摘要：采用真空電弧重熔過(guò)程模型軟件(BMPS-VAR)通過(guò)數(shù)值模擬研究了φ760 mm TC11鈦合金鑄錠真空自耗熔煉過(guò)程中不同階段的熔池形狀、溫度場(chǎng)及元素成分分布,并采用與熔煉模擬相同的工藝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,實(shí)測(cè)鑄錠縮孔深度為112 mm,與模擬結(jié)果基本一致。VAR過(guò)程的數(shù)值模擬為建立TC11鈦合金真空自耗熔煉模型及解決冶煉實(shí)際問(wèn)題提供了有效的結(jié)果預(yù)測(cè)和技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：TC11鈦合金;真空自耗熔煉;數(shù)值模擬;熔池形狀;元素分布

　　TC11鈦合金(名義化學(xué)成分Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)是一種綜合性能良好的α-β型鈦合金材料[1],在500℃下具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能,且具有較高的室溫強(qiáng)度、良好的熱加工工藝性,廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的零部件[2],如葉片、軸類、鼓筒等。優(yōu)質(zhì)航空鈦合金鑄錠的工業(yè)化生產(chǎn)以真空自耗電弧熔煉(VAR)為主,但由于熔煉及凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)分布不均,鑄錠易產(chǎn)生元素成分、組織不均勻等缺陷問(wèn)題[3]。TC11鈦合金元素偏析可能導(dǎo)致鍛棒低倍白亮塊等缺陷[4],從而影響鍛件性能。獲得成分準(zhǔn)確、低偏析度、組織均勻的鑄錠需要合適的熔煉工藝來(lái)保證[5]。工業(yè)級(jí)真空自耗熔煉是電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)相互作用的過(guò)程,熔煉過(guò)程中熔池的形狀、深度及溫度場(chǎng)、元素成分分布等是影響鑄錠質(zhì)量的關(guān)鍵因素。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中熔煉的可視化程度低,無(wú)法預(yù)判,若采用傳統(tǒng)的試錯(cuò)法進(jìn)行研究則存在生產(chǎn)成本高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

　　采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)真空自耗電弧熔煉過(guò)程進(jìn)行建模與模擬,可以對(duì)熔煉過(guò)程直觀地進(jìn)行觀察,有效預(yù)測(cè)工藝參數(shù)對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響,極大地減少試驗(yàn)次數(shù),縮短研發(fā)周期,降低研發(fā)成本,為實(shí)際生產(chǎn)提供重要的指導(dǎo)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用數(shù)值模擬方法研究VAR工藝過(guò)程的溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)對(duì)鑄錠的影響[6-7]。楊治軍等[8]采用數(shù)值模擬研究Ti-1023合金鑄錠在不同參數(shù)下的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。KARIMI-SIBAKI等[9]模擬了真空自耗過(guò)程中電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布及熔池形狀的演變。而TC11鈦合金熔煉過(guò)程中溫度場(chǎng)、元素的濃度場(chǎng)分布的模擬研究及試驗(yàn)驗(yàn)證鮮有報(bào)道。

　　針對(duì)上述問(wèn)題,本文利用寶鋼中央研究院自主開(kāi)發(fā)的特種熔煉專用模擬軟件(BMPS-VAR及BMPS-ESR)[10],研究了φ760 mm規(guī)格的TC11鈦合金鑄錠的真空自耗電弧熔煉過(guò)程,探索不同熔煉階段、熔池形狀和元素成分分布,并結(jié)合實(shí)際熔煉鑄錠驗(yàn)證了相關(guān)模擬結(jié)果的可靠性,為實(shí)際生產(chǎn)真空自耗熔煉TC11鈦合金工業(yè)化大型鑄錠、制定熔煉工藝提供參考。

　　1、模擬用數(shù)學(xué)物理模型

　　計(jì)算采用的TC11鈦合金材料的基本物性參數(shù)見(jiàn)表1,主要元素的凝固平衡分配系數(shù)見(jiàn)表2,VAR過(guò)程相關(guān)的參數(shù)見(jiàn)表3。在模擬過(guò)程中采用的熔煉電流隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)參數(shù)曲線如圖1所示,該曲線專為本次試驗(yàn)而制定,非工業(yè)生產(chǎn)用參數(shù)。在VAR熔煉過(guò)程中熔煉電流的大小會(huì)造成熔池內(nèi)的流動(dòng)發(fā)生變化,并對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響[11-12]。

