TC11钛合金[名义化学因素 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si]是一种综合性能优异的α-β型钛合金质料，，，，，，在500℃下具有优异的热强性能，，，，，，且具有较高的室温强度、优异的热加工工艺性，，，，，，普遍应用于航空发念头压气机的零部件，，，，，，如叶片、轴类、鼓筒等。。。。。优质航空钛合金铸锭的工业化生产以真空自耗电弧熔炼[VAR]为主，，，，，，但由于熔炼及凝固历程中温度场漫衍不均，，，，，，铸锭易爆发元素因素、组织不匀称等缺陷问题。。。。。TC11钛合金元素偏析可能导致锻棒低倍白亮块等缺陷，，，，，，从而影响锻件性能。。。。。；；；；；；；竦靡蛩刈既贰⒌推龆取⒆橹瘸频闹枰鲜实娜哿豆ひ绽窗。。。。。工业级真空自耗熔炼是电磁场、流场、温度场等多物理场相互作用的历程，，，，，，熔炼历程中熔池的形状、深度及温度场、元素因素漫衍等是影响铸锭质量的要害因素。。。。。但在现实生产历程中熔炼的可视化水平低，，，，，，无法预判，，，，，，若接纳古板的试错法举行研究则保存生产本钱高、周期长的问题。。。。。

接纳数值模拟手艺对真空自耗电弧熔炼历程举行建模与模拟，，，，，，可以对熔炼历程直观地举行视察，，，，，，有用展望工艺参数对铸锭质量的影响，，，，，，极大地镌汰试验次数，，，，，，缩短研发周期，，，，，，降低研发本钱，，，，，，为现实生产提供主要的指导。。。。。近年来，，，，，，海内外学者多接纳数值模拟要领研究VAR工艺历程的温度场、电磁场对铸锭的影响6-7。。。。。杨治军等8接纳数值模拟研究Ti-1023合金铸锭在差别参数下的电磁场、温度场和流场漫衍。。。。。KARIMI-SIBAKI等模拟了真空自耗历程中电磁场、温度场的漫衍及熔池形状的演变。。。。。而TC11钛合金熔炼历程中温度场、元素的浓度场漫衍的模拟研究及试验验证鲜有报道。。。。。

针对上述问题，，，，，，本文使用宝钢中央研究院自主开发的特种熔炼专用模拟软件[BMPS-VAR及BMPS-ESR][]，，，，，，研究了Φ760 mm规格的TC11钛合金铸锭的真空自耗电弧熔炼历程，，，，，，探索差别熔炼阶段、熔池形状和元素因素漫衍，，，，，，并团结现实熔炼铸锭验证了相关模拟效果的可靠性，，，，，，为现实生产真空自耗熔炼TC11钛合金工业化大型铸锭、制订熔炼工艺提供参考。。。。。

1、模拟用数学物理模子

盘算接纳的TC11钛合金质料的基本物性参数见表1，，，，，，主要元素的凝固平衡分派系数见表2，，，，，，VAR历程相关的参数见表3。。。。。在模拟历程中接纳的熔炼电流随时间转变的动态参数曲线如图1所示，，，，，，该曲线专为本次试验而制订，，，，，，非工业生产用参数。。。。。在VAR熔炼历程中熔炼电流的巨细会造成熔池内的流动爆发转变，，，，，，并对温度场爆发影响[11-12]。。。。。

表1 TC11钛合金物性参数

表2主要元素凝固平衡分派系数K

表3 VAR熔炼历程参数

2、模拟效果剖析

2.1差别熔炼阶段温度场模拟效果

图2为TC11钛合金在VAR历程差别阶段的温度场漫衍转变图。。。。。图2[a]为t=80min的温度场模拟效果，，，，，，此时熔化的金属较少，，，，，，坩埚底部的熔体爆发凝固，，，，，，温度降低。。。。。当熔炼举行到160 min时[图2[b]]，，，，，，铸锭高度增添，，，，，，熔池顶部高温区温度可达2000℃，，，，，，在冷却水的作用下坩埚底部温度逐渐降低，，，，，，与 t=80 min时刻相比，，，，，，此时温度场已爆发较为显着的转变。。。。。由于熔池中部远离结晶器壁，，，，，，热量积累最为显着，，，，，，故在统一横截面内，，，，，，中心温度高于边沿。。。。。之后的熔炼历程中，，，，，，液相金属与结晶器壁的接触面积逐步增大，，，，，，热量通过冷却水带走。。。。。图2[c]显示，，，，，，t=320 min时，，，，，，大宗热量通过坩埚壁散失，，，，，，凝固历程进入稳固状态，，，，，，铸锭温度降低。。。。。t=490min时[图2[d]]，，，，，，真空自耗熔炼竣事，，，，，，铸锭进入真空冷却阶段，，，，，，铸锭温度逐步降低。。。。。

