Ti-1023合金VAR熔煉數(shù)值模擬研究

趙小花，何永勝，羅文忠，賴運(yùn)金，王凱旋，劉向宏

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 陜西省航空材料工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018)

1 前 言

Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)鈦合金因具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透截面大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大型承力結(jié)構(gòu)部件[1]。但該合金制備的最大難點(diǎn)是由于添加的β共析元素Fe含量高，使其在常規(guī)的真空自耗電弧熔煉條件下極易形成Fe偏析，F(xiàn)e偏析區(qū)因β轉(zhuǎn)變溫度降低而形成一種不含α相或α相稀少的“β斑”，嚴(yán)重惡化鍛件的塑性和疲勞性能[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3,4]對(duì)Ti-1023合金成分偏析引起的“β斑”和對(duì)性能的影響進(jìn)行了廣泛的研究。但對(duì)于在真空自耗電弧熔煉過(guò)程中影響Fe偏析形成的關(guān)鍵因素，例如溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、濃度場(chǎng)和熔池形狀等研究鮮有報(bào)道。

由于真空自耗電弧熔煉(VAR)是一個(gè)非常復(fù)雜的多物理場(chǎng)相互作用的過(guò)程，若采用單一實(shí)驗(yàn)方法研究則成本高、周期長(zhǎng)、難度大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)數(shù)值方法求解可獲得熔煉過(guò)程定性和定量結(jié)果。Reitera等[5]采用Calcosoft-2D軟件對(duì)多場(chǎng)耦合下熔池溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。Kondrashov等[6]采用有限差分法對(duì)大型Vt-31鑄錠熔池深度與形貌演化進(jìn)行了模擬計(jì)算。楊治軍等[7]采用ANSYS軟件模擬了小尺寸Ti-1023合金鑄錠不同參數(shù)下的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。上述研究主要集中在熔煉參數(shù)對(duì)熱力學(xué)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響，而對(duì)合金主要元素的濃度場(chǎng)缺乏模擬研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)上述存在問(wèn)題，本文采用先進(jìn)的多場(chǎng)耦合重熔工藝仿真優(yōu)化軟件Melt Flow-VAR建立的有限元模型研究了Φ640 mm規(guī)格的Ti-1023合金鑄錠的真空自耗熔煉過(guò)程。探索了不同熔煉階段的熔池形狀和成分分布，結(jié)合實(shí)際熔煉鑄錠驗(yàn)證了相關(guān)模擬結(jié)果，以期為建立Ti-1023合金工業(yè)化大型鑄錠真空自耗熔煉模型并對(duì)實(shí)際生產(chǎn)制訂熔煉工藝提供參考。

2 模擬用數(shù)學(xué)物理模型

VAR過(guò)程相關(guān)的參數(shù)見(jiàn)表1。Ti-1023合金材料的物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 VAR熔煉過(guò)程參數(shù)

表2 Ti-1023合金的物性參數(shù)[8]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同熔煉階段溫度場(chǎng)和流場(chǎng)模擬結(jié)果

VAR熔煉是一個(gè)從熔煉初期非穩(wěn)態(tài)逐步到熔煉中期穩(wěn)態(tài)，再到末期非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，在不同熔煉階段其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)變化規(guī)律不同。圖1a為T(mén)i-1023合金在熔煉初期(t=0.3 h)時(shí)刻下的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。從圖中可以看出，等溫線在鑄錠底部較為密集，合金固相線(TS=1890 K)和液相線(Tl=1930 K)幾乎垂直于結(jié)晶器側(cè)壁，等溫線移動(dòng)速度與過(guò)程速度的夾角θ=0，即等溫線移動(dòng)速度與過(guò)程速度方向一致，因此在凝固初期形成扁平狀熔池形貌。流場(chǎng)的分析以矢量箭頭標(biāo)識(shí)，流速最大值出現(xiàn)在邊部位置，約為5 mm/s。熔體在熔池中沿軸線對(duì)稱流動(dòng)，由熔池表面向邊緣流動(dòng)，沿邊緣向熔池中心流動(dòng)，再沿熔池中心向上流動(dòng)，進(jìn)而在熔池右側(cè)形成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)單元。圖1b為T(mén)i-1023合金在熔煉中期(t=3.0 h)時(shí)刻下的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。t2時(shí)刻與t1時(shí)刻相比較，溫度場(chǎng)已發(fā)生顯著變化。t2時(shí)刻等溫線向合金錠中心推進(jìn)，等溫線移動(dòng)速度與過(guò)程速度的夾角θ約呈45°，熔池形貌也由起始的扁平狀變化為“V”形狀，介于液相線和固相線的糊狀區(qū)深度由0.02 m增加到0.20 m。而流場(chǎng)的變化趨勢(shì)與t1時(shí)刻基本一致，熔體在熔池中沿軸線對(duì)稱流動(dòng)，在熔池右側(cè)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)單元。圖1c為T(mén)i-1023合金在熔爐末期(t3=5.0 h)時(shí)刻下的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。等溫線進(jìn)一步向合金錠中心推進(jìn)，等溫線移動(dòng)速度與過(guò)程速度的夾角θ比t2時(shí)刻變大。進(jìn)入熔煉后期由于電流減小，液相區(qū)縱向長(zhǎng)度縮短，糊狀區(qū)橫向?qū)挾葴p小，熔體心部的形狀在中心軸線方向變得狹長(zhǎng)，熔池形貌由熔煉中期的“V”形變化為“深V”形。但是凝固前沿存在向下的液體流動(dòng)和沿著中心軸線存在向上的流動(dòng)特征沒(méi)有改變。