　　圖1熔煉模擬電流隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)參數(shù)曲線

　　Fig.1 Dynamic parameter curve of current with VAR time in numerical simulation

　　表1 TC11鈦合金物性參數(shù)

　　Table 1 Physical properties of TC11 titanium alloy

　　表2主要元素凝固平衡分配系數(shù)K

　　Table 2 Partition coefficient k of main elements

　　表3 VAR熔煉過(guò)程參數(shù)

　　Table 3 VAR process parameters

　　2、模擬結(jié)果分析

　　2.1不同熔煉階段溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

　　圖2為TC11鈦合金在VAR過(guò)程不同階段的溫度場(chǎng)分布變化圖。圖2(a)為t=80 min的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果,此時(shí)熔化的金屬較少,坩堝底部的熔體發(fā)生凝固,溫度降低。當(dāng)熔煉進(jìn)行到160 min時(shí)(圖2(b)),鑄錠高度增加,熔池頂部高溫區(qū)溫度可達(dá)2 000℃,在冷卻水的作用下坩堝底部溫度逐漸降低,與t=80 min時(shí)刻相比,此時(shí)溫度場(chǎng)已發(fā)生較為明顯的變化。由于熔池中部遠(yuǎn)離結(jié)晶器壁,熱量積累最為明顯,故在同一橫截面內(nèi),中心溫度高于邊緣。之后的熔煉過(guò)程中,液相金屬與結(jié)晶器壁的接觸面積逐步增大,熱量通過(guò)冷卻水帶走。圖2(c)顯示,t=320 min時(shí),大量熱量通過(guò)坩堝壁散失,凝固過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),鑄錠溫度降低。t=490 min時(shí)(圖2(d)),真空自耗熔煉結(jié)束,鑄錠進(jìn)入真空冷卻階段,鑄錠溫度逐步降低。

　　圖2 TC11鈦合金VAR不同階段的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

　　Fig.2 Simulation results of temperature fields in the ingot at different stages during VAR process

　　2.2、熔池形狀模擬結(jié)果

　　圖3顯示TC11鈦合金VAR過(guò)程中液相體積分?jǐn)?shù)分布的計(jì)算結(jié)果,紅色區(qū)域表示液相區(qū),藍(lán)色為凝固區(qū),其中,液相區(qū)的形狀反映了VAR過(guò)程中的熔池形狀,結(jié)合圖2分析可知,熔池形貌隨溫度場(chǎng)變化,呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。圖3(a)(t=80 min)為熔池建立期,形成“碗”狀的淺熔池。在熔煉時(shí)間為160 min時(shí)(圖3(b)),此時(shí)通過(guò)坩堝散發(fā)的熱量仍小于金屬液體凝固時(shí)釋放的熱量,熱量的積累使得熔池深度增加到800 mm,熔池呈“U”形。由于熔池中部熱量積累最為明顯,故在中心軸線方向的深度增加最快,熔池形狀由“U”形逐漸變成“V”形,如圖3(c)所示(t=240 min),熔池最大深度約為1 000 mm。t=320 min時(shí)鑄錠已進(jìn)入補(bǔ)縮階段(圖3(d)),液相區(qū)的縱向長(zhǎng)度縮短,熔煉電流減小,熔速也逐漸減小,金屬熔池體積逐漸收縮,此階段可能產(chǎn)生縮孔,因此,通過(guò)熔煉工藝控制熔池深度顯得尤為重要。當(dāng)熔池完成熱封頂階段時(shí),鑄錠已凝固成型,但仍有少量合金熔池并未完全凝固。t=490 min時(shí)(圖3(e)),鑄錠進(jìn)入冷卻階段,液相區(qū)的縱向長(zhǎng)度逐漸縮短,t=520 min時(shí)鑄錠液相區(qū)消失(圖3(f))。

　　圖3 TC11鈦合金VAR過(guò)程中不同階段熔池形狀的模擬結(jié)果

　　Fig.3 Simulation results of the shape of molten pool in the ingot at different stages during VAR process for TC11 titanium alloy

