史亞飛，彭冰冰，李向明，鄭必舉

(1.昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 金屬先進(jìn)凝固成形及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093)

0 引 言

高品質(zhì)寬幅-大卷重鈦帶卷作為卷焊鈦管、板式換熱器、冷凝器、復(fù)合板等產(chǎn)品極為重要的基礎(chǔ)材料，在航空航天、海洋工程、能源化工等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-6].在鈦加工領(lǐng)域，鈦錠是所有后續(xù)鈦加工的基礎(chǔ).實(shí)際電子束冷床爐生產(chǎn)出的TA10鈦扁錠存在冷隔、瘤疤和折層等重大表面質(zhì)量問題，這會影響鈦帶卷的質(zhì)量從而影響TA10鈦合金的應(yīng)用.只有內(nèi)部組織均勻、無偏析、低密度夾雜物且表面無質(zhì)量問題的優(yōu)質(zhì)鈦錠和鈦合金錠才能加工成高性能的鈦及鈦合金制品.而電子束冷床熔煉(Electron Beam Cold Hearth Melting,EBCHM)成形的鈦及鈦合金扁錠可以直接軋制成卷材，大大縮短了工藝流程.因此，EBCHM技術(shù)已成為當(dāng)前優(yōu)質(zhì)鈦及鈦合金錠不可替代的先進(jìn)熔煉技術(shù)[7-9].

金屬先進(jìn)凝固成形及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室前期開展了EBCHM制備TA1鑄錠的理論研究[10-12].通過數(shù)值模擬方法預(yù)測了工藝參數(shù)對TA1凝固過程的影響規(guī)律，理論預(yù)測的鈦錠組織與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致[10-11],并且針對一定尺寸的TA1扁錠對水冷結(jié)晶器尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，該結(jié)果已為實(shí)際生產(chǎn)提供了重要的理論基礎(chǔ).但是，實(shí)際生產(chǎn)中，采用制備TA1鑄錠的工藝條件和水冷結(jié)晶器制備的TA10存在組織不均勻、元素偏析、表面具有瘤疤和折層等問題.在采用EBCHM的TA10鈦合金鑄錠凝固過程中，結(jié)晶器尺寸和工藝參數(shù)是控制熔池形貌以及組織結(jié)構(gòu)的重要手段.因此，揭示結(jié)晶器尺寸和工藝參數(shù)對TA10鈦合金鑄錠凝固過程中的固液界面形貌以及組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律是本文研究重點(diǎn).

本文將通過建立大尺寸TA10鈦合金凝固過程中的傳熱模型和CAFE模型單(元自動生成機(jī)制Celullar-Automation模型與有限元法Finite Element相互結(jié)合)，應(yīng)用有限元方法對上述模型進(jìn)行求解后，研究結(jié)晶器尺寸對熔池深度的影響以及工藝參數(shù)對溫度場和組織場的影響，獲得結(jié)晶器尺寸(內(nèi)長、高度和壁厚等)、工藝參數(shù)(澆鑄溫度和拉錠速度)與熔池深度以及鑄錠凝固組織的定量關(guān)系，確定獲得組織均勻的TA10鈦合金扁錠的工藝條件.所得結(jié)果將為實(shí)際生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的大尺寸TA10扁錠提供一定的理論依據(jù).

1 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)鈦合金熔體從冷床流入水冷結(jié)晶器時(shí)，將凝固形成鑄錠，然后鑄錠通過引錠桿向下連續(xù)移動，形成連鑄過程，如圖1所示.本節(jié)針對TA10鈦合金凝固過程建立了傳熱數(shù)學(xué)模型.

