摘要：采用真空電弧重熔過程模型軟件(BMPS-VAR)通過數值模擬研究了φ760 mm TC11鈦合金鑄錠真空自耗熔煉過程中不同階段的熔池形狀、溫度場及元素成分分布,并采用與熔煉模擬相同的工藝進行試驗驗證。結果表明,實測鑄錠縮孔深度為112 mm,與模擬結果基本一致。VAR過程的數值模擬為建立TC11鈦合金真空自耗熔煉模型及解決冶煉實際問題提供了有效的結果預測和技術支撐。

　　關鍵詞：TC11鈦合金;真空自耗熔煉;數值模擬;熔池形狀;元素分布

　　TC11鈦合金(名義化學成分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℃下具有優異的熱強性能,且具有較高的室溫強度、良好的熱加工工藝性,廣泛應用于航空發動機壓氣機的零部件[2],如葉片、軸類、鼓筒等。優質航空鈦合金鑄錠的工業化生產以真空自耗電弧熔煉(VAR)為主,但由于熔煉及凝固過程中溫度場分布不均,鑄錠易產生元素成分、組織不均勻等缺陷問題[3]。TC11鈦合金元素偏析可能導致鍛棒低倍白亮塊等缺陷[4],從而影響鍛件性能。獲得成分準確、低偏析度、組織均勻的鑄錠需要合適的熔煉工藝來保證[5]。工業級真空自耗熔煉是電磁場、流場、溫度場等多物理場相互作用的過程,熔煉過程中熔池的形狀、深度及溫度場、元素成分分布等是影響鑄錠質量的關鍵因素。但在實際生產過程中熔煉的可視化程度低,無法預判,若采用傳統的試錯法進行研究則存在生產成本高、周期長的問題。

　　采用數值模擬技術對真空自耗電弧熔煉過程進行建模與模擬,可以對熔煉過程直觀地進行觀察,有效預測工藝參數對鑄錠質量的影響,極大地減少試驗次數,縮短研發周期,降低研發成本,為實際生產提供重要的指導。近年來,國內外學者多采用數值模擬方法研究VAR工藝過程的溫度場、電磁場對鑄錠的影響[6-7]。楊治軍等[8]采用數值模擬研究Ti-1023合金鑄錠在不同參數下的電磁場、溫度場和流場分布。KARIMI-SIBAKI等[9]模擬了真空自耗過程中電磁場、溫度場的分布及熔池形狀的演變。而TC11鈦合金熔煉過程中溫度場、元素的濃度場分布的模擬研究及試驗驗證鮮有報道。

　　針對上述問題,本文利用寶鋼中央研究院自主開發的特種熔煉專用模擬軟件(BMPS-VAR及BMPS-ESR)[10],研究了φ760 mm規格的TC11鈦合金鑄錠的真空自耗電弧熔煉過程,探索不同熔煉階段、熔池形狀和元素成分分布,并結合實際熔煉鑄錠驗證了相關模擬結果的可靠性,為實際生產真空自耗熔煉TC11鈦合金工業化大型鑄錠、制定熔煉工藝提供參考。

　　1、模擬用數學物理模型

　　計算采用的TC11鈦合金材料的基本物性參數見表1,主要元素的凝固平衡分配系數見表2,VAR過程相關的參數見表3。在模擬過程中采用的熔煉電流隨時間變化的動態參數曲線如圖1所示,該曲線專為本次試驗而制定,非工業生產用參數。在VAR熔煉過程中熔煉電流的大小會造成熔池內的流動發生變化,并對溫度場產生影響[11-12]。

