工藝參數(shù)對(duì)Be-Ti合金鑄件的影響

劉賢 宋虎

摘? 要：文章采用吸鑄法進(jìn)行了Be-Ti合金電極材料的制備。數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)于直徑為6mm的鑄件，吸鑄充型時(shí)間約為0.77s，凝固時(shí)間約為0.92s，并且進(jìn)一步獲得低速吸鑄可以消除鑄件中的縮孔缺陷;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，300A的電流以及鑄件理論質(zhì)量+2g的配料有助于鑄件的成型，且成功獲得了高質(zhì)量鑄件;除此之外，鑄件中發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的縮孔缺陷，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，為后續(xù)制備打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Be-Ti合金;Be12Ti;吸鑄;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG24? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）26-0100-03

Abstract： We have prepared Be-Ti alloy electrode material by suction casting method in this paper. The numerical simulation results show that the filling time is about 0.77 sec and that the solidification time is about 0.92 sec. The experimental results show that the current of 300A is beneficial to the forming of castings and that superfluous theoretical mass of +2g of ingredients contributes to moulding. In addition， shrinkage defects were found in the castings， which coincided with the results of numerical simulation and laid a foundation for subsequent preparation.

Keywords： Be-Ti alloys; Be12Ti; suction casting; numerical simulation

引言

聚變堆是解決人類清潔能源的最有效途徑，其具有成本低，無放射性廢物，干凈清潔，并且屬于可再生資源，取之不盡，用之不竭。在聚變堆氚增殖包層中，中子倍增劑是其重要組成部分，主要采用金屬鈹及其合金作為中子倍增材料，以確保氚的增值率大于1。Be小球（直徑1mm）在ITER中作為中子倍增劑得到了廣泛應(yīng)用，但是由于DEMO和CFETR實(shí)驗(yàn)堆需要更高的溫度，使得Be在此條件下會(huì)引起一些不良反應(yīng)，包括與水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，高溫氧化，等等。

Be12Ti由于其中間化合物中Be的原子占比高達(dá)93%，具有非常高的中子倍增能力。和金屬Be相比，其熔點(diǎn)高約300°，高溫抗氧化能力也更好，除此之外，高溫?cái)嗔褟?qiáng)度更高，與316LN鋼及F82H鋼相容性更好[1-3]。另外，Be12Ti能有效地提高氚的增殖率及釋放速率[4]，并且與水蒸氣反應(yīng)相對(duì)較小，輻照條件下因氘的殘留形成的缺陷更少[5]。

反應(yīng)堆包套中使用的是直徑為1mm的小球狀中子倍增劑[6]。采用旋轉(zhuǎn)電極霧化法[7-9]能成功制備出小球，包括電極棒的制備和熔化電極棒通過霧化來獲得小球兩個(gè)步驟，而其中關(guān)鍵在于高性能電極棒的制備。本文采用的吸鑄法制備電極棒有望成為一種新的制備電極棒的手段。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

Be-Ti合金原材料分別為99.5%純鈹和99.9%純鈦，在GDJ500C型電弧熔煉爐進(jìn)行合金的制備。首先對(duì)吸鑄過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到包括溫度及吸鑄速度對(duì)鑄件成型的影響。然后根據(jù)獲得的結(jié)果，將塊狀的原材料放入坩堝中進(jìn)行電弧熔化，熔化完保溫30s后停止加熱，待合金凝固后，翻轉(zhuǎn)母材并再次加熱，反復(fù)幾次。最后對(duì)已經(jīng)混合均勻的母材再次熔化并進(jìn)行底漏式吸鑄，使金屬液快速填充水冷銅模，圓柱形模具軸向長(zhǎng)度為55mm，待金屬液凝固后，取出鑄件。

2 鑄件成型的數(shù)值模擬

2.1 液體在鑄件中的流動(dòng)

吸鑄過程液體充型速度很快，通過計(jì)算得到充型速度150cm/s，根據(jù)相圖，合金的液相線溫度1550°，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取金屬液溫度1650°進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模具選取直徑為6mm的圓柱棒。金屬液的流動(dòng)速度越來越慢，由于鑄件尺寸較長(zhǎng)，可以看到在充型過程中，當(dāng)金屬液流到超過模具2/3處出現(xiàn)紊流。金屬液與模具接觸有液體噴濺，之后未凝固的金屬液會(huì)沿著型壁往上流動(dòng)，繼續(xù)填充型腔，直到充型完成，總共充型時(shí)間大約為0.77s。