圖1 MILE算法的三維模型與網(wǎng)格劃分Fig.1 Three-dimensional model and meshing of MILE algorithm

1.1 凝固過程中的傳熱模型

在采用EBCHM熔煉TA10鈦合金的凝固過程中，涉及了鈦合金自身傳熱和結(jié)晶器傳熱.在三維直角坐標(biāo)系(x,y,z)中，凝固過程中的鈦合金傳熱由傅里葉-基爾霍夫方程[13]表示為：

(1)

(2)

鈦合金鑄錠在凝固過程中的熱焓滿足以下方程式[15]：

(3)

對方程(3)兩邊關(guān)于溫度進(jìn)行求導(dǎo)，得到以下方程：

(4)

然后，將方程(2)和(4)代入方程(1)，可以得到控制方程：

(5)

除了鑄錠本身的傳熱外，結(jié)晶器中也會發(fā)生傳熱.同樣，結(jié)晶器的傳熱過程用非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)偏微分方程表示：

(6)

式中：下標(biāo)M對應(yīng)于結(jié)晶器，該式中的符號與方程式(1)中的含義相同，cpM和λM是關(guān)于溫度T的函數(shù).

除了上述熱傳微分方程，還需要設(shè)定邊界條件.鈦合金鑄錠與結(jié)晶器、鑄錠與拉錠桿之間的界面換熱系數(shù)設(shè)置為 1 000 W·m2·K，結(jié)晶器與拉錠桿外表面換熱系數(shù)設(shè)置為 5 000 W·m2·K.在鈦錠上表面設(shè)定澆注溫度(分別設(shè)定了 1 700 ℃、1 800 ℃、1 900 ℃ 和 2 000 ℃ 4個(gè)溫度)，在拉釘桿處設(shè)置拉錠速度(分別設(shè)定了1×10-4m/s、2×10-4m/s、2.844×10-4m/s 和3×10-4m/s 4個(gè)速度).

1.2 CAFE微觀結(jié)構(gòu)模型

本文采用了Rappaz等人[16]基于Oldfield理論提出的連續(xù)形核模型.根據(jù)Oldfield理論提出的連續(xù)形核模型，該模型使用統(tǒng)計(jì)的方法，認(rèn)為形核率的變化與過冷度之間的關(guān)系滿足連續(xù)概率分布，以及形核行為發(fā)生在滿足高斯分布的形核位置上.

在TA10鈦合金扁錠的凝固過程中，晶體的生長是受到過冷度影響的，枝晶尖端的過冷度ΔT由四部分組成[17]：

ΔT=ΔTc+ΔTt+ΔTr+ΔTk

(7)

式中：ΔTc、ΔTt、ΔTr、ΔTk分別是成分過冷、熱力學(xué)過冷、曲率過冷和動力學(xué)過冷.對于大多數(shù)金屬凝固過程來說，除了成分過冷外，其余三項(xiàng)過冷度的影響都很小，可以忽略不計(jì).因此，方程式(7)可以近似地寫成ΔT=ΔTC，而ΔTC可通過以下等式計(jì)算：

(8)

Kurz等[18]在界面穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)上研究枝晶尖端的溶質(zhì)平衡，建立了以他們名字命名的KGT模型，給出溶質(zhì)過飽和度Ω和枝晶尖端半徑R以及枝晶尖端生長速度v(ΔT)與界面前沿過冷度ΔT的關(guān)系，關(guān)系式如下[18]：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：Z是初始位置到直徑尖端的位置,Γ是吉布斯-湯普森系數(shù)，R為枝晶尖端半徑，GC為枝晶前沿液相中的溶質(zhì)濃度梯度，G是溫度梯度，Iv(Pe)是Peclet數(shù)Pe的Ivantsov函數(shù)，D是熔體中的擴(kuò)散系數(shù)，V為直徑前端生長速度，k是溶質(zhì)分配系數(shù).

