功率进给方式。研究了炉料和熔炼功率对熔体最终温度和出液量的影响。优化了熔炼工艺参数，为实际熔炼提供了理论指导。关键词：Ti-5Al-2.5Sn合金；感应凝壳熔炼；工艺参数优化中图分类号：TG243；TG146.2+3文献标识码：A文章编号：1001-4381（2000）01-0013-04OptimumDesignofProcessingParametersduringISMProcessofTi-5Al-2.5SnAbstract：Basedonthedirectfinitedifferencemethod,anumericalmodelforsimulatingthetemperaturefieldsinthechargeduringInductionSkullMelting(ISM)processhasbeendeveloped.Byuseofthesimulationprogram,thechangesofthetemperaturefieldsinthechargeofTi-5Al-2.5Snhavebeencalculatedundervariousmeltingconditions.Anappropriatefeedingwayofthemeltingpowerhasbeenpresented.Theinfluencesofthechargeweightandmeltingpowerontheultimatetemperatureandweightfractionoftheliquidmelthavebeenstudied.Theprocessingparameterswhichareoptimizedwouldbetheroleoftheoreticalinstructiontothepracticalmeltingprocesses.Keywords：Ti-5Al-2.5Snalloy;ISM;optimizationofprocessingparameters感应凝壳熔炼(ISM)是一种新工艺，虽然熔炼一般钛合金时并不常使用，但它已成为熔炼高质量钛合金的一种最好方法［1，2］。1996年我们金属精密热加工重点实验室从德国引进了一台大型ISM熔炼设备。可参考的有关各种合金的ISM熔炼工艺的资料和数据甚少，如果仅靠试验来掌握各种合金的熔炼工艺，不但周期长、成本高，而且有时是危险的或不可能的。因此利用先进的计算机技术对ISM熔炼工艺参数进行优化设计，无疑是必要的和可行的。从温度场计算的角度入手，已经满意地对几种钛合金的熔炼工艺参数进行了优化［3～5］，本文利用所编制的模拟软件模拟计算了Ti-5Al-2.5Sn合金ISM熔炼过程，重点研究料重、熔炼功率、熔体温度以及出液量之间的定量关系，以便更好地指导熔炼实践。1数学模型1.1控制方程为了简化模型有以下两个假设条件：(1)炉料是致密的；(2)仅在坩埚半径方向存在功率梯度。由于坩埚中炉料呈轴对称分布，因此这里选取如图1所示的一个扇形区作为控制单元。根据能量守恒，可得到如下的差分方程：图1炉料中控制单元Fig.1Thecontrollingunitofcharge(1)(2)(3)式中：ρ,c,V,λ分别为控制单元密度(g.cm-3)，比热容(J.g-1.K-1)，体积(cm3)和热导率(W.cm-1.K-1)E为辐射热，JΔt为时间步长，sS为与相邻单元的接触面积，cm2L(i,j),h(i,j),ω(i,j)分别为单元i到j的距离(cm)、换热系数(W.cm-2.K-1)和热阻(W.K-1)Г为Stifen-Berlzman常数(5.67×10-12W.cm-2.K-4)ε为炉料的黑度Q为控制单元内产生的感应热，J1.2边界条件边界1位于炉轴对称线上，为绝热边界：q1=0(4)边界2为炉料上表面(小平面)到真空室内壁(大平面)的辐射边界：(5)(6)两式中：T为炉料上表面温度，KTf为真空室内壁温度，K边界3有两种状态。