钛合金因其优异的比强度、耐侵蚀性和生物相容性，，，，，，，在航空航天、生物医疗等领域中占有主要职位[1-7]。。。。。。。。特殊是钛合金具有优异的高温稳固性和耐侵蚀性能，，，，，，，使其即便在面临极端情形时依然能展现出优异的力学性能和可靠性。。。。。。。。只管钛合金具有重大潜力，，，，，，，其商业应用仍受到生产限制。。。。。。。。高生产本钱和低产量是制约其进一步推广的主要障碍，，，，，，，这些问题的爆发，，，，，，，源于生产历程中为实现钛合金所需的特定质料性能，，，，，，，须依赖重大的生产装备、制造工艺以及手艺支持[8]。。。。。。。。因此，，，，，，，迫切需要立异的要领来提高钛合金生产的效率和本钱效益，，，，，，，生产工艺的前进关于钛合金质料的应用至关主要。。。。。。。。

连铸是一种将熔融金属凝固成坯料、方坯或板坯的工艺，，，，，，，已成为金属工业生产的主要组成部分。。。。。。。。与古板铸造要领相比，，，，，，，连铸提供了多项优势，，，，，，，如提高质料使用率、降低生产本钱和提升产品质量。。。。。。。。在钛合金生产领域，，，，，，，连铸为战胜低产量和高本钱的挑战提供了一个有希望的途径[9-10]。。。。。。。。然而，，，，，，，钛合金属于生动金属质料，，，，，，，无法在大气情形、氧化物坩埚中举行高清洁熔炼。。。。。。。。随着生产手艺的前进，，，，，，，现在可通过电子束冷床熔炼要领，，，，，，，对钛合金举行一连熔炼，，，，，，，再将钛液浇注于结晶器中，，，，，，，通过抽拉的要领实现一连铸造。。。。。。。。只管云云，，，，，，，目今关于对钛合金一连铸造工艺的研究有限，，，，，，，亟需更细腻的工艺控制和组织控制的科学明确。。。。。。。。ProCAST是一款铸造和凝固历程模拟软件，，，，，，，在合金质料的开发和优化中施展着主要作用。。。。。。。。其能力规模扩展到展望温度场、微观结构演变和机械性能，，，，，，，这些是合金连铸中的要害因素[11-15]。。。。。。。。该软件的先进建模手艺允许对种种工艺参数举行虚拟实验，，，，，，，提供通过物理试验难以或本钱高昂获得的洞察。。。。。。。。模拟盘算效果的准确性已通过与实验数据的比照验证，，，，，，，确立了其在展望现实天下效果中的可靠性[16-18]。。。。。。。。使用有限元盘算，，，，，，，研究职员可以探索钛合金连铸的重大性，，，，，，，优化工艺参数，，，，，，，并降低生产相关的危害[19-21]。。。。。。。。因此使用有限元剖析研究合金铸造工艺，，，，，，，关于推进对钛合金连铸工艺的明确和应用至关主要。。。。。。。。

综上，，，，，，，本研究使用数值仿真手艺，，，，，，，团结实验验证，，，，，，，对TA2钛合金电子束连铸工艺举行数值模拟，，，，，，，重点研究抽拉速率、过热度等连铸工艺对温度场转变、缩孔形成以及宏观组织特征、晶粒尺寸的影响。。。。。。。。通过深入剖析模拟效果，，，，，，，为钛合金连铸工艺的优化提供科学依据，，，，，，，推动钛合金铸造手艺的生长和应用。。。。。。。。

1、实验及模拟要领

1.1铸坯质料与模子建设

选用TA2钛合金开展电子束一连熔凝实验，，，，，，，其因素如表1所示。。。。。。。。图1为连铸钛合金铸坯模子及网格划分，，，，，，，水冷铜结晶器内腔尺寸为1584mm×243mm×600mm，，，，，，，铸坯抽拉长度4m，，，，，，，引锭板尺寸1584mm×243mm×100mm。。。。。。。。接纳周围体网格对模子举行划分，，，，，，，网格尺寸20mm，，，，，，，共划分368511个单位。。。。。。。。

表 1 TA2 钛合金化学因素（atomic fraction/%）

CAFE？？？？？？？？榻幽蒁andin提出的一连形核模子，，，，，，，在给定的某一过冷度ΔT下，，，，，，，液相凝固时的晶粒密度可通过下式盘算：

式中，，，，，，，形核密度由下式获得：

式中，，，，，，，ΔT_N为平均形核过冷度，，，，，，，ΔT_σ为形核过冷度标准方差；；；；；；；n_max为正太漫衍从0到∞积分获得的最大形核密度。。。。。。。。