本文基于Procast模擬軟件并結(jié)合二次編程開發(fā)，對上述傳熱模型和CAFE模型進(jìn)行求解.為了直觀地反映連鑄過程，本文采用MILE非穩(wěn)態(tài)算法(混合拉格朗日算法和歐拉算法，Mix Lagrangian and Eulerian)對TA10鈦合金扁錠的溫度場進(jìn)行模擬.圖1為 TA10鈦合金扁錠的三維網(wǎng)格模型和網(wǎng)格劃分.由于模型的對稱性，為了便于計(jì)算和節(jié)省計(jì)算內(nèi)存，我們分別在寬表面和窄表面上設(shè)置了對稱表面，這相當(dāng)于選擇四分之一的鑄錠幾何形狀作為研究對象(625 mm×105 mm×8 000 mm).為了較為準(zhǔn)確地獲得固液界面形貌，對處于凝固前沿的扁平鑄錠進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.計(jì)算中設(shè)置結(jié)晶厚度為 75 mm，液位與溢流口之間的距離保持在 60 mm.另外，本文采用移動邊界法計(jì)算鈦錠組織.為了保證鈦錠連鑄達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，選定的凝固組織計(jì)算區(qū)位于距扁錠底部 1 000 mm 的截面上.

2 物理參數(shù)

本文計(jì)算所采用的TA10合金熱物理參數(shù)(熱晗、密度、熱導(dǎo)率)如圖2所示.其中，TA10鈦合金的液相線和固相線溫度分別為 1 657 ℃ 和 1587 ℃.

(a)熱焓和密度 (b)導(dǎo)電性圖2 TA10合金的熱物性關(guān)系溫度參數(shù)Fig.2 Relationship of TA10 alloy thermophysical parameters with temperature

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)晶器尺寸對TA10鈦合金扁錠熔池形貌的影響

圖3為在 1 900 ℃ 工作條件下，TA10鈦合金扁錠在結(jié)晶器內(nèi)長為 600 mm、內(nèi)寬為 210 mm 時(shí)的溫度場分布.不同的顏色代表不同的等溫線.如右側(cè)放大圖所示，紅色區(qū)域代表液相區(qū)，橙色區(qū)域代表糊狀區(qū)，其余區(qū)域代表固相區(qū).液相區(qū)和糊狀區(qū)之間的等溫線是液相線，糊狀區(qū)和固相區(qū)之間的等溫線是固相線.h1表示鈦合金鑄錠的液相線深度(熔池深度)，h2表示固相線深度，糊狀區(qū)寬度為h2-h1.

圖3 TA10鈦合金扁錠溫度場分布圖Fig.3 Temperature field distribution diagram of TA10 titanium alloy slab

圖4為結(jié)晶器的結(jié)構(gòu).結(jié)晶的尺寸表示為：內(nèi)長L、內(nèi)寬W、高度H和壁厚T.本節(jié)研究了結(jié)晶器尺寸變化對TA10鈦合金扁錠凝固界面的影響，為實(shí)際連鑄生產(chǎn)過程提供了理論指導(dǎo).其主要通過改變結(jié)晶器各尺寸，來觀察凝固界面形貌變化，具體如下：1) 保持內(nèi)寬(210 mm)、高度(660 mm)和壁厚(75 mm)不變，內(nèi)長分別設(shè)置為300、350、400、450、650、850、1 050 和 1 250 mm.通過改變結(jié)晶器的內(nèi)長，研究了TA10鈦合金扁錠熔池的形貌；

2) 保持鈦錠上表面面積(即內(nèi)長和內(nèi)寬的乘積)、壁厚(75 mm)和高度(660 mm)恒定.即鈦錠上表面積固定為1.6×105mm2，長×寬分別設(shè)置為 400 mm×400 mm、500 mm×320 mm、640 mm×250 mm、800 mm×200 mm、1 000 mm×160 mm、1 600 mm×100 mm.研究了不同內(nèi)長內(nèi)寬比對TA10鈦合金扁錠熔池形貌的影響；

3) 在保持內(nèi)長(1 250 mm)、內(nèi)寬(210 mm)和壁厚(75 mm)不變的情況下，將高度設(shè)置為150、175、200、250、300、350、400、600和 800 mm，研究了不同高度對TA10鈦合金扁錠熔池形貌的影響；

4) 保持內(nèi)長(1 250 mm)、內(nèi)寬(210 mm)和高度(660 mm)不變，壁厚分別設(shè)置為50、60、70、75、80和 90 mm，研究了不同壁厚對TA10鈦合金扁錠熔池形貌的影響.

