电子束冷床熔炼大型钛合金(Ti-6%Al-4%V)板坯的铝元素偏析控制数值模拟研究

建立验证了三维多物理场耦合数值模型,研究了电子束冷床熔炼(EBCHM)大尺寸TC4(Ti-6%Al-4%V)钛合金板坯中铝元素的偏析控制机制。定性预测了不同铸造条件下铝元素在熔炼区和凝固区的宏观偏析趋势。结果表明,由于溢流口附近熔池形状的纵向演变趋势,拉锭速度增加对铝元素偏析控制的影响很小。降低液面温度是限制铝元素蒸发损失、控制铝元素偏析的有效方案。对于拉锭速度为8 mm/min的EBCHM过程,随着液面温度从2273 K降至2073 K,熔池中铝元素偏析度φl从0.78增至0.96,凝固横截面上相应的铝元素偏析程度φc从0.67增至0.93。

TC4钛合金电子束冷床炉凝固过程数值模拟研究

基于实际生产经验,采用数值模拟技术实现对电子束冷床炉TC4钛合金凝固过程可视化监控和分析。利用ProCAST软件建立三维计算模型,结果表明:铸锭的凝固过程包括凝固开始、非稳态凝固和稳态凝固3个阶段,阐明了不同凝固时间下铸锭的温度分布规律及稳态时的特征。重点研究不同浇注温度和拉锭速率对铸锭熔池深度的影响规律。研究为TC4钛合金铸锭生产工艺的优化提供了有益的指导,可促进大规格TC4钛合金扁锭的高质量生产。

大型串联电子束熔炼炉抽真空系统设计研究

针对目前大型串联电子束熔炼炉抽气系统设计选型困难的问题,提出了一套电子束熔炼炉抽气系统设计方法。首先按照真空炉体的气体载荷计算有效抽速,粗选主泵,并用有效抽速和抽真空系统的流导验算主泵的抽速;其次对主泵的前级以及真空炉体的预抽泵进行选型,计算前级泵与预抽泵的抽速;再次计算粗抽时间与抽高真空时间以验证选型的合理性;最后通过试验对设计的电子束熔炼炉系统进行验证。结果表明,所设计的炉体抽真空系统粗抽时间与高真空抽气时间略高于计算时间,极限真空度优于设计要求。该方法计算结果与试验结果具有较高的一致性,可满足类似大型真空熔炼炉的抽真空系统设计需求。

一种电子束熔炼用供料、熔铸拖锭装置研制

电子束熔炼具有高真空、高能量密度、可精准控制等特点,被广泛应用于难熔金属行业。本文依托核工业理化工程研究院电子枪技术和LT102真空装置,设计研制了一套难熔金属电子束熔炼用供料、熔铸拖锭装置。主要阐述了供料、熔铸拖锭装置的设计技术要求,针对难熔金属进行了熔炼功率计算,并对结构设计功能进行了详细介绍。所研制的供料装置具有多工位、换料功能,拖锭装置具备水冷、下拉、旋转功能。最终装配测试的供料、熔铸拖锭装置性能满足设计要求,整体熔炼实验中设备运行良好。

TC4返回料单次电子束冷床炉熔炼厚扁锭工艺研究

由于电子束冷床炉熔炼真空度高,熔炼铸锭的厚度大、截面积大,TC4返回料的形状尺寸不规则布料难度大、成分不均匀,导致TC4钛合金中的Al元素控制困难。研究了TC4返回料在专业化处理后,与海绵钛、Al-V中间合金及Al豆(返回料占原材料总量的50%)在3150 kW电子束冷床炉的单次熔炼工艺,结果表明:熔炼过程中Al元素挥发明显,挥发量为13%~24%(原料与铸锭中铝质量分数之差/原料中铝质量分数)、V元素的质量分数有略微上升。将原料中的Al、V质量分数分别添加到7.5%和4%,并通过合理布料,同时将熔炼速度控制在600 kg/h、炉内真空度为(5~8)×10^(-3)Torr(1 Torr=133.32 Pa),由此所获得的TC4钛合金化学成分均匀性好,成分符合GB/T 3620.1—2016标准的要求。

加工用高纯钒锭的制备工艺研究

鉴于金属钒具有储氢、高温超导、快中子吸收截面小及对液态钠有耐蚀性等特性,市场对金属钒制品的需求不断增加,而这些钒制品必须使用满足要求的高纯钒锭来加工制作,重点从制备原料、工艺原理及流程、生产影响因素等方面对高纯钒锭的研制工艺进行详细阐述。