接纳KGT模子盘算凝固历程中晶粒的长大，，，，，，，枝晶尖端的总过冷度表达式为：

式中，，，，，，，Δ_T为枝晶尖端的总过冷度；；；；；；；ΔT_c、ΔT_t、ΔT_k、ΔT_r划分为溶质扩散、热扩散、动力学、曲率半径的过冷度。。。。。。。。在此基础上，，，，，，，Kura等提出的KGT模子更切合要求，，，，，，，其表达式为：

式中，，，，，，，α₂，，，，，，，α₃划分为拟合多项式的生长系数。。。。。。。。

1.2界线条件设置

1.2.1质料参数

TA2因素输入ProCAST质料数据库中，，，，，，，通过相图盘算以嘉拷寮相关文献获得质料的密度、热导率、热焓、熔点等质料物理参数[17,22]，，，，，，，选择Shell模子举行盘算，，，，，，，盘算获得的主要物理参数如表2和图1所示。。。。。。。。

表 2 TA2 合金主要物理参数

1.2.2界线设置

由于钛化学性子生动，，，，，，，熔炼时通常接纳水冷铜模作为坩埚质料，，，，，，，本文试验中使用的是水冷铜结晶器，，，，，，，结晶器与铸坯之间的换热系数设置为3000W/(m2·K)；；；；；；；结晶器外外貌换热系数设置为3000W/(m2·K)[17]。。。。。。。。钛合金的铸造必需包管优异的真空度，，，，，，，因此钛合金的连铸历程无法和钢铁连铸一样在抽拉出结晶器后举行淬火处置惩罚。。。。。。。。本研究整个连铸历程在室温氩气；；；；；；；さ奶跫下举行，，，，，，，通过提高氩气流速的要领提高铸坯脱离结晶器后的换热系数，，，，，，，当铸坯拉至结晶器下端出口处时，，，，，，，铸坯于氩气接触近似为高流速的空气冷却换热系数设置为100W/(m2·K)。。。。。。。。其余界线条件如表3所示。。。。。。。。

表 3 界线条件设置

1.3工艺计划设计

为探讨过热度和抽拉速率对TA2合金连铸铸坯质量的影响，，，，，，，设计了50、100、150和200℃4个过热度及1、5和10cm/min3种抽拉速率，，，，，，，工艺计划如表4所示。。。。。。。。

表 4 连铸工艺计划

2、凝固组织模拟验证

为验证盘算晶粒尺寸模子设置的合理准确性，，，，，，，凭证计划2#的工艺条件拉出铸坯料，，，，，，，并在距离结晶器下出口2m处举行切断，，，，，，，选取断面中心处区域举行丈量统计出晶粒的平均尺寸，，，，，，，以此作为钛合金连铸铸坯的现实晶粒尺寸。。。。。。。。如图2a所示，，，，，，，铸坯断面中心为等轴晶区，，，，，，，平均晶粒尺寸为1.77cm；；；；；；；如图2b所示，，，，，，，模拟组织与TA2现实连铸铸坯形貌相似，，，，，，，通过丈量中心等轴晶区晶粒尺寸，，，，，，，平均晶粒巨细1.68cm。。。。。。。。模拟盘算效果与现实晶粒尺寸误差为5.1%，，，，，，，这一误差可能是现实拉拔历程中，，，，，，，换热系数会受多因素的影响爆发波动所致，，，，，，，且误差值处于可接受误差区间内。。。。。。。。因此，，，，，，，本文以为ProCAST的CAFE？？？？？？？？槟芄蛔既纺Ｄ獬鯰A2在连铸历程中获得的晶粒组织。。。。。。。。

3、实验效果及讨论

3.1抽拉速率对铸坯质量的影响

对差别抽拉速率下温度场趋于稳固时的样品中心部位举行切片研究。。。。。。。。如图3a~c所示，，，，，，，抽拉速率的转变对铸坯在连铸历程中内部温度场的影响显著。。。。。。。。随抽拉速率增添，，，，，，，高温区面积显着增添，，，，，，，熔体的最低液相线位置也随着抽拉速率的提高泛起下移趋势。。。。。。。。值得注重的是，，，，，，，当抽拉速率抵达10cm/min时，，，，，，，液相线位置已经大部分泛起于结晶器下出料口。。。。。。。。这是由于抽拉速率过快，，，，，，，熔体无法实时在结晶内结晶，，，，，，，而钛合金连铸因无法举行二冷区水淬，，，，，，，换热系数显着下降，，，，，，，凝固速率也随之显着降低，，，，，，，进而泛起图3b和c中铸坯脱离结晶器后内部高温区扩大的征象，，，，，，，最终导致凝固组织晶粒粗化且组织形态不匀称。。。。。。。。因此，，，，，，，本文以为在1815℃浇注温度下举行连铸，，，，，，，抽拉速率不应高于10cm/min，，，，，，，不然连铸历程会保存漏液的危害。。。。。。。。

