鈦合金冷坩堝電磁定向凝固傳輸過(guò)程耦合模型與數(shù)值計(jì)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(dòng)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(dòng)機(jī)葉片的重要材料，但將其液態(tài)成形的難點(diǎn)來(lái)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(shí)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(jià)值。
　　研究冷坩堝電磁定向凝

2、固成形過(guò)程中的耦合傳輸現(xiàn)象對(duì)于揭示在復(fù)雜外場(chǎng)作用下合金凝固的傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)等行為，理論指導(dǎo)該項(xiàng)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(guò)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(chǎng)與合金凝固傳輸現(xiàn)象多場(chǎng)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(chǎng)與凝固耦合傳輸之間的影響進(jìn)一步簡(jiǎn)化為電磁場(chǎng)單向影響凝固耦合傳輸過(guò)程，為冷坩堝電磁場(chǎng)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(chǎng)與凝固耦合傳輸模型數(shù)值耦合的計(jì)算技術(shù)等問(wèn)題；包括利用ANSYS計(jì)算電磁場(chǎng)、ANSYS電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的FEM→FDM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、正弦電磁場(chǎng)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(lèi)葉片鑄件為對(duì)象，模擬研究了不同電磁場(chǎng)下的凝固耦合傳輸過(guò)程，以檢驗(yàn)所采用的數(shù)學(xué)模型、數(shù)值計(jì)算方法和耦合技術(shù)的可行性；對(duì)靜磁場(chǎng)下的模擬結(jié)果表明，靜磁場(chǎng)可以有效抑制純液相區(qū)中的流動(dòng)，

4、但不能有效抑制凝固區(qū)中的補(bǔ)縮流動(dòng)；對(duì)正弦諧波磁場(chǎng)下定向凝固傳輸行為的模擬結(jié)果表明，交變磁場(chǎng)的電磁攪拌效果與磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度與冷坩堝幾何參數(shù)的關(guān)系，對(duì)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(guò)程中高度一定的駝峰在坩堝中隨位置變化時(shí)，其形狀變化與所需勵(lì)磁電流強(qiáng)度的數(shù)值計(jì)算式

5、，結(jié)合數(shù)值計(jì)算，分析了冷坩堝電磁特性曲線對(duì)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(wú)接觸電磁約束區(qū)熔成形熔體靜壓力與電磁壓力平衡時(shí)所需最佳電源勵(lì)磁電流的數(shù)值計(jì)算式。數(shù)值計(jì)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(chǎng)、流場(chǎng)和相對(duì)壓力場(chǎng)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