2.2 充型過程中金屬液溫度分布

當(dāng)金屬液剛接觸型壁的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生激冷，之后由于高溫金屬液的沖擊，使得已經(jīng)凝固的金屬液被再次熔化。隨著充型的繼續(xù)，冷的金屬液會(huì)向上流動(dòng)，造成上面金屬的溫度低，下面金屬溶液溫度高。

2.3 鑄件凝固過程中鑄件固液分布及溫度變化情況

充型完成后，靠近模具處金屬液已經(jīng)形成一層凝殼，之后金屬液從型壁往鑄件中心凝固。凝固初期，鑄件底部出現(xiàn)液相率較高的區(qū)域，當(dāng)凝固后期的時(shí)候，中心溫度形成倒梯度，這非常不利于金屬液的補(bǔ)縮。鑄件快凝固完全之前，底部出現(xiàn)了一個(gè)完全封閉的區(qū)域，最終鑄件完全凝固時(shí)間為0.95s。充型+凝固總共僅需要大約1.72s。

2.4 鑄件縮松縮孔的分析

由于液態(tài)金屬的收縮，開始凝固時(shí)鑄件頂部就已經(jīng)形成了縮松，隨著凝固的繼續(xù)，液態(tài)金屬在中心處始終貫穿整個(gè)鑄件，軸向上只有底部少許完全凝固，之后就在中心處形成貫穿的縮孔。因?yàn)殍T件中間部分幾乎是同時(shí)凝固的，鑄件頂端的金屬液沒有補(bǔ)縮通道繼續(xù)補(bǔ)縮下面的縮孔，最后造成鑄件形成中心縮孔。

2.5 充型速度對(duì)縮松縮孔的影響

根據(jù)常規(guī)鑄造工藝參數(shù)的模擬結(jié)果，可以看到，鑄件中心出現(xiàn)較長(zhǎng)的縮孔。通過分析，縮孔的產(chǎn)生主要是因?yàn)殍T件凝固過程中形成了倒梯度，而形成倒梯度主要原因是澆注溫度過高和充型速度過快造成的。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，主要能控制充型溫度以及充型速度，此次實(shí)驗(yàn)采用與前面相同的模具以及冷卻速度，澆注溫度設(shè)為1650°，充型速度150cm/s、100cm/s和50cm/s。從圖中可以看出，當(dāng)充型速度為100cm/s時(shí)，出現(xiàn)了較小的縮孔區(qū)域，說明降低澆充型速度有助于消除縮孔，而進(jìn)一步采用50cm/s的充型速度，可以看到縮松完全消除。

對(duì)澆注溫度1650°，澆注速度為50m/s的鑄件鑄造過程進(jìn)行分析，在充型及凝固過程中，鑄件從上往下形成了正的溫度梯度，沒有形成封閉的金屬液區(qū)域，實(shí)現(xiàn)鑄件從下往上的凝固，消除縮孔缺陷。澆注速度低，金屬液對(duì)型壁的沖擊小，使得接觸金屬的低溫金屬液不至于游離到鑄件上部分而造成倒梯度的產(chǎn)生。

2.6 澆注溫度對(duì)對(duì)縮松縮孔的影響

本實(shí)驗(yàn)采用澆注速度為150cm/s，澆注溫度分別為1650°，1550°，發(fā)現(xiàn)澆注溫度不是引起中心縮孔的主要原因。因?yàn)樵斐煽s孔的主要原因是因?yàn)殍T件澆注過程中形成了軸向上的倒梯度，而在凝固過程中并沒有形成重力補(bǔ)縮通道。

3 工藝參數(shù)對(duì)鑄件成型的影響

3.1 金屬過熱度對(duì)鑄件成形的影響

根據(jù)鑄件形成理論，在滿足充型的情況下，澆注時(shí)金屬液溫度越低，鑄件缺陷越少。本實(shí)驗(yàn)采用Ф4×55mm圓柱形模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過控制吸鑄時(shí)電極的熔煉電流來控制吸鑄時(shí)熔液的溫度。分別采用電極電流200A，300A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)吸鑄時(shí)坩堝內(nèi)情況的觀察，當(dāng)電流為200A時(shí)，金屬液出現(xiàn)部分充型;只有電流為300A時(shí)，實(shí)現(xiàn)鑄件的一次性充型。從鑄件質(zhì)量可以看出，電極電流為200A時(shí)，鑄件充型不完整，而電極電流為300A時(shí)，鑄件成形非常好，并且表面光滑，如圖4所示。