　　2.3、元素成分分布模擬結(jié)果

　　圖4為真空自耗熔煉φ760 mm TC11鈦合金鑄錠的元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分布模擬結(jié)果。其元素成分分布規(guī)律如圖中所示,圖4(a)顯示Al元素(K=1.070,如表2所示)含量在邊部和底部偏高,縱向中心處較低,呈負(fù)偏析規(guī)律;Mo元素呈現(xiàn)相同負(fù)偏析規(guī)律(圖4(b));圖4(c)顯示O元素略顯負(fù)偏析分布,各位置成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值較小;Fe元素分布(圖4(d))與Al元素相反,呈正偏析規(guī)律,在鑄錠邊部質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.142%～0.148%,縱向中心處為0.160%～0.162%,即在邊部和底部含量低,中心部含量高;Si、Zr元素同樣呈現(xiàn)正偏析規(guī)律,分別如圖4(e)～(f)所示。各元素在鑄錠頭部的偏析區(qū)形狀呈“碗”形,縱向中心長(zhǎng)度約為110 mm。用元素在鑄錠截面分布中的最大值與最小值之差表征元素熔煉的均勻程度,差值小則說(shuō)明熔煉過(guò)程對(duì)偏析控制較好。元素差值與該元素的設(shè)計(jì)成分之比表示該元素在熔煉中的易控制程度,計(jì)算結(jié)果如圖5所示,Fe和Si的差值比相對(duì)較大,分別為0.203和0.144,為TC11鈦合金中易發(fā)生偏析的兩種元素。TC11鈦合金中Al元素與O元素的偏析易造成拉伸、沖擊時(shí)產(chǎn)生脆性斷裂[13],由平衡分配系數(shù)及熔煉模擬結(jié)果來(lái)看,Al與O元素的偏析傾向性較低。

　　圖4 TC11元素成分分布計(jì)算結(jié)果

　　Fig.4 Simulation results of elements distribution for TC11 titanium alloy

　　圖5 TC11鈦合金各元素差值比計(jì)算結(jié)果

　　Fig.5 Simulation results of difference ratios of elements in TC11 titanium alloy

　　3、試驗(yàn)驗(yàn)證

　　依據(jù)VAR數(shù)值模擬結(jié)果,將鑄錠熔煉結(jié)束前的熔池深度及偏析元素在鑄錠頭部集中分布區(qū)域作為φ760 mm鑄錠切頭位置的參考數(shù)據(jù),且綜合考慮鑄錠成材率,建議切頭深度為110 mm。為驗(yàn)證VAR過(guò)程模擬結(jié)果的可靠性,采用與熔煉模擬過(guò)程中相同的工藝進(jìn)行直徑為760 mm的TC11鈦合金鑄錠的真空自耗電弧冶煉試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),鑄錠外觀質(zhì)量良好。沿鑄錠中心縱向進(jìn)行切割并觀察鑄錠內(nèi)部質(zhì)量(圖6),由圖可知,位于鑄錠頭部112 mm的位置產(chǎn)生縮孔。可見(jiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果基本一致,說(shuō)明該數(shù)值模型能夠?yàn)門C11鈦合金熔煉提供結(jié)果預(yù)測(cè)及理論支撐。

　　圖6φ760 mm規(guī)格的TC11鈦合金鑄錠縱向截面圖

　　Fig.6 The longitudinal section picture of TC11 titanium alloy ingot(φ760 mm)

　　4、結(jié)論

　　(1)采用BMPS-VAR模擬軟件對(duì)TC11鈦合金VAR過(guò)程不同階段的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。真空自耗熔煉的熔煉電流、電壓等參數(shù)影響熔池的溫度梯度,進(jìn)而影響金屬熔池的形狀,熔池形狀由初期的“碗”形到中期的“U”形,再到“V”形變化。

　　(2)通過(guò)熔煉模擬可以預(yù)測(cè)TC11鈦合金VAR過(guò)程的元素偏析,從成分分布規(guī)律來(lái)看,Al、Mo、O元素在鑄錠邊部和底部的含量偏高,縱向中心處較低,呈現(xiàn)負(fù)偏析規(guī)律;Fe、Si、Zr元素在邊部和底部含量低,縱向中心處較高,呈正偏析規(guī)律。

　　(3)通過(guò)對(duì)比模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果,驗(yàn)證了熔煉模擬的準(zhǔn)確性。該真空自耗熔煉模擬技術(shù)可在成品錠切頭距離預(yù)測(cè)、錠熔池深度預(yù)測(cè)、易偏析元素在鑄錠中的分布等領(lǐng)域應(yīng)用,進(jìn)而為真空自耗熔煉工業(yè)級(jí)大型鑄錠質(zhì)量提升、工藝參數(shù)優(yōu)化及元素偏析預(yù)測(cè)提供理論支撐。

　　文章引用：李艷影等."真空自耗熔煉的數(shù)值模擬在TC11鈦合金產(chǎn)品中的應(yīng)用."寶鋼技術(shù)4(2024):25-29.