【摘 要】
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与传统凝固方式相比,采用电磁悬浮无容器处理技术,能够实现亚稳态金属合金的快速凝固。本研究从电磁悬浮原理出发,探索了电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织形态结构特征的基础变化规律,为研究电磁悬浮条件下材料的微观结构变化提供参考。本研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方式,以Ti-48Al-2Cr合金为研究对象,研究了电磁悬浮对钛铝合金凝固组织影响的原理、电磁悬浮钛铝合金稳定性影响因素、钛铝合金悬浮
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与传统凝固方式相比,采用电磁悬浮无容器处理技术,能够实现亚稳态金属合金的快速凝固。本研究从电磁悬浮原理出发,探索了电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织形态结构特征的基础变化规律,为研究电磁悬浮条件下材料的微观结构变化提供参考。本研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方式,以Ti-48Al-2Cr合金为研究对象,研究了电磁悬浮对钛铝合金凝固组织影响的原理、电磁悬浮钛铝合金稳定性影响因素、钛铝合金悬浮及凝固控制条件的模拟、电磁悬浮条件对钛铝合金显微组织影响试验的研究,主要研究结果如下:（1）电磁悬浮对钛铝合金凝固组织影响的原理研究表明:试样上产生的洛伦兹力和焦耳热效应是实现悬浮和快速熔化的关键;悬浮线圈结构参数、悬浮电流大小、试样质量等因素会对悬浮力的大小产生影响;熔滴凝固过程中交变磁场、表面涡流、较高过冷度和冷却速率能够在一定程度上起到细化晶粒和减小枝晶间距的作用。（2）电磁悬浮钛铝合金稳定性影响因素研究表明:悬浮线圈结构、悬浮电流和试样质量对钛铝合金的悬浮稳定性有影响,悬浮线圈结构为内径20mm的“上二下三”型、悬浮电流为46.6A-52.5A、试样质量为1.2g-1.3g的条件下Ti-48Al-2Cr合金能够在电磁悬浮系统中实现稳定悬浮。（3）钛铝合金悬浮及凝固控制条件模拟研究表明:悬浮电流和试样质量增大时,熔滴温度、洛伦兹力和内部流速随之增大;增大悬浮电流会使熔滴表面形状、流场分布和最终悬浮位置发生改变,增大试样质量则几乎不变;当3.0L/min的He气作为冷却介质时,熔滴从2123K冷却至1757K仅需7.15s左右,He气流量上升为5.0L/min时只需6.53s完全转换成固态,具有较快的凝固速度,模拟结果表明4.5L/min的He气即可实现良好的冷却效果。（4）电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织试验研究结果表明:不同He气流量和试样质量下获得的过冷度范围为221K-252K;无容器凝固的显微组织呈现出典型的α2+γ全片层结构,晶粒形态随着气体流量的增加逐渐细化;有容器凝固的显微组织呈现中心向四周的放射状细密结构;无容器条件下Ti-48Al-2Cr合金片层组织晶粒尺寸随着He气流量上升而减小,通过霍尔-佩奇关系可以推算出Ti-48Al-2Cr合金维氏硬度与晶粒尺寸之间的关系;无容器凝固试样硬度为423.9Hv,相比原样提高了25.7%;有容器凝固试样硬度为544.13Hv,相比原样提高了61.3%。
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