圖4 結(jié)晶器空間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Space structure diagram of crystallizer

3.1.1 結(jié)晶器內(nèi)長對熔池形貌的影響

由于結(jié)晶器的對稱性，選擇鈦錠表面寬度的一半進(jìn)行模擬研究.保持內(nèi)寬W、高H、壁厚T的值不變，結(jié)晶器內(nèi)長分別?。?00、350、400、450、650、850、1 050、1 250 以及 1 450 mm.圖5為不同結(jié)晶器內(nèi)長所對應(yīng)的TA10鈦合金扁錠的熔池形貌.從圖中可以看出，當(dāng)結(jié)晶器的內(nèi)長增加到450 mm時(shí)，熔池底部開始出現(xiàn)一個(gè)平面；當(dāng)結(jié)晶器的內(nèi)長增加到 650 mm 時(shí)，TA10鈦合金扁錠的熔池形貌基本固定(虛線左側(cè)的部分)，只有熔池底部的平面長度增加.圖6是液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度隨結(jié)晶器內(nèi)長增加的變化圖.從圖中可以看出：開始時(shí)，隨著結(jié)晶器內(nèi)長的增加，液相線深度和固相線深度逐漸增加，而糊狀區(qū)寬度略有增加;當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)長增加到 650 mm 時(shí)，液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度不再隨結(jié)晶器內(nèi)長的增加而變化，并趨于穩(wěn)定.

圖5 TA10鈦合金扁錠熔池形貌的對比Fig.5 Comparison of TA10 titanium alloy slab molten pool morphology

圖6 液相線深度h1、固相線深度h2以及糊狀區(qū)

由于TA10鈦合金扁錠在凝固過程中的散熱取決于結(jié)晶器中冷卻水的流動，結(jié)晶器的冷卻能力決定了TA10鈦合金扁錠在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的熔池形貌.當(dāng)結(jié)晶器中冷卻水的初始溫度和流量保持恒定時(shí)，結(jié)晶器單位面積的冷卻能力保持恒定.當(dāng)TA10鈦錠的長度小于 650 mm 時(shí)，熔池形貌受TA10鈦錠長度的影響；當(dāng)TA10鈦錠長度大于 650 mm 時(shí)，熔池形貌不受TA10鈦錠長度的影響，鈦錠長度的增加只會增加熔池底部平面的長度，因此，結(jié)晶器的有效冷卻距離為 650 mm.水冷結(jié)晶器的有效冷卻距離是區(qū)分結(jié)晶器內(nèi)長是否影響固液界面形貌的關(guān)鍵值.

3.1.2 結(jié)晶器內(nèi)長寬比對熔池形貌的影響

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，為了更方便地軋制出不同尺寸的鈦卷和鈦板，只能依靠改變鈦錠橫截面積的大小以及內(nèi)長與內(nèi)寬的比例來生產(chǎn)不同規(guī)格的鈦錠.因此，本文研究結(jié)晶器不同內(nèi)長與內(nèi)寬的比例對TA10鈦錠熔池形貌的影響.保持TA10鈦合金扁錠的上表面面積(即內(nèi)長L與內(nèi)寬W的乘積)、壁厚T、高H的值不變.鈦錠上表面面積固定為1.6×105mm2，L×W分別?。?00 mm×400 mm，500 mm×320 mm，640 mm×250 mm，800 mm×200 mm，1 000 mm×160 mm，1 600 mm×100 mm 6種模式.圖7是當(dāng)TA10鑄錠橫截面面積相同時(shí)，不同內(nèi)長和內(nèi)寬比的示意圖.圖8是6種不同內(nèi)長內(nèi)寬比下TA10鈦錠的液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度的變化.從圖8中可以看出，液相線深度、固相線深度都隨著內(nèi)長內(nèi)寬比的增加而逐漸減小，糊狀區(qū)的變化不明顯.為了保持一定的生產(chǎn)效率，適當(dāng)增加內(nèi)長內(nèi)寬比可以降低鈦錠熔池的深度，從而減少鈦錠的偏析.因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)可以保持不變，適當(dāng)增加鈦錠截面的內(nèi)長內(nèi)寬比有利于生產(chǎn)出更好的鈦錠.