Inclusions in melting process of titanium and titanium alloys

This paper summarizes melting methods of titanium and titanium alloy, such as vacuum arc melting(VAR) and electron beam cold hearth melting(EBCHM), and the related inclusions formed when using these melting methods. Low-density inclusions are resulted from contamination of air, and high-density inclusions are caused by refractory elements. The formation process of inclusions was analysed. The removal mechanism of different kinds of inclusions was specified. Low-density inclusions are removed mainly by resolving. This is a comprehensive process containing reaction diffusion. The resolving rate of high-density inclusions is so low that these inclusions are mainly removed by sedimentation. The experiments and physical models of inclusions are detailed. In various melting methods, vacuum arc melting is prominent. However, this method cannot remove inclusions effectively, which usually results in repeat melting. Electron beam cold hearth melting has the best ability of removing inclusions. These results can provide instructions to researchers of titanium and titanium alloys.

电子束悬浮区域熔炼炉的高压波动分析及对策

对电子束悬浮区域熔炼炉组成部分及工作原理、工作过程、工作特性进行系统介绍,就目前电子束悬浮区域熔炼炉所出现的高压电源输出功率波动原因进行分析。通过对高压电源系统中的关键部件:三相调压器、高压变压器、高压补偿电容、高压二极管硅堆的工作原理进行分析并对其进行测量,从而判断各高压元器件是否工作正常及产生的输出功率波动。最后通过对衰减的电容检测和受损高压二极管元件进行更换使高压电源系统恢复到稳定的输出功率,保证了电子束悬浮区域熔炼炉的正常运行。

EB炉冷床内钛液流动、传热和挥发行为研究

基于国内某企业3200 kW的双流C型电子束冷床炉(EB炉),建立了钛液流动-传热-凝固-挥发的多场耦合数学模型,理论分析了不同熔炼工艺下初炼和精炼冷床内钛液的冶金行为。结果表明:稳定熔炼过程中,热辐射为热量散失的主要途径,占总散失热量的77.63%,热传导散失的热量占比为22.36%,钛挥发导致的热量损失忽略不计;钛液挥发主要发生于初炼冷床内;相同熔炼功率下,增加熔炼速率可降低初炼冷床内钛液的过热度和挥发速率,当熔炼速率由1000 kg/h增加至2000 kg/h时,钛液的过热度由210 K降低至8 K,最大挥发速率由0.0022 kg/s降低至0.0004 kg/s。

TC4合金电子束冷床熔炼过程中LDI和HDI的去除

通过添加人工夹杂,研究了TC4合金电子束冷床熔炼(EBCHM)过程中LDI和HDI夹杂的溶解和沉淀去除。结果表明,高温下TiN与基体钛之间存在扩散反应,从而使TiN在一定时间内可溶解于基体钛中,尺寸2.5mm的TiN粒子可在1800℃,5min时间内完全溶解消失。氮化的海绵钛粒子和WC粒子在冷床中有足够的时间溶解上浮/下沉,达到完全去除的目的。EBCHM去除LDI和HDI的精炼机制为溶解和密度差作用。

钛及钛合金熔炼技术发展现状

目前生产钛及钛合金铸锭最主要的方法是真空自耗电弧熔炼以及冷床炉熔炼方法。详细介绍了真空自耗电弧熔炼、电子束冷床炉熔炼以及等离子束冷床炉熔炼技术的原理、特点和发展现状。

Ti64合金的电子束冷床熔炼研究(英文)

电子束冷床熔炼工艺作为一种新熔炼技术,可应用于生产航空发动机转动件用优质钛合金和回收残钛。利用500kW电子束冷床熔炼设备,研究了熔炼速度与Ti64合金铸锭化学成分和TiN夹杂溶解速度的关系。熔炼速度分别为70,100,140kg/h时,Al挥发损失分别为22%、16%、12%。经超声探伤,在熔炼电极中加入的TiN夹杂能够全部消除。所熔炼的铸锭外部是均匀的柱状晶粒,心部是细小的晶粒。

电子束冷床熔炼工艺参数对TC4钛合金Al元素挥发的影响

研究不同熔炼工艺参数对电子束冷床熔炼TC4钛合金过程中Al元素挥发的影响规律。结果表明:原料为真空自耗电弧(VAR)一次锭时,二次铸锭经电子束冷床熔炼获得;在轴向上,从铸锭的顶部至底部,Al元素的含量呈下降的趋势,并且随着熔炼速度的降低,其下降趋势更为明显;在径向上,铸锭的元素分布均匀。熔速为100 kg/h时,铸锭成分控制效果最佳,最接近TC4合金的名义成分。初始原料为电极块(添加单质Al)时,Al元素在原料熔化阶段发生较严重的挥发,且挥发量随着原料中单质Al含量的增加而增加。研究凝壳发现,从原料熔化侧至钛液流出侧,凝壳中Al元素的含量逐渐减少。