图3d~f为差别抽拉速率铸坯的缩孔漫衍图以及使用ProCAST软件自带的统计功效盘算出的缩孔率。。。。。。。。效果显示连铸历程中的缩松缩孔主要泛起在铸坯的头部(贴近引锭板端)和边沿区域，，，，，，，团结固化率漫衍图对这种征象举行剖析。。。。。。。。图4为连铸初期以及稳固抽拉阶段的的流场漫衍。。。。。。。。连铸最先时由于熔液刚浇注到结晶器内，，，，，，，溶液与结晶器各外貌举行接触，，，，，，，此阶段近似于浇注成型，，，，，，，因此内部会泛起大宗的缩孔；；；；；；；而随着连铸历程的一连举行，，，，，，，结晶器内温度场逐渐区域稳固，，，，，，，如图4b所示，，，，，，，熔液刚进入到结晶器中就最先凝固，，，，，，，在这个一连浇注再凝固的历程中，，，，，，，缩孔的形成获得有用抑制，，，，，，，这也切合一连铸造工艺能够显著降低缩松缩孔的特点[23-25]。。。。。。。。

别的，，，，，，，从图3d~f还能视察到，，，，，，，随着连铸抽拉速率的提高，，，，，，，坯料的缩孔数目也在显著增添。。。。。。。。通过盘算效果显示，，，，，，，当抽拉速率从1cm/min提升到5cm/min时，，，，，，，缩孔率从0.84%增至1.09%，，，，，，，仅提升0.25%；；；；；；；而当抽拉速率从1cm/min提升到10cm/min时，，，，，，，缩孔率则从0.84%提升到2.01%，，，，，，，上升幅度达1.17%。。。。。。。。由此可见，，，，，，，提高抽拉速率虽然能够提高生产效率、降低生产本钱，，，，，，，但会牺牲铸坯质量。。。。。。。。因此现实生产中还需团结抽拉速率对微观组织的影响确定抽拉速率。。。。。。。。

3.2抽拉速率对凝固组织的影响

图5和6为差别抽拉速率下钛合金铸坯横截面和纵截面的凝固组织，，，，，，，盘算出的晶粒巨细如表5所示。。。。。。。。效果显示，，，，，，，随着抽拉速率的增添，，，，，，，铸坯晶粒的巨细逐渐增添，，，，，，，这与3.1节温度场的剖析相吻合，，，，，，，抽拉速率过快会导致熔体不可实时的凝固，，，，，，，进而使得合金组织粗化。。。。。。。。不过抽拉速率对晶粒巨细的影响并不显着，，，，，，，即便将抽拉速率从1cm/min提升到10cm/min，，，，，，，晶粒尺寸也仅粗化了7.3%。。。。。。。。但值得注重的是，，，，，，，1cm/min抽拉速率下铸坯中心等轴晶粒的巨细较5cm/min抽拉速率的铸坯组织晶粒更细，，，，，，，图5和6中可以视察到，，，，，，，当抽拉速率提升至10cm/min时，，，，，，，组织的漫衍匀称性较1和5cm/min的抽拉速率下的铸坯组织越发杂乱，，，，，，，断面组织的中心区泛起大宗粗大的柱状晶粒，，，，，，，导致该区域的组织漫衍非；；；；；；Ｔ勇遥，，，，，，这种晶粒漫衍情形会对合金质料的性能造成倒运影响。。。。。。。。

综上所述，，，，，，，随着抽拉速率的增添，，，，，，，连铸铸坯凝固组织的晶粒尺寸会有小幅度增添，，，，，，，但当抽拉速率过快后，，，，，，，铸坯无法再结晶内实时完全的凝固，，，，，，，导致铸坯中心形成大面积粗大的柱状晶，，，，，，，严重影响凝固组织的匀称性，，，，，，，同时还会使铸坯内部缩孔严重，，，，，，，对合金的性能带来倒运影响。。。。。。。。因此，，，，，，，抽拉速率不宜过高，，，，，，，当抽拉速率抵达5cm/min时，，，，，，，缩孔率仅有1.09%，，，，，，，晶粒直径也只有1.68cm，，，，，，，综合思量到降低生产本钱、提高生产效率，，，，，，，研究效果批注，，，，，，，接纳~5cm/min是科学合理的TA2合金电子束连铸铸坯的抽拉速率。。。。。。。。