圖7 同一面積下不同內(nèi)長與內(nèi)寬比例模式的示意圖Fig.7 Different setting modes of the internal length and width of crystallizer with the same area of TA10 slab ingot cross-section

圖8 不同內(nèi)長與內(nèi)寬比例條件下TA10鈦錠液相線深度h1、固相線深度h2以及糊狀區(qū)寬度(h2-h1)的變化圖Fig.8 Variations of the liquidus depth h1,the solidus depth h2 and the width of the mushy zone (h2-h1) of TA10 titanium ingots with different ratios of inner length to the inner width

3.1.3 結(jié)晶器高度對熔池形貌的影響

保持內(nèi)長L、內(nèi)寬W、壁厚T的值不變，高H分別?。?50、175、200、250、300、350、400、600以及 800 mm，對不同結(jié)晶器高度下的TA10鈦合金扁錠凝固過程進(jìn)行模擬計(jì)算.圖9為不同高度下TA10鈦合金扁錠的液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度的比較圖.根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)，當(dāng)結(jié)晶器的高度從 150 mm 增加到 200 mm 時(shí)，液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度變化都很明顯.液相線深度從 54.31 mm 減小到 36.54 mm，固相線深度從 83.91 mm 減小到 53.12 mm,糊狀區(qū)的寬度從 29.60 mm 減小到 16.57 mm.當(dāng)結(jié)晶器高度增加到 350 mm 時(shí)，液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度不隨結(jié)晶器高度的增加而變化.在水冷結(jié)晶器的水溫和水流量一定的條件下，水冷結(jié)晶器的冷卻效果由結(jié)晶器與TA10鈦合金扁錠的接觸面積決定.當(dāng)結(jié)晶器高度大于 350 mm 時(shí)，TA10鈦合金扁錠的熔池形貌不再隨結(jié)晶器高度的增加而改變.因此，在本條件下結(jié)晶器的有效冷卻高度為 350 mm.

圖9 不同結(jié)晶器高度下TA10鈦合金扁錠液相線深度h1、固相線深度h2以及糊狀區(qū)寬度(h2-h1)的對比圖Fig.9 Comparison of the liquidus depth h1, the solidus depth h2 and the width of the mushy zone (h2-h1) of TA10 alloy slab in different mold heights

3.1.4 結(jié)晶器壁厚對TA10鈦錠熔池形貌的影響

保持內(nèi)長L、內(nèi)寬W、高度H的值不變，壁厚T分別取：50、60、70、75、80以及 90 mm，對不同結(jié)晶器壁厚下的TA10鈦合金扁錠凝固過程進(jìn)行模擬計(jì)算.圖10為6種不同結(jié)晶器壁厚尺寸下TA10鈦合金扁錠的液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度的對比圖.根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)，隨著結(jié)晶器壁厚的增加，TA10鈦合金扁錠的液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度都呈現(xiàn)出輕微的增加趨勢.結(jié)果表明，結(jié)晶器壁厚對TA10鈦合金扁錠熔池形貌的影響很小,可以忽略不計(jì).

圖10 不同結(jié)晶器壁厚下TA10鈦合金扁錠液相線深度h1、固相線深度h2以及糊狀區(qū)寬度(h2-h1)的對比圖Fig.10 Comparison of the liquidus depth h1, the solidus depth h2 and the width of the mushy zone(h2-h1) of TA10 alloy slab in different mold wall thicknesses

3.2 工藝參數(shù)對溫度場的影響

在EBCHM工藝中，澆注溫度和拉錠速度對熔池的形貌和深度起著重要作用.澆注溫度取決于電子槍的功率.由于電子槍的功率比較復(fù)雜，為了簡化模型，本文給出熔池的表面溫度.因此，本節(jié)主要研究2個(gè)主要工藝參數(shù)：澆注溫度(對應(yīng)于熔池表面溫度)和拉錠速度(對應(yīng)于原始熔煉速度).