熔化前为辐射边界：(7)式中Tc为坩埚壁的温度(K)。熔化后由于凝壳与坩埚壁非紧密接触而变为辐射和热传导综合作用边界：(8)(9)(10)三式中hc和hr分别为热传导系数和热辐射系数，L(1，2)为边界单元到坩埚壁的距离(cm),ξ为凝壳与坩埚壁的接触系数。考虑到炉料与坩埚相互之间都有热辐射，因此黑度可处理成(11)式中ε1和ε2分别为炉料和坩埚的黑度。边界4与边界3一样。2功率进给方式的选择由于ISM熔炼过程中熔炼功率的进给是由操作人员人为地控制，因此采取什么样的方式进给功率，它们对熔体最终温度的影响有什么不同就是首先要解决的问题。以模拟熔化5kgTi-5Al-2.5Sn炉料为例来考察不同加热方式对熔体最终温度的影响。图2是三种不同的加热功率随时间的变化示意图。表1中是模拟计算后得到的结果，这里所说的完全熔化时间指坩埚中心轴线上炉料完全熔化(除四周的凝壳外)所需的时间，它反映炉料熔化的快慢程度。图2三种不同的功率进给方式Fig.2Variousfeedingwaysofthemeltingpower表1不同功率进给方式下的模拟结果Tab.1ThestimulatedresultsundervariousfeedingwaysofthemeltingpowerⅠⅡⅢ熔体最终温度/℃168716871687完全熔化时间/s150235325图1中三条曲线与横坐标时间的积分即是电源在所熔炼时间内提供给炉料的总能量，因此三种不同的功率进给方式的区别就在于它们提供给炉料的能量不同，很明显WⅠ＞WⅡ＞WⅢ。那么它们对熔体的最终温度有什么影响呢？从表1中的计算结果可以看出，三种功率进给方式下熔体的最终温度都是一样的，只是完全熔化时间有差别。可见，一味的高功率不会带来熔体最终温度的升高，只会使熔炼进程加快。另外，由于熔炼过程中有反应热放出，因此熔炼功率不能增加得太快，否则由于感应热和反应热的骤然积聚容易产生金属液的飞溅甚至造成“热爆”现象。所谓“热爆”是指由于升温太快而使局部区域蒸气压急剧上升大于外界压力而造成的爆炸现象。因此熔炼过程中，特别是当反应比较剧烈时应采取阶梯式缓慢加载的方式，这样做至少有两方面的好处，一方面可以让炉料中的水分以及粘附的有机物有充足的时间挥发掉；另一方面可以防止金属液的飞溅甚至“热爆”的产生，使熔炼过程平稳进行，另外也可使合金元素有足够的时间进行均匀化过程。综合以上两方面，采取第三种功率进给方式Ⅲ为最佳，而且在相同的熔炼时间内这种方式耗费的电能也是最少的。3炉料内温度场分布3.1关键点温度变化模拟计算中记录了炉料中几个关键点的温度变化。图3a和b分别是采取功率进给方式Ⅰ和方式Ⅲ时关键点温度变化曲线。关键点的位置见图3b。从图3中一方面可看出功率进给方式对关键点温度的影响，方式Ⅰ由于持续高功率，因此各关键点温度升高较快。另一方面还可看出炉料内温度推进情况，紧靠坩埚侧壁处温度升高最快，炉料最先熔化，然后逐渐向炉料中部推进。众所周知，感应加热过程中，由于感应电流的集肤效应，电流强度从圆柱的外壁向中心逐渐递减。各点电流强度的大小在一定程度上决定了此处温度的变化情况。具体来说，3点靠近铜坩埚侧壁，集肤效应使感应电流强度最大，因此升温最快，也最先熔化，但熔化后马上就凝固成凝壳，然后温度就一直保持在合金的固相线温度；2点的升温次之；中心轴线上的感应电流强度最低，因此轴线上的两点1、4温度升高较2、3点慢。由于4点靠近坩埚底部，此处电流强度最低且与强制水冷边界接触，因此其升温又是轴线上两点中最慢的，此处凝壳也是最厚的；1、2点到达固相线温度时，由于熔化潜热的吸收，各点熔化曲线变缓甚至出现恒温平台(方式Ⅰ升温过快，平台不明显，但在图3b中比较清楚)。