表 5 差别抽拉速率铸坯平均晶粒直径

3.3过热度对铸坯质量的影响

图7a~d为差别过热度下连铸后的温度场。。。。。。。。当过热度以50℃为梯度递增时，，，，，，，高温区长度与面积没有显着转变，，，，，，，所有工艺均能使铸坯在结晶器区域完全凝固。。。。。。。。从图7a可以发明，，，，，，，以50℃过热度举行浇注时，，，，，，，结晶器内险些没有红色的液相区，，，，，，，批注熔体险些在进入结晶时就最先凝固，，，，，，，但这种凝固行为可能会影响连铸的一连性，，，，，，，导致连铸铸坯内部泛起孔隙。。。。。。。。而当过热度从50℃提高到100℃时，，，，，，，如图7b所示，，，，，，，结晶器顶部泛起了显着的液相区，，，，，，，此时的凝固行为更具一连性，，，，，，，同时高温区也泛起出显着下移的趋势。。。。。。。。当过热度继续增添时，，，，，，，如图7b~d所示，，，，，，，铸坯中心温度场漫衍基本坚持一致。。。。。。。。

如图7e~h所示，，，，，，，随着过热度提高，，，，，，，缩孔的数目泛起出下降趋势，，，，，，，凭证盘算出的缩孔率，，，，，，，拟合获得TA2合金电子束连铸熔体过热度与缩孔率的关系图，，，，，，，如图8所示。。。。。。。。其转变趋势与温度场剖析效果相吻合。。。。。。。。当过热度仅为50℃时，，，，，，，连铸历程的一连性受到影响，，，，，，，其缩孔率(1.31%)显着高于其他工艺计划。。。。。。。。当过热度大于100℃时，，，，，，，缩孔率降低效果呈逐渐削弱，，，，，，，过热度从100℃增添到200℃，，，，，，，其缩孔率仅降低0.15%；；；；；；；而过热度从150℃增添到100℃，，，，，，，其缩孔率显着降低了0.22%。。。。。。。。

3.4过热度对凝固组织的影响

图9和10为抽拉速率5cm/min时，，，，，，，差别浇注过热度下，，，，，，，TA2合金连铸铸坯模拟盘算出的晶粒宏观组织图。。。。。。。。效果显示，，，，，，，随着过热度增添，，，，，，，铸坯组织呈等轴晶形貌，，，，，，，未发明显着柱状晶区域，，，，，，，漫衍特征没有显着转变，，，，，，，批注提高过热度不会和提高抽拉速率那样导致合金组织变得不匀称。。。。。。。。同时，，，，，，，随着过热度的提高，，，，，，，等轴晶粒尺寸有所增添，，，，，，，通过统计盘算获得差别过热度铸坯的平均晶粒直径，，，，，，，如表6所示。。。。。。。。

表 6 差别过热度连铸铸坯平均晶粒直径

对该效果举行数值拟合，，，，，，，如图11所示，，，，，，，过热度与晶粒尺寸形成近似于线性的增添关系，，，，，，，每当过热度提高50℃，，，，，，，晶粒平均直径增添1.9mm，，，，，，，晶粒尺寸展望公式如图11所示。。。。。。。。

综上，，，，，，，随着过热度的提高，，，，，，，TA2合金电子束连铸铸坯组织的平均晶粒尺寸爆发纪律性粗化，，，，，，，过热度从50℃提高到200℃时，，，，，，，平均晶粒尺寸从1.51cm粗化到2.07cm，，，，，，，增添了37.1%。。。。。。。。关于TA2钛合金而言，，，，，，，通常希望获得更细化的晶粒尺寸，，，，，，，但前文研究中批注，，，，，，，提高过热度又能起到降低缩孔的作用，，，，，，，如图6所示，，，，，，，当过热度从50℃提高到100℃后，，，，，，，缩孔体积分数有着显着降低，，，，，，，而随着熔体温度继续提升，，，，，，，降低缩孔效果逐渐削弱。。。。。。。。因此，，，，，，，团结细化效果和能耗等综合考量，，，，，，，TA2钛合金在连铸历程中过热度应控制在~100℃。。。。。。。。

4、结论

(1)随着抽拉速率的提升铸坯内部的缩孔显着增添，，，，，，，晶粒直径尺寸也会有微弱的增添，，，，，，，加上定量化数据；；；；；；；并且当抽拉速率过快时，，，，，，，由于冷却速率不匀称，，，，，，，在铸坯内部形成显着的柱状晶区，，，，，，，增添了合金的各项异性。。。。。。。。(2)随着熔体过热度的提高，，，，，，，能够有用降低铸坯内部的缩孔率，，，，，，，加上定量化数据，，，，，，，可是晶粒直径尺寸会泛起显着的粗化，，，，，，，每当过热度提高50℃晶粒尺寸将提高1.9mm。。。。。。。。

(3)综合考量连铸坯锭内部缩孔率、凝固组织平均晶粒尺寸和生产效率3个因素，，，，，，，本事情以为抽拉速率为~5cm/min，，，，，，，过热度~100℃时，，，，，，，为优化的TA2电子束连铸工艺参数。。。。。。。。

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（注，，，，，，，原文问题：电子束冷床熔炼TA2钛合金铸坯缩孔及凝固组织数值）

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