3.2 合金熔煉量對(duì)鑄件成形的影響

本實(shí)驗(yàn)采用模具尺寸Ф6×55，冒口Ф8×10規(guī)格，通過理論計(jì)算填滿型腔需要合金4.439g。選用合金總量分別為5g，7g，9g進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，從鑄件質(zhì)量可以發(fā)現(xiàn)，熔煉量為5g時(shí)，鑄件充型不足;熔煉量為7g，鑄件成形完整;熔煉量為9g，沒有實(shí)現(xiàn)鑄件充型。

加入量的增加，金屬熔化后在坩堝里的熔池高度也相應(yīng)的增加，當(dāng)熔煉量過大的時(shí)候，底部金屬溫度相對(duì)較低，吸鑄時(shí)造成在吸鑄口凝固，堵塞吸鑄口，無法充型;熔煉量過小時(shí)，第一股金屬液無法填充滿模具，造成已經(jīng)凝固的金屬堵塞模具進(jìn)氣口，剩余液體無法充型;而熔煉量為7g的時(shí)候，第一股金屬液足以充滿模具，形成完整的鑄件。

3.3 鑄件缺陷

采用水冷銅模，鑄型的激冷能力很大，有助于消除鑄件縮孔，但是從對(duì)吸鑄件進(jìn)行橫截面的切割，發(fā)現(xiàn)鑄件中心出現(xiàn)了較大尺寸的中心縮孔，如圖6所示。根據(jù)縮孔的形成原因，縮孔集中在最后凝固的部位，沒有得到金屬液的補(bǔ)縮。通過數(shù)值模擬，我們可以得到縮孔是由于吸鑄溫度和吸鑄速度引起，所以通過進(jìn)一步結(jié)合模擬的工藝參數(shù)，能夠消除鑄件中的缺陷。

4 結(jié)論

通過對(duì)工藝參數(shù)的控制，成功制備Be-Ti電極棒材料。對(duì)吸鑄過程進(jìn)行數(shù)值模擬得到了鑄件成型過程中的金屬溶液在模具中的溫度和流動(dòng)速度的分布，發(fā)現(xiàn)鑄件中有可能存在倒的溫度梯度，其結(jié)果是造成鑄件中縮孔缺陷的主要原因。進(jìn)一步進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明鑄件中確實(shí)存在相應(yīng)的缺陷。并且通過對(duì)電流和吸鑄速度的控制，成功獲得了完整的鑄件。

參考文獻(xiàn)：

[1]Christopher K. Dorna， Warren J. Hawsb， Edgar E. Vidalb. A review of physical and mechanical properties of titanium beryllides with specific modern application of TiBe12[J]. Fusion Engineering and Design， 2009，84（2-6）：319-322.

[2]H. Kawamura， H. Takahashi， N. Yoshida，et al. Application of beryllium intermetallic compounds to neutron multiplier of fusion blanket[J]. Fusion Engineering and Design，2002，61-62：391-397.

[3]H. Kawamura， H. Takahashi， N. Yoshida，et al. Present status of beryllide R&D as neutron multiplier[J]. Journal of Nuclear Materials， 2004，112-118：329-333.

[4]程杰，巫英偉，秋穗正，等.超臨界水冷固態(tài)實(shí)驗(yàn)包層中子學(xué)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2015，49（11）：1967-1971.

[5]許德美，秦高梧，李峰，等.國(guó)內(nèi)外鈹及含鈹材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2014，24（5）：1212-1219.

[6]P. Kurinskiy， A. Moeslang， M. Klimiankou，et al. Manufacturing methods and characterisation of titanium beryllides[J]. Fusion Engineering and Design， 2007，82（15-24）：2353-2358.

[7]M. NAKAMICHI* and J. H. KIM. Development of advanced neutron multiplers for DEMO blankets[J]. Fusion Science and Technology， 2014，66（1）：157-162.

[8]Masaru Nakamichi， Jae-Hwan Kim， Kazuo Yonehara. Novel granulation process of beryllide as advanced neutron multipliers[J]. Fusion Engineering and Design， 2013，88（6-8）：611-315.

[9]Masaru Nakamichi， Jae-Hwan Kim. Fabrication of beryllide pebble as advanced neutron multiplier.? Fusion Engineering and Design， 2014，89（7-8）：1304-1308.