2.2熔池形状模拟效果

图3显示TC11钛合金VAR历程中液相体积分数漫衍的盘算效果，，，，，，红色区域体现液相区，，，，，，蓝色为凝固区，，，，，，其中，，，，，，液相区的形状反应了VAR历程中的熔池形状，，，，，，团结图2剖析可知，，，，，，熔池形貌随温度场转变，，，，，，泛起动态演变历程。。。。。图3[a][t=80 min]为熔池建设期，，，，，，形成“碗”状的浅熔池。。。。。在熔炼时间为160 min时[图3[b]]，，，，，，此时通过坩埚散发的热量仍小于金属液体凝固时释放的热量，，，，，，热量的积累使得熔池深度增添到800mm，，，，，，熔池呈“U”形。。。。。由于熔池中部热量积累最为显着，，，，，，故在中心轴线偏向的深度增添最快，，，，，，熔池形状由“U”形逐渐酿成“V”形，，，，，，如图3[c]所示[t=240min]，，，，，，熔池最大深度约为1000mm。。。。。t=320min时铸锭已进入补缩阶段[图3[d]]，，，，，，液相区的纵向长度缩短，，，，，，熔炼电流减小，，，，，，熔速也逐渐减小，，，，，，金属熔池体积逐渐缩短，，，，，，此阶段可能爆发缩孔，，，，，，因此，，，，，，通过熔炼工艺控制熔池深度显得尤为主要。。。。。当熔池完成热封顶阶段时，，，，，，铸锭已凝固成型，，，，，，但仍有少量合金熔池并未完全凝固。。。。。t=490 min时[图3[e]]，，，，，，铸锭进入冷却阶段，，，，，，液相区的纵向长度逐渐缩短，，，，，，t=520 min时铸锭液相区消逝[图3[f]]。。。。。

2.3元素因素漫衍模拟效果

图4为真空自耗熔炼φ760mmTC11钛合金 铸锭的元素因素(质量分数)漫衍模拟效果。。。。。其 元素因素漫衍纪律如图中所示，，，，，，图4(a)显示Al 元素(K=1．070，，，，，，如表2所示)含量在边部和底部 偏高，，，，，，纵向中心处较低，，，，，，呈负偏析纪律;Mo元素呈 现相同负偏析纪律(图4(b));图4(c)显示O元 素略显负偏析漫衍，，，，，，列位置因素质量分数差值较 小;Fe元素漫衍(图4(d))与Al元素相反，，，，，，呈正 偏析纪律，，，，，，在铸锭边部质量分数为0．142%～ 0．148%，，，，，，纵向中心处为0．160%～0．162%，，，，，，即在 边部和底部含量低，，，，，，中心部含量高;Si、Zr元素同 样泛起正偏析纪律，，，，，，划分如图4(e)～(f)所示。。。。。 各元素在铸锭头部的偏析区形状呈“碗”形，，，，，，纵向 中心长度约为110mm。。。。。用元素在铸锭截面漫衍 中的最大值与最小值之差表征元素熔炼的匀称程 度，，，，，，差值小则说明熔炼历程对偏析控制较好。。。。。元 素差值与该元素的设计因素之比体现该元素在熔炼中的易控制水平，，，，，，盘算效果如图5所示，，，，，，Fe和 Si的差值比相对较大，，，，，，划分为0．203和0．144，，，，，，为 TC11钛合金中易爆发偏析的两种元素。。。。。TC11钛合金中Al元素与O元素的偏析易造成拉伸、冲 击时爆发脆性断裂［13］，，，，，，由平衡分派系数及熔炼模 拟效果来看，，，，，，Al与O元素的偏析倾向性较低。。。。。

3、试验验证

依据VAR数值模拟效果，，，，，，将铸锭熔炼竣事前的熔池深度及偏析元素在铸锭头部集中漫衍区域作为Φ760mm铸锭切头位置的参考数据，，，，，，且综合思量铸锭成材率，，，，，，建议切头深度为110mm。。。。。为验证VAR历程模拟效果的可靠性，，，，，，接纳与熔炼模拟历程中相同的工艺举行直径为760mm的TC11钛合金铸锭的真空自耗电弧冶炼试验，，，，，，效果发明，，，，，，铸锭外观质量优异。。。。。沿铸锭中心纵向举行切割并视察铸锭内部质量[图6]，，，，，，由图可知，，，，，，位于铸锭头部112mm的位置爆发缩孔。。。。？？？？？杉挡庑Ч肽Ｄ馀趟愕男Ч疽恢，，，，，，说明该数值模子能够为TC11钛合金熔炼提供效果展望及理论支持。。。。。

4、结论

[1]接纳BMPS-VAR模拟软件对TC11钛合金VAR历程差别阶段的温度场举行模拟。。。。。真空自耗熔炼的熔炼电流、电压等参数影响熔池的温度梯度，，，，，，进而影响金属熔池的形状，，，，，，熔池形状由初期的“碗”形到中期的“U”形，，，，，，再到“V”形转变。。。。。

[2]通过熔炼模拟可以展望TC11钛合金VAR历程的元素偏析，，，，，，从因素漫衍纪律来看，，，，，，Al、Mo、0元素在铸锭边部和底部的含量偏高，，，，，，纵向中心处较低，，，，，，泛起负偏析纪律;Fe、Si、Zr元素在边部和底部含量低，，，，，，纵向中心处较高，，，，，，呈正偏析纪律。。。。。

[3]通过比照模拟与试验验证效果，，，，，，验证了熔炼模拟的准确性。。。。。该真空自耗熔炼模拟手艺可在制品锭切头距离展望、锭熔池深度展望、易偏析元素在铸锭中的漫衍等领域应用，，，，，，进而为真空自耗熔炼工业级大型铸锭质量提升、工艺参数优化及元素偏析展望提供理论支持。。。。。

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（注，，，，，，原文问题：真空自耗熔炼的数值模拟在TC11钛合金产品中的应用）

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