电子束冷床熔炼参数对熔池表面温度的影响

使用M9100图像高温仪精确测定了TC4合金电子束冷床熔炼时坩埚和冷床熔池表面的温度。结果表明,结果表明,熔炼工艺参数如熔化速度、熔炼功率、电子束扫描方式和扫描频率都会对熔池表面温度产生剧烈影响。

电子束冷床熔炼TC4钛合金连铸凝固过程数值模拟

利用PROCAST有限元软件对电子束冷床熔炼TC4钛合金连铸凝固过程进行数值模拟,研究不同工况条件下的温度场分布规律、熔池形状以及组织分布特征。结果表明:在相同的浇注温度条件下,随着铸造速度的增加,熔池加深,糊状区域变浅,初生枝晶半径和二次枝晶臂间距逐渐增加,凝固组织变得粗大。而在铸造速度相同的条件下,随着浇注温度的提高,过热度增大,熔池加深,糊状区域变浅,合金的晶粒尺寸增大。在本实验条件下,选择铸造速度10 mm/min以及浇注温度1760℃作为最佳工艺参数,这有利于在保证较高生产效率的同时,获得组织细小、冶金质量优良的钛合金铸锭。

电子束冷床熔炼TC4合金温度场模拟

利用ANSYS软件对电子束冷床熔炼TC4钛合金过程进行模拟研究。结果表明:熔体从冷床滴入坩埚之后,主要出现熔体升温、形成稳定熔池、熔体凝固、熔体温度下降和凝固结束这5个阶段。在开始熔炼时,熔体温度较低,升温也比较慢,但随着熔炼的进行,熔体升温加快,并维持在高温状态,最后熔体发生凝固降温,且降温速度很快。降温过程主要分为两个阶段,在快速降温阶段,熔体快速出现部分凝固,而在降温平衡阶段,熔体主要进行补缩。当降温时间达到500 s时,熔体温度基本保持不变。

TC4钛合金电子束冷床熔炼过程中Al元素挥发损失的数学模型

通过对TC4钛合金电子束冷床熔炼过程的热平衡进行计算,确定了熔炼速度与电子束功率之间的关系。建立了数学模型来描述电子束冷床熔炼过程中Al元素的挥发动力学,并利用该模型计算了不同熔炼工艺参数(熔炼速度、初始原料中Al含量)下铸锭中最终Al含量。此外,通过试验来验证该模型,结果表明,该数学模型合理可靠,预测的结果准确可信。

TC4合金的电子束冷床熔炼研究

由于电子束冷床熔炼的高真空引起TC4合金中的Al元素挥发损失,不利于控制铸锭Al含量。本文研究了TC4合金在500 kW电子束冷床炉上的熔炼工艺。结果表明,熔炼过程中,Al的挥发损失最为严重,为12%-22%。铸锭的宏观组织均匀,结晶晶粒为从外向内向上的柱状晶,铸锭心部是等轴晶。所生产的TC4铸锭经锻造加工,棒材力学性能符合国家标准。生产TC4铸锭的合适工艺为：原料中的Al质量分数应控制在7.0%-7.5%,熔炼功率为250 kW,熔化速度为100 kg/h。

熔炼方式对TC17钛合金铸锭化学成分及棒材组织均匀性的影响研究

对比分析一次电子束冷床炉熔炼(EBCHM)加一次真空自耗电弧炉熔炼(VAR)和三次真空自耗电弧炉熔炼生产的φ820 mm TC17钛合金铸锭的化学成分均匀性,以及由这两种铸锭经相同工艺锻造得到的棒材的组织均匀性。结果表明,通过原材料控制和工艺参数设计,两种熔炼方式均可生产出化学成分均匀、杂质含量可控的大规格TC17钛合金铸锭,且EBCHM+VAR工艺在残钛回收方面具有优势;两种工艺得到的铸锭,经相同的锻造工艺可获得组织均匀的棒材,为航空转动件提供材料支撑。

电子束冷床熔炼钛及钛合金的研究进展

随着钛及钛合金在航空航天工程上的需求增加,电子束冷床炉因在消除高低密度夹杂等方面具有独特的优势而获得广泛应用。本文从电子束冷床炉熔炼钛及钛合金的发展到现阶段的实际生产状况,详细介绍了电子束冷床炉的结构、工作原理以及铸锭组织优化,为改进熔炼工艺、合理利用电子束冷床熔炼技术以及工业化生产优质钛及钛合金铸锭提供借鉴。