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钛铝基合金方形冷坩埚定向凝固工艺研究

作　者: 汪明月
导　师: 傅恒志；丁宏升
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 方形冷坩埚定向凝固数值模拟组织分析
分类号: TG111.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文设计、加工了方形冷坩埚,在坩埚的尺寸、开缝和冷却水循环设计等方面都有所创新。对方形冷坩埚内的磁场进行了实验研究和模拟计算,并用方形冷坩埚实现了钛铝基合金方坯定向凝固成形。用小线圈法测定了空载条件下的坩埚内磁感应强度分布,分别对周向和纵向磁感应强度在不同功率和不同线圈匝数条件下的分布进行了研究。结果表明,在线圈包围区域内磁感应强度很强,最大值出现在线圈中部。在此区域以外,磁感应强度急剧减小。在整个线圈包围区域内磁场分布基本均匀,磁感应强度随着功率的增加而增加,随线圈匝数的增加分布更加均匀。在有载条件下,对方形冷坩埚内磁场分布进行了模拟计算,对有载和空载进行了对比,并研究了电源频率、电流体密度、线圈匝数、底料位置对磁感应强度分布的影响。计算表明,有载时电磁场的分布发生了很大变化,与空载时相比,有载的时候电磁场基本都聚集在料棒的端部和表面,研究工艺参数对磁场分布的影响能给予实验有效的指导。对钛铝基合金方坯冷坩埚定向凝固成形进行实验研究,在选择合适的实验工艺的条件下成形了表面质量和定向组织都很优异的方锭,并且研究了各个工艺参数尤其是抽拉速度和熔体热历史对凝固界面的影响,分析了界面前沿的温度梯度,总结了要获得平直、细化柱状晶的条件。最后对所成形试样进行了拉伸性能测试并结合定向凝固理论对组织和凝固界面进行了分析。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-27
  1.1 课题研究背景及意义  9-14
  1.2 定向凝固理论及技术概述  14-20
    1.2.1 炉外结晶法或发热铸型法（EP 法）  15-16
    1.2.2 炉内结晶法或功率降低法（PD 法）  16
    1.2.3 快速凝固法(HRS 法)  16
    1.2.4 液态金属冷却法(LMC 法)  16-17
    1.2.5 流态床冷却法(FBQ 法)  17
    1.2.6 区域重熔液态冷却法（ZMLMC 法）  17-18
    1.2.7 深过冷定向凝固法  18
    1.2.8 电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS)  18-19
    1.2.9 激光超高温度梯度快速定向凝固(LRM)  19-20
  1.3 冷坩埚技术现状及分析  20-26
    1.3.1 冷坩埚感应熔炼  20-21
    1.3.2 冷坩埚电磁定向凝固技术  21-23
    1.3.3 各种参数对坩埚内磁场的影响  23-26
  1.4 本文主要研究内容  26-27
第2章实验方法及材料  27-34
  2.1 研究方案与技术路线  27
  2.2 设计、加工方形冷坩埚和感应线圈  27-28
  2.3 电磁冷坩埚定向凝固设备  28-32
    2.3.1 设备概况  28-30
    2.3.2 设备主体系统  30-31
    2.3.3 设备辅助系统  31-32
  2.4 实验用材料及实验方法  32-34
    2.4.1 合金材料的选择和熔配  32
    2.4.2 结晶冷却用液态金属  32-33
    2.4.3 分析与测试方法  33-34
第3章方形冷坩埚设计及其磁感应强度变化规律  34-45
  3.1 前言  34
  3.2 方形冷坩埚及感应线圈的设计与加工  34-38
    3.2.1 方形冷坩埚设计  34-37
    3.2.2 感应线圈的设计  37-38
  3.3 坩埚冷却水循环系统的设计  38-39
  3.4 空载时方形冷坩埚内磁感应强度分布规律  39-44
    3.4.1 电磁场的测量原理  39-40
    3.4.2 电磁场的测量方法  40-41
    3.4.3 坩埚内磁场分布规律  41-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章方形水冷铜坩埚电磁场数值模拟  45-58
  4.1 前言  45
  4.2 方形冷坩埚连续熔铸与定向凝固过程电磁场数值计算  45-56
    4.2.1 电磁场计算的数学模型  46-48
    4.2.2 计算区域二维实体建模及有限元划分  48-50
    4.2.3 方形冷坩埚电磁场计算结果及分析  50-56
  4.3 本章小结  56-58
第5章钛铝基合金方形冷坩埚连续熔铸与定向凝固  58-72
  5.1 前言  58
  5.2 方形冷坩埚连续熔铸过程中的现象分析  58-60
    5.2.1 液体飞溅  58
    5.2.2 试样粘连  58-59
    5.2.3 熔体堆积  59
    5.2.4 表面波纹  59-60
  5.3 定向凝固过程界面及组织变化规律及分析  60-65
    5.3.1 结晶速率对平界面及组织影响评价  61-63
    5.3.2 过热度对凝固平界面稳定性的影响  63-64
    5.3.3 界面前沿液相中的温度梯度  64-65
  5.4 方形冷坩埚连续熔铸过程获得柱状晶的条件  65-67
  5.5 拉伸性能测试与分析  67
  5.6 定向凝固试样微观组织分析  67-70
  5.7 本章小结  70-72
结论  72-73
参考文献  73-77
致谢  77

钛铝基合金方形冷坩埚定向凝固工艺研究

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