3.2 熔池深度模擬結(jié)果

真空自耗熔煉的工藝參數(shù)主要包括熔煉電流、電壓、攪拌磁場(chǎng)和冷卻水流量。這些參數(shù)在熔煉過(guò)程中影響金屬熔池的溫度梯度、熔化速度和水冷結(jié)晶器的冷卻能力，進(jìn)而影響金屬熔池的形狀和糊狀區(qū)尺寸，最終影響合金元素成分分布。結(jié)合Ti-1023合金的熱物性參數(shù)模擬了不同時(shí)刻下的熔池深度。圖2是在一定熔煉參數(shù)條件下的熔池深度變化曲線?？梢钥闯觯蹮挸跗?0～20 min)為熔池建立期，熔池深度增長(zhǎng)呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)方式，熔池形狀為扁平狀。在熔煉中期(20～220 min)，熔池深度呈現(xiàn)冪函數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律，熔池深度由0.20增加到0.50 m，熔池形狀從扁平狀演變?yōu)椤癠”形。在熔煉中后期(220～380 min)熔池深度增長(zhǎng)十分緩慢，熔池最大深度維持在0.55 m，表明此時(shí)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)熔煉階段。在熔煉末期(380 min～熔煉結(jié)束)，熔池深度遞減，熔池深度從最大的0.55 m逐漸減小到0.28 m。

圖1 Ti-1023合金VAR不同熔煉階段的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果：(a)t=0.3 h，(b)t=3.0 h，(c)t=5.0 hFig.1 Simulation results of flow and temperature fields in the ingot at different stage during VAR process for Ti-1023 alloy: (a)t=0.3 h，(b)t=3.0 h，(c)t=5.0 h

3.3 濃度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖3為經(jīng)過(guò)3次熔煉至Φ640 mm規(guī)格的Ti-1023合金熔煉結(jié)束并且已經(jīng)充分冷卻后Al，V和Fe元素成分的模擬結(jié)果。從圖可以看出，Al元素濃度在鑄錠邊部和底部位置為3.10%～3.13%，縱向心部為3.07%～3.10%，頭部為3.04%～3.07%。從分布規(guī)律來(lái)看，Al元素在邊部和底部高，心部和頭部低，呈典型的負(fù)偏析規(guī)律。Fe元素濃度在鑄錠邊部和底部位置為1.70%～1.72%，縱向心部為1.78%～1.85%，頭部為1.95%～2.20%。從分布規(guī)律來(lái)看，與Al元素剛好相反，F(xiàn)e元素呈現(xiàn)典型的正偏析規(guī)律，即在邊部和底部含量低，心部和頂部含量高。V元素略顯正偏析分布，但由于偏析系數(shù)接近于1，所以各位置成分極差值較小。

3.4 實(shí)際結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證Ti-1023合金VAR過(guò)程模擬的熔池深度和成分分布結(jié)果的可靠性，以模擬工藝真空自耗電弧熔煉制備了1爐Ti-1023鑄錠。鑄錠經(jīng)過(guò)3次熔煉至Φ640 mm規(guī)格，長(zhǎng)度為1800 mm。熔煉完成后用帶鋸在鑄錠中心縱向鋸切一個(gè)厚度為40 mm的試樣片，化學(xué)腐蝕后得到如圖4所示的縱向低倍組織。從圖中可以看出，整個(gè)縱剖面上分布了兩種典型的晶粒：位于鑄錠底部、邊部以及頭部的粗大柱狀晶和心部的等軸晶。以鑄錠頭部柱狀晶向等軸晶發(fā)生轉(zhuǎn)變的(CET)起始位置測(cè)量熔池最大深度為0.30 m。而以此時(shí)液相體積分?jǐn)?shù)為0.9模擬計(jì)算的熔池深度為0.28 m?？梢?jiàn)模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，說(shuō)明該計(jì)算模型能夠正確反映Ti-1023合金凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分布規(guī)律。

