[发明专利]一种控制高温合金偏析的真空电弧重熔3D模型及控制方法

说明书

本申请涉及真空电弧重熔领域，公开了一种控制高温合金偏析的真空电弧重熔3D模型及控制方法，真空电弧重熔3D模型包括真空电弧重熔高温合金的凝固传热宏观模型、凝固铸锭微观模型和冶炼工艺参数模型；控制方法包括如下步骤：步骤A、建立真空电弧重熔3D模型；步骤B、模拟工艺参数；步骤C、模拟熔炼过程；步骤D、熔炼高温合金。本申请基于真空电弧重熔3D模型，可以将真空密闭的真空电弧重熔冶炼过程转化为可视化操作，并能直观表征出凝固铸锭的宏‑微观组织，制定较为适宜的真空电弧重熔高温合金的冶炼工艺参数，从而降低合金偏析、提高冶金质量，对于冶炼工艺参数的调整匹配、凝固铸锭组织与冶炼质量的把控提供了理论依据与工程指导。

技术领域

本申请涉及真空电弧重熔领域，更具体地说，它涉及一种控制高温合金偏析的真空电弧重熔3D模型及控制方法。

背景技术

目前，高温合金在国防建设和国民经济发展中发挥着举足轻重的作用，是先进地面燃机、航空航天发动机及其它高端制造产业不可或缺的关键材料。高温合金逐渐向大尺寸、高合金化等方向发展，且需要加入Al、Ti、Nb、Co、Mo、Cr、W、Re等十余种强化元素，确保合金具有合适的高温强度、优异的抗高温氧化或腐蚀性能及良好的组织稳定性，但采用的强化元素亦容易导致合金因均质化程度低而形成偏析，致使合金的均匀性与热加工塑性降低，进而严重影响合金的使用寿命和工作性能。

对于控制合金的均质化程度，目前通常采用源头预防的方式，主要是控制冶炼设备、技术及工艺等方法以减少偏析的产生。然而，在高温合金的三联冶炼体系中，真空电弧重熔作为高温合金最终的冶炼工艺，其对于铸锭均质化与冶金质量稳定性控制具有重要影响。

对于真空电弧重熔工艺的控制，目前国外有相关技术采用计算机仿真技术对真空电弧重熔高温合金的冶炼工艺与铸锭质量进行预测与判断，进而通过调整优化工艺参数，控制合金的内部偏析与冶金质量。对此，国外研究人员早已开始搭建真空电弧重熔3D模型，但是真空电弧重熔模拟过程中涉及多维、多相、多尺度及多物理场，求解过程较为复杂，因此目前仅是对真空电弧重熔的某一部分（电极、电弧、凝固铸锭等）进行研究，但未能实现多维、多相、多尺度及多物理场的模拟过程。

对于实现多维、多相、多尺度及多物理场的真空电弧重熔模拟过程，国外研究人员有将此前研发的相关单方面模型通过数据共享方式偶合在一起，形成2D模型的BAR（BasicAxisymmetric Remelting）、2D模型的MeltFlow-VAR以及3D模型的SOLAR（SOLidificationduring Arc Remelting），并通过上述软件实现真空电弧重熔工艺的多维、多尺度及多物理场模拟。如，Patel等人使用BAR软件对真空电弧重熔过程中糊状区内不同位置处温度及流场的变化情况进行实时预测，但是此软件采用粘度系数与常数乘积的方法替代相应的流动模型，导致其不能准确表征真空电弧重熔过程的紊流流动。而MeltFlow-VAR软件采用CFD（Computational Fluid Dynamics）流动模型，弥补了BAR软件的不足，并结合相应的对流传热、凝固、元素分布等模块，有效预测并分析金属熔池的演变与传热、铸锭与结晶器之间的传热损失与电流传导、铸锭中合金元素的浓度分布、局部凝固时间等，但是MeltFlow-VAR软件与BAR软件均为2D模型，在材料物性参数设置方面，仅考虑线性阶段变化，不够全面具体，同时不能表征出合金铸锭的微观组织形貌（晶粒尺寸与取向分布），致使其无法准确预测与把控合金铸锭的偏析与冶金质量。而SOlAR软件与Meltflow-VAR软件具有相似的CFD流动模型，并结合了凝固微观模型、PHYSICA软件及欧拉-欧拉模型等模块，借助“遗传算法”与“迭代算法”的控制思想，对具有连续2次或3次VAR工艺的电极进行不间断的预测，同时实现了铸锭微观组织的3D模拟，如Beaman等人基于SOlAR软件模拟了多次真空电弧重熔对凝固铸锭中氧元素偏析的影响，模拟结果表明多次熔炼可有效改善铸锭顶端氧元素偏析情况等，虽然软件已经立足于3D模型，但其主要用于多次VAR冶炼过程的仿真，且由于真空电弧重熔工艺的模拟过程存在国内外的技术壁垒问题，难以进口至我国国内应用，国内难以了解到国外搭建真空电弧重熔3D模型的详细过程。