　　圖1熔煉模擬電流隨時間變化的動態參數曲線

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

　　表1 TC11鈦合金物性參數

　　Table 1 Physical properties of TC11 titanium alloy

　　表2主要元素凝固平衡分配系數K

　　Table 2 Partition coefficient k of main elements

　　表3 VAR熔煉過程參數

　　Table 3 VAR process parameters

　　2、模擬結果分析

　　2.1不同熔煉階段溫度場模擬結果

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

　　圖2 TC11鈦合金VAR不同階段的溫度場計算結果

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

　　2.2、熔池形狀模擬結果

　　圖3顯示TC11鈦合金VAR過程中液相體積分數分布的計算結果,紅色區域表示液相區,藍色為凝固區,其中,液相區的形狀反映了VAR過程中的熔池形狀,結合圖2分析可知,熔池形貌隨溫度場變化,呈現動態演變過程。圖3(a)(t=80 min)為熔池建立期,形成“碗”狀的淺熔池。在熔煉時間為160 min時(圖3(b)),此時通過坩堝散發的熱量仍小于金屬液體凝固時釋放的熱量,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時鑄錠已進入補縮階段(圖3(d)),液相區的縱向長度縮短,熔煉電流減小,熔速也逐漸減小,金屬熔池體積逐漸收縮,此階段可能產生縮孔,因此,通過熔煉工藝控制熔池深度顯得尤為重要。當熔池完成熱封頂階段時,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(圖3(e)),鑄錠進入冷卻階段,液相區的縱向長度逐漸縮短,t=520 min時鑄錠液相區消失(圖3(f))。

　　圖3 TC11鈦合金VAR過程中不同階段熔池形狀的模擬結果

　　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果

　　圖4為真空自耗熔煉φ760 mm TC11鈦合金鑄錠的元素成分(質量分數)分布模擬結果。其元素成分分布規律如圖中所示,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,呈負偏析規律;Mo元素呈現相同負偏析規律(圖4(b));圖4(c)顯示O元素略顯負偏析分布,各位置成分質量分數差值較小;Fe元素分布(圖4(d))與Al元素相反,呈正偏析規律,在鑄錠邊部質量分數為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元素同樣呈現正偏析規律,分別如圖4(e)～(f)所示。各元素在鑄錠頭部的偏析區形狀呈“碗”形,縱向中心長度約為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,差值小則說明熔煉過程對偏析控制較好。元素差值與該元素的設計成分之比表示該元素在熔煉中的易控制程度,計算結果如圖5所示,Fe和Si的差值比相對較大,分別為0.203和0.144,為TC11鈦合金中易發生偏析的兩種元素。TC11鈦合金中Al元素與O元素的偏析易造成拉伸、沖擊時產生脆性斷裂[13],由平衡分配系數及熔煉模擬結果來看,Al與O元素的偏析傾向性較低。

　　圖4 TC11元素成分分布計算結果

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

　　圖5 TC11鈦合金各元素差值比計算結果

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

　　3、試驗驗證

　　依據VAR數值模擬結果,將鑄錠熔煉結束前的熔池深度及偏析元素在鑄錠頭部集中分布區域作為φ760 mm鑄錠切頭位置的參考數據,且綜合考慮鑄錠成材率,建議切頭深度為110 mm。為驗證VAR過程模擬結果的可靠性,采用與熔煉模擬過程中相同的工藝進行直徑為760 mm的TC11鈦合金鑄錠的真空自耗電弧冶煉試驗,結果發現,鑄錠外觀質量良好。沿鑄錠中心縱向進行切割并觀察鑄錠內部質量(圖6),由圖可知,位于鑄錠頭部112 mm的位置產生縮孔。可見實測結果與模擬計算的結果基本一致,說明該數值模型能夠為TC11鈦合金熔煉提供結果預測及理論支撐。

　　圖6φ760 mm規格的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、結論

　　(1)采用BMPS-VAR模擬軟件對TC11鈦合金VAR過程不同階段的溫度場進行模擬。真空自耗熔煉的熔煉電流、電壓等參數影響熔池的溫度梯度,進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)通過熔煉模擬可以預測TC11鈦合金VAR過程的元素偏析,從成分分布規律來看,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,呈現負偏析規律;Fe、Si、Zr元素在邊部和底部含量低,縱向中心處較高,呈正偏析規律。

　　(3)通過對比模擬與試驗驗證結果,驗證了熔煉模擬的準確性。該真空自耗熔煉模擬技術可在成品錠切頭距離預測、錠熔池深度預測、易偏析元素在鑄錠中的分布等領域應用,進而為真空自耗熔煉工業級大型鑄錠質量提升、工藝參數優化及元素偏析預測提供理論支撐。

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