图3进给方式Ⅰ(a)和Ⅲ(b)条件下关键点温度随熔炼时间的变化Fig.3Temperatureofthecriticalpoints(T)vsmeltingtimeunderfeedingwayⅠ(a)andⅢ(b)3.2温度场分布为了便于了解整个炉料的温度变化过程，采用功率进给方式Ⅲ计算了5kg炉料熔化过程中四个不同熔炼时刻(60s,180s,280s,600s)炉料内的温度分布，分别对应图4a、4b、4c和4d。从这些图中可看出，熔炼初期在炉料内沿炉料的半径方向上存在很陡的温度梯度，造成这种现象的原因是由于强烈的集肤效应使靠近坩埚侧壁的炉料温度快速升高，而炉料内部由于感应热较少且炉料内传热较慢(由于炉料未熔化)。而到熔炼后期，由于炉料已部分熔化或完全熔化且存在电磁搅拌作用，炉料内热量传递很快，因此炉料内外侧的温差降低，炉料从外侧向内侧熔化推进，当然并不是以平面推进，而是以弯月面推进。推进速度的大小无疑也取决于熔炼合金的导热系数的大小。在熔炼的后期，由于炉料最中心处的炉料已经熔化，整个熔池完全形成，由于强烈的电磁搅拌作用使熔体内温度分布均匀，只是在凝壳内存在陡峭的温度梯度(图4d)，此时熔体的温度达到1687℃。图4不同熔炼时刻炉料内温度场分布Fig.4Temperaturedistributionatdifferentmeltingmoment4炉料重量和熔炼功率对熔体最终温度的影响图5是不同重量的Ti-5Al-2.5Sn合金在进给不同熔炼功率后所得到的熔体的最终温度。很显然熔体的最终温度随着熔炼功率的升高而不断升高，而随着炉料重量的增大而降低。这是因为炉料重量的增大使炉料与坩埚接触面积增大，从而增大了整个散热面积，相应地循环水带走的热量占炉料吸收的整个感应热的比例增大使熔体的最终温度降低。图5熔炼功率和料重对熔体最终温度的影响Fig.5Influenceofthemeltingpowerandthechargeweightonthetemperatureofthemelt所选取的几个熔炼功率都能使3.5kg以下的炉料熔化，而150kW以下的功率不能使3.5kg以上的炉料完全熔化。从图5就可知道相应熔炼条件下炉料能否熔化以及熔化后熔体的过热度有多高。另外，熔炼过程中比较关心的另一个参数是某一熔炼条件下出液量(液态熔体重量GL与料重GO的比值)的大小。图6是对这一参数的模拟结果。同一料重的炉料随着功率的增大出液量增大，而熔炼功率相同时，出液量随料重的增加而增大。出液量的大小在一定程度上反应了熔炼所得合金成分与名义成分的偏差情况，因为造成这种偏差的一大原因就是合金元素在凝壳内的宏观偏析，因此出液量越小，说明凝壳占整过炉料重量的份量就越大，相应地造成的偏差就越大。鉴于此，在实际熔炼过程中，如果可能应尽量增大料重同时采取高功率进行熔炼。图6熔炼功率和料重对出液量的影响Fig.6Influenceofthemeltingpowerandchargeweightontheweightfractionoftheliquidmelt5结论(1)采用有限差分法建立了ISM熔炼温度场数学模型，并根据实际熔炼过程确定了边界条件；(2)一味的高功率不会带来熔体最终温度的升高，只会使熔炼进程加快。熔炼过程中，特别是当反应比较剧烈时应采取阶梯式缓慢加载的方式。(3)熔体的最终温度随着熔炼功率的升高而不断升高，随着炉料重量的增大而降低。同一料重的炉料随着功率的增大出液量增大，而熔炼功率相同时，出液量随料重的增加而增大。在实际熔炼中，如果可能应尽量增大料重同时采取高功率进行熔炼，这样既能得到高出液量，同时减小合金元素在凝壳内的偏析。基金项目：国防基金资助项目（970931-090）作者简介：郭景杰（1958-），男，哈尔滨工业大学材料科学与工程系教授，博士生导师，主要从事钛合金及其熔炼理论和高强高韧铝合金研究。联系地址：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院(邮编150001)参考文献［1］J.W.Sears.JOM,1990;42(