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电磁冷坩埚定向凝固TiAl合金中电磁能优化的研究

作者与机构
本研究由Jieren Yang（西北工业大学凝固技术国家重点实验室；哈尔滨工业大学材料科学与工程学院）、Ruirun Chen（通讯作者，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院）、Yanqing Su、Hongsheng Ding、Jingjie Guo和Hengzhi Fu（均来自哈尔滨工业大学材料科学与工程学院）合作完成。研究成果发表于能源领域期刊《Energy》第161卷（2018年），页码143–155。

学术背景
TiAl（钛铝合金）因其低密度和高温性能，被视为下一代航空发动机涡轮叶片的理想候选材料。然而，传统制备方法易引入化学污染，且难以控制大尺寸铸锭的微观结构。电磁冷坩埚定向凝固（Cold Crucible Directional Solidification, CCDS）是一种无污染、可制备大尺寸TiAl合金的新技术，但其核心挑战在于如何高效利用电磁能（Electromagnetic Energy, EM Energy）。本研究旨在通过优化冷坩埚配置，提升电磁能利用率，从而改善TiAl合金的定向凝固质量和微观结构控制。

研究流程
1. 电磁能利用率评估与数值建模
- 目标：量化电磁能在CCDS中的利用率，建立多物理场耦合模型。
- 方法：基于ANSYS 11.0软件和自主开发的有限元代码，构建三维电磁场和温度场模型。模型考虑了冷坩埚的几何参数（如坩埚高度/直径比、狭缝宽度、壁厚）和功率参数（电流强度、频率）。
- 创新点：提出“均匀性系数（Uniformity Coefficient, u）”评价电磁场分布的均匀性，公式为 ( u = 1 - \sqrt{\sum (B_i - \bar{B})^2 / n} )，其中 ( B_i ) 为离散节点的磁通密度。

1. 冷坩埚配置优化实验

   • 研究对象：对比圆柱形、近矩形、扁平形和方形四种坩埚配置（图12）。
     
   • 关键参数：启动功率（Start-up Power）、吸收功率（Absorption Power, Pd）、电磁场均匀性。
     
   • 结果：方形坩埚（36 mm × 36 mm）表现最优，启动功率从1250 W/mm²降至500 W/mm²，电磁场均匀性显著优于近矩形坩埚（u值降低3倍）。
     

2. TiAl合金定向凝固验证

   • 工艺窗口优化：通过控制加热功率（15–80 kW）、电流频率（18–190 kHz）和拉坯速率（0.3–0.7 mm/min），确定最佳工艺参数（图15）。
     
   • 微观结构分析：定向凝固Ti-46Al-6Nb合金的柱状晶生长方向与拉坯方向平行，α₂/γ片层取向角（θg）随拉坯速率增加而增大（图17）。
     

主要结果
1. 电磁能分布特性：
- 狭缝区域电磁场强度是非狭缝区域的2.3倍（图7），导致熔体温度场不均匀。
- 降低频率（<50 kHz）可提高电磁穿透性，但需平衡加热效率与界面稳定性（图8）。

1. 配置优化效果：

   • 方形坩埚的Pd最大值比圆柱形坩埚提高50%，且u值最低（图14），确保固液界面平坦（图10）。
     
   • 增加坩埚壁厚和高度/直径比（h/d）可改善电磁场均匀性（图11）。
     

2. 微观结构控制：

   • 在优化工艺窗口内，TiAl合金表面无缺陷，柱状晶生长稳定（图16）。
     
   • 拉坯速率0.5 mm/min时，α₂/γ片层取向角为45°，力学性能最佳（图17）。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了电磁能在CCDS中的多物理场耦合机制，提出“均匀性系数”作为量化指标。
- 证明方形冷坩埚配置可同时实现高电磁利用率（Pd提升）和均匀性（u值降低）。

1. 应用价值：
   
   • 为航空发动机叶片用TiAl合金的工业化制备提供了工艺指导，如36 mm × 36 mm方形坩埚的优化设计。
     
   • 通过控制电磁参数（频率、功率）和拉坯速率，可精确调控片层取向，提升材料力学性能。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将电磁场均匀性分析与冷坩埚几何优化结合，建立“工艺窗口”模型（图15）。
2. 技术突破：开发的大尺寸方形冷坩埚（36 mm × 36 mm）将启动功率降低60%，为同类研究最高效率。
3. 跨学科性：融合电磁学、热力学与材料科学，为多物理场耦合研究提供范例。

其他发现
- 附加静磁场可抑制熔体湍流（引用文献[12]），但本研究通过优化坩埚配置实现了类似效果，降低了设备复杂度。
- 电磁搅拌（EMS）对柱状晶生长的干扰可通过调整频率（>65 kHz）减弱（引用文献[17]）。

此报告全面涵盖了研究的背景、方法、结果与创新点，适合作为学术交流或技术评估的参考。