實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)鈦合金鑄錠從非穩(wěn)態(tài)階段過渡到穩(wěn)態(tài)階段時(shí)(鈦錠過渡區(qū))，所形成的鑄錠組織均勻性差、質(zhì)量差，嚴(yán)重影響了鈦帶卷的質(zhì)量.為了研究不同拉錠速度對鈦錠過渡區(qū)長度的影響，本節(jié)以熔池底部中間位置的節(jié)點(diǎn)為研究對象，觀察不同拉錠速度下該點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化關(guān)系.當(dāng)此時(shí)的溫度不隨時(shí)間的增加而變化以保持穩(wěn)定時(shí)，則整個(gè)鈦錠的固液界面不再發(fā)生變化并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).圖11為不同鑄錠拉錠速度下選定節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化.

圖11 不同拉錠速度下所選節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化圖 Fig.11 Changes of the temperature of the selected node with time with different drawing speeds

鈦錠的過渡區(qū)的長度可以由達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間與鑄錠速度的乘積計(jì)算得到.從圖11可以得到連鑄過程在不同拉錠速度下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間，然后便得到不同拉錠速度下過渡區(qū)的長度.圖12為過渡區(qū)長度與拉錠速度和澆注溫度之間的關(guān)系.從圖中可以看出，過渡區(qū)的長度隨著拉錠速度和澆注溫度的增大而逐漸變長.

(a)拉錠速度 (b) 澆注溫度圖12 過渡長度在不同工藝參數(shù)下的變化圖Fig.12 Changes of the length of the transition zone with different process parameters

圖13表示的是液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度隨拉錠速度的變化關(guān)系.可以看出，隨著拉錠速度的升高，液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度隨著拉錠速度的增大而逐漸變長.圖14顯示了液相線深度、固相線深度和糊狀區(qū)寬度隨澆注溫度的變化關(guān)系.從圖中可以看出，液相線深度和固相線深度隨著澆注溫度的增加而逐漸變長，而糊狀區(qū)寬度逐漸減小，但變化不大.

圖13 液相線深度h1、固相線深度h2以及糊狀區(qū)寬度(h2-h1)隨拉錠速度增加的變化關(guān)系Fig.13 Changes of the liquidus depth h1, the solidus depth h2, and the width of the mushy zone (h2-h1) with the increase of the drawing speed

圖14 液相線深度h1、固相線深度h2以及糊狀區(qū)寬度(h2-h1)隨澆注溫度增加的變化關(guān)系Fig.14 Changes of the liquidus depth h1, the solidus depth h2 and the width of the mushy zone (h2-h1) with the increase of the pouring temperature

3.3 工藝參數(shù)對TA10鈦合金扁錠凝固組織的影響

為了研究澆注溫度對TA10鈦合金扁錠凝固組織的影響，將拉錠速度控制在2.844×10-4m/s，澆注溫度分別設(shè)定為 1 700 ℃、1 800 ℃、1 900 ℃ 和 2 000 ℃.圖15是不同澆注溫度下TA10鈦合金在相同位置的橫截面晶粒結(jié)構(gòu)對比圖.從圖中可以看出，當(dāng)澆注溫度為 1 700 ℃ 時(shí)，凝固組織基本為等軸晶.隨著澆注溫度的升高，柱狀晶區(qū)開始出現(xiàn)并變得越來越明顯.這是因?yàn)楫?dāng)拉錠速度保持不變時(shí)，結(jié)晶器的冷卻能力是固定的.隨著澆注溫度的升高，熔體的過冷度降低，從而導(dǎo)致形核數(shù)量減少，柱狀晶體的生長不再受到抑制.同時(shí)也表明，隨著澆注溫度的升高，平均晶粒半徑逐漸增大.