圖5為采用與Melt-Flow模擬過(guò)程相同工藝熔煉的Ti-1023合金鑄錠中心軸線不同位置處Fe和Al成分實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果的對(duì)比圖。由圖可知，F(xiàn)e成分實(shí)測(cè)值沿著鑄錠中心軸線方向從頭到尾逐漸降低。在鑄錠頭部、尾部Fe的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值吻合度好。但在鑄錠中上部與實(shí)測(cè)值存在一定的差異，表現(xiàn)為Fe成分的實(shí)測(cè)結(jié)果高于模擬值。Al成分的模擬值沿著鑄錠軸線方向變化不大，與Fe具有相似的規(guī)律，即模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值在頭和尾部接近，在中間位置高于實(shí)測(cè)值。

圖4 大規(guī)格Ti-1023合金鑄錠縱向宏觀組織Fig.4 Longitudinal solidification macrostructure of the large-scale Ti-1023 alloy ingot

圖5 Ti-1023合金中心軸線不同位置處Fe和Al元素成分模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比：(a)Fe element; (b) Al elementFig.5 Comparison of elements contents at different positions along central axis between numerical simulations and experimental data for Ti-1023 alloy ingot: (a) Fe element; (b) Al element

4 分析與討論

由上述結(jié)果可知，VAR熔煉Ti-1023合金的Fe和Al元素成分的模擬結(jié)果在鑄錠頭部和底部與實(shí)測(cè)吻合良好，差異主要出現(xiàn)在鑄錠中心線與模擬值存在較大偏差。從資料和文獻(xiàn)得知[9,10]，Melt-Flow是基于液相建立的質(zhì)量、動(dòng)量、能量和溶質(zhì)方程，沒(méi)有考慮固相動(dòng)量守恒方程。而由宏觀偏析方程式(下式(1)，右側(cè)方括號(hào)中第三項(xiàng)·υS表示固液相相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的宏觀偏析)[11]可知，在凝固過(guò)程中，由于對(duì)流的作用，游離的自由等軸晶固相顆粒在熔體中進(jìn)行漂浮和沉降的宏觀運(yùn)動(dòng)，對(duì)宏觀偏析和凝固組織的形成具有重要影響。

(1)

Combeau及其合作者[12]比較65 t鋼錠中心線上的碳成分偏析的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值，也發(fā)現(xiàn)與本文相同的規(guī)律，即在鋼錠底部和頂部區(qū)域，模擬與實(shí)測(cè)吻合較好，但中部區(qū)域模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果差異非常大。他們分析指出導(dǎo)致差異的主要原因是在計(jì)算模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮等軸晶區(qū)的形成以及等軸晶的沉降。在本文中，由圖4的縱剖腐蝕低倍組織可以看出，在其鑄錠心部形成了等軸晶區(qū)，可推斷在凝固過(guò)程中發(fā)生了大量等軸晶的漂浮和沉降。而由于Melt-Flow軟件模型中并沒(méi)有考慮凝固過(guò)程中等軸晶運(yùn)動(dòng)，所以才導(dǎo)致中心中部模擬與實(shí)測(cè)的偏差。近年來(lái)采用加入固體動(dòng)量因素的兩相模型[13]的模擬研究獲得了更好的預(yù)測(cè)結(jié)果，這在一定程度上也證實(shí)了本文模擬結(jié)果出現(xiàn)一定偏差是由于上述原因?qū)е隆９I(yè)化鑄錠的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)尚有差距，考慮等軸晶移動(dòng)是大型鑄錠宏觀偏析模擬研究的一個(gè)重要發(fā)展方向，但如何合理考慮工業(yè)化鑄錠中等軸晶的形成以及分布規(guī)律顯得尤為重要。

5 結(jié) 論

(1) 采用VAR模擬軟件Melt-Flow對(duì)Ti-1023合金VAR過(guò)程不同階段下溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬，熔池形狀按初期的扁平狀→中期的V形→后期的深V形變化，模擬的熔煉后期的熔池深度為0.28 m，該數(shù)值與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

(2) Fe和Al元素成分模擬結(jié)果在鑄錠中心線頭部和底部位置與實(shí)測(cè)值吻合良好，但在中間部分與實(shí)測(cè)值存在較大偏差。

(3) Melt Flow-VAR是基于液相建立的質(zhì)量、動(dòng)量、能量和溶質(zhì)方程，沒(méi)有考慮等軸晶區(qū)的形成以及等軸晶的沉降是形成中上部成分模擬與實(shí)驗(yàn)值差異的主要原因。

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