Incoloy800高温合金板坯连铸传热凝固和应力的模拟研究

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Incoloy800高温合金是一种铁基合金,具有较高的高温强度,同时具有良好的抗氧化性能、抗渗碳性能和抗渗硫性能,是一种通用的工程合金。对于高温合金的连铸技术国内尚未研制成熟和投入生产,由于国外对我国进行了技术保密,而我国对高温合金的需求量也在不断加大,高温合金的连铸技术的开发已经成为现阶段研究高温合金的重要任务。由于高温合金的特殊的力学性能,在连铸过程中,容易产生裂纹,本文通过建立高温合金板坯连铸模型,根据高温合金的材料属性,模拟了高温合金连铸凝固过程的温度场和应力场。本文首先介绍了高温合金的发展和应用、Incoloy800合金的特性以及高温合金连铸技术的发展情况,分析了铸坯裂纹的种类和产生机理。根据高温合金的材料成分以及实验测得的物性参数,结合ProCAST的热力学模型,计算、建立了Incoloy800合金高温热物性和高温力学性能数据库。建立了高温合金连铸凝固过程三维传热数学模型和弹塑性本构方程,利用有限元方法对铸坯进行了热-力耦合求解。基于ProCAST商业软件,利用MiLE法和二次开发程序进行了仿真计算,考察了连铸过程相关工艺参数对温度和应力的影响。研究表明:(1)二冷换热系数加大,铸坯的冷却强度变大,降温更快,将导致回温加大,可能导致裂纹的产生。拉速越大,液相穴深度越大,坯壳厚度变薄,容易导致铸坯拉断以及裂纹的产生。在对高温合金连铸坯传热凝固过程的模拟中,有必要考虑气隙的影响。(2)高温合金连铸坯下端容易产生表面横向裂纹,在角部附近容易产生表面纵向裂纹和角部裂纹。二冷区的换热系数越大,等效应力越大。拉速对等效应力的影响较复杂,有待在试验和实践中进一步探究。对于高温合金,有必要根据铸坯凝固收缩规律对结晶器锥度进行优化设计。(3)利用热裂指数对铸坯裂纹倾向性进行了预测。对于高温合金连铸坯,其角部和窄面附近是铸坯容易产生裂纹的敏感部位。应力或者温度分布都不能很好的作为裂纹发生的判据。
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