Numerical simulation of inclusion transport behavior in vacuum induction melting process of nickel-based superalloy
- 04.09.2025
- Original Paper
- Verfasst von
- Long Zhao
- Zhong-qiu Liu
- Ying-qi Zhang
- Tian Liang
- Ying-che Ma
- Bao-kuan Li
- Erschienen in
- Journal of Iron and Steel Research International | Ausgabe 11/2025
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Abstract
Diese Studie beschäftigt sich mit der numerischen Simulation des Transportverhaltens von Einschlüssen während des Vakuuminduktionsschmelzprozesses (VIM) von nickelbasierten Superlegierungen, einem entscheidenden Schritt bei der Herstellung von Hochleistungslegierungen für anspruchsvolle Industrien. Die Forschung konzentriert sich auf vier Schlüsselbereiche: die Entwicklung eines umfassenden zweidimensionalen achisymmetrischen Modells, das Elektromagnetismus, Wärmeübertragung, Strömungsdynamik und Inklusionstransport integriert; die Validierung dieses Modells durch experimentelle Daten aus einem 200 kg schweren Vakuuminduktionsofen; die Analyse, wie unterschiedliche aktuelle Parameter die Abtragsraten von Einschlüssen an verschiedenen Grenzflächen (freie Oberfläche, Seitenwand und Boden) beeinflussen; und die Erforschung der Verteilungsmuster von Einschlüssen innerhalb des geschmolzenen Beckens. Die Ergebnisse zeigen, dass der elektromagnetische Rühreffekt eine gleichmäßige Temperaturverteilung und deutliche Strömungsmuster erzeugt, wobei sich Einschlüsse tendenziell an den Ecken des geschmolzenen Beckens ansammeln. Insbesondere zeigt die Studie, dass eine zunehmende Stromstärke die Adsorptionsschnittstelle für größere Einschlüsse transformieren und die Abtragsrate am Tiegel erhöhen kann. Die Forschung kommt zu dem Schluss, dass die Optimierung aktueller Parameter die Qualität von nickelbasierten Superlegierungen signifikant verbessern kann, indem Transport und Entfernung der Einschlüsse effektiv gesteuert werden.
KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
Abstract
Inclusions in nickel-based superalloys significantly influence their mechanical properties which limit the application and development. A two-dimensional axisymmetric model coupling electromagnetic flow, heat transfer, and inclusions transport was developed using the finite element method. The effects of current intensity and frequency on the transport behavior of inclusions and removal rate during vacuum induction melting were investigated using this model. To verify the accuracy of the mathematical model, experiments were conducted using the vacuum induction furnace model VIF200. A comparison of the experimental results with the simulation results reveals an excellent agreement. Four eddies exist in the central section of the molten pool, with any two eddies flowing in opposite directions. The drag force exerted by the eddies causes the inclusions converge toward the four corners of the cut surface. Due to buoyancy, an increase in the particle size of inclusions makes it easier for them to be adsorbed by the free surface, a phenomenon that is particularly noticeable for inclusions with a particle size of 400 μm. An increase in current intensity changes the adsorption interface of certain 400-μm inclusions from the free surface to the sidewall. Increasing both current intensity and frequency enhances the crucible removal rate of inclusions, with current intensity exerting a more significant effect, increasing the removal rate by approximately 1% for every 150 A. Upon completion of melting, the ingot is typically obtained by pouring or bottom pouring, and inclusions adsorbed to the free surface are difficult to separate. Therefore, higher current intensity and frequency should be employed during melting to enhance the crucible removal rate.
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- Titel
- Numerical simulation of inclusion transport behavior in vacuum induction melting process of nickel-based superalloy
- Verfasst von
-
Long Zhao
Zhong-qiu Liu
Ying-qi Zhang
Tian Liang
Ying-che Ma
Bao-kuan Li
- Publikationsdatum
- 04.09.2025
- Verlag
- Springer Nature Singapore
- Erschienen in
-
Journal of Iron and Steel Research International / Ausgabe 11/2025
Print ISSN: 1006-706X
Elektronische ISSN: 2210-3988 - DOI
- https://doi.org/10.1007/s42243-025-01559-5
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