(a)1 700 ℃；(b)1 800 ℃；(c)1 900 ℃；(d) 2 000 ℃圖15 不同澆注溫度下相同位置處的TA10鈦合金橫截面晶粒組織Fig.15 Cross-sectional grain structure of TA10 titanium alloy at the same position at different pouring temperatures

為了研究拉錠速度對TA10鈦合金扁錠凝固組織的影響，將澆注溫度控制在 1 800 ℃，拉錠速度分別設(shè)定為1×10-4m/s、2×10-4m/s、2.844×10-4m/s 和3×10-4m/s.圖16為TA10鈦合金在不同拉錠速度下在相同位置的橫截面晶粒結(jié)構(gòu)對比.從圖16中可以看出，當(dāng)拉錠速度為1×10-4m/s 時(shí)，凝固組織基本為等軸晶.隨著拉錠速度的提高，柱狀晶粒區(qū)開始出現(xiàn)并變得越來越明顯.這是因?yàn)楣潭沧囟龋?dāng)結(jié)晶器冷卻能力一定時(shí)，增加拉錠速度會導(dǎo)致熔體的冷卻時(shí)間縮短，從而導(dǎo)致熔體過冷度下降，促使形核數(shù)量減少，柱狀晶體的生長不再受到抑制.同樣地，從圖可知：平均晶粒半徑隨著拉錠速度的增加而逐漸增大.

(a)1×10-4 m/s；(b)2×10-4 m/s；(c)2.844×10-4 m/s；(d)3×10-4 m/s圖16 不同拉錠速度下相同位置處的TA10鈦合金橫截面晶粒組織Fig.16 Cross-sectional grain structure of TA10 titanium alloy at the same position with different drawing speeds

綜上，降低拉錠速度或澆注溫度可以細(xì)化鈦錠的晶粒.同時(shí)，可得到組織均勻鈦錠的工藝范圍：當(dāng)拉錠速度為為1.0×10-4m/s 時(shí)，澆注溫度在 1 700～1 800 ℃ 范圍內(nèi)可獲得組織均勻的TA10鈦合金扁錠.

4 結(jié) 論

本文通過建立鈦合金傳熱模型和CAFE模型，應(yīng)用Procast模擬軟件并結(jié)合二次開發(fā)編程，研究了結(jié)晶器尺寸對TA10鈦合金熔池形貌的影響，以及凝固過程中工藝參數(shù)對溫度場和鑄錠凝固組織的影響.獲得了如下主要結(jié)論：

1)當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)長超過 650 mm 時(shí)，熔池形貌不再變化，該長度是結(jié)晶器的有效冷卻長度；提高結(jié)晶器內(nèi)長內(nèi)寬比有助于減低熔池深度從而提高鑄錠質(zhì)量；當(dāng)結(jié)晶器高度大于 350 mm 時(shí)，熔池形貌保持不變，該長度為結(jié)晶器的有效冷卻高度；結(jié)晶器壁厚對熔池形貌影響不大.

2)對TA10鈦合金扁錠在不同工藝參數(shù)下的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果表明：提高拉錠速度和澆注溫度會使熔池變深，過渡區(qū)長度也會增加，但澆注溫度對過渡區(qū)的影響遠(yuǎn)小于拉錠速度.

3) 對TA10鈦合金扁錠在不同工藝參數(shù)下的凝固組織進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果表明：隨著拉錠速度和澆注溫度的提高，柱狀晶區(qū)變得越來越明顯，晶粒數(shù)量逐漸減少，平均晶粒半徑逐漸增大.當(dāng)拉錠速度為1.0×10-4m/s 時(shí)，澆注溫度在 1 700～1 800 ℃ 范圍內(nèi)可獲得組織均勻的TA10鈦合金扁錠.