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特种合金软接触电磁成形定向凝固技术研究

张丰收  
【摘要】: 本文利用自制的真空宽调速电磁约束成形试验设备,以高温合金为实验材料,理论分析与实验研究相结合,对特种合金软接触电磁成形及凝固特性进行了系统地研究,开发出一种适用于特种合金制备的真空强化冷却电磁软接触成形定向凝固技术,实现了材料制备短流程、少或无污染、组织细化、成形形状精确和控制简单化。主要研究内容及结论如下: 对不同截面形状金属熔体软接触电磁成形的电磁场与电磁压力特性进行了系统地研究,探讨了感应器高度及大小、磁模、磁化套高度及位置对电磁场的影响,分析了软接触电磁成形工艺特点,并对软接触电磁成形工艺进行了热模拟研究,建立了感应器—磁化套—熔体的耦合系统,提出了两种特种合金软接触电磁成形工艺,结果表明:软接触电磁成形具有污染少、可成形截面形状复杂、操作简单易控制的特点;选用较高的频率,合理的感应器结构与磁模、合适的磁化套高度及位置的合理匹配,有利于特种合金软接触电磁成形;在本文实验条件下,电压在120v~160v,感应器高度为27.5mm并且上沿高于静态熔体液面5mm,磁化套高度为8mm并位于感应器下部时,熔体驼峰高度为12mm~16mm,熔体与磁模的软接触高度平均为11.5mm,有利于软接触成形及凝固组织的控制;利用磁模与凝固金属一起抽拉的双频软接触电磁成形工艺,实现了近叶片状高温合金试样的软接触成形。 系统地研究了沸腾流化床中颗粒的运动特性,结合实验条件设计了一套颗粒流化冷却系统,建立了沸腾流化床传热模型,通过实验研究了流化床冷却特性并确定了基本工艺参数,提出了一种真空下特种合金软接触电磁成形定向凝固强化冷却新工艺;综合考虑抽拉速度、熔体过热、凝固潜热、磁模、流化颗粒流量、颗粒特性等因素对传热过程的影响,建立了软接触电磁成形定向凝固过程冷却传热模型。结果表明:通过控制气流大小以及选用不同大小的颗粒,可以有效控制颗粒的运动;减小颗粒的尺寸及密度是真空下实现颗粒流化的有效措施;在沸腾流化床中颗粒、气体对流传热是主要传热机制,在最佳气流速度下,传热是以颗粒对流为主,传热系数达到最大值;在本实验条件下,100#SiC颗粒静态高度为60~80mm时,沸腾流化床在高温阶段的冷却能力优于液态金属,沿着流化床高度方向冷却能力逐渐减弱;在液氮压力为0.3Pa、固体颗粒为100#SiC的条件下获得了凝固组织一次枝晶间距平均为80μm和60μm的高 张丰收西吐工必大李博士学位论文 温合金板状和圆柱状样件;提高熔体的过热度几一几、合适的抽拉速度、提高 冷却点的位置以及增大流化颗粒的流量、合适的颗粒、导热性能良好的磁模和 合适的磁模壁厚,都可以有效提高传热效率。 综合考虑真空条件下特种合金软接触电磁成形过程中电流强度、抽拉速度、 凝固潜热等因素对软接触电磁成形过程的影响,建立了软接触电磁成形定向凝 固过程的控制模型;导出了软接触电磁成形圆柱形熔体表面力平衡表达式及软 接触电磁成形的基本条件。 对软接触电磁成形定向凝固组织特性进行了初步探讨,结果表明:在强化 冷却条件下,合适的抽拉速率、磁化套有利于获得细化、平直的柱晶组织;定 向凝固组织细化是在枝晶生长阶段通过枝晶尖端开裂和竞争生长淘汰方式进行 的。


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