电磁场下纯钛与 ZrO2（CaO 稳定）铸型界面反应研究
电磁场下纯钛与 ZrO2（CaO 稳定）铸型界面反应研究
通过充分反应法，研究了电磁场下，钛熔体与 ZrO2（CaO 稳定）陶瓷界面反
应后金属一侧的组织形貌，并与重力场下进行了对比。结果表明，电磁场下的界
面反应产物形貌与重力场下相差很大，且和重力场相比，电磁场下的界面反应进
程更快，反应程度也更为剧烈。依据热量和质量守恒定律，综合考虑电磁场、温
度场、浓度场、化学反应的相互作用，建立了电磁场下钛熔体与 ZrO2（CaO 稳定）
陶瓷界面反应的数学模型，研究了接触时间、浇注温度、铸型预热温度对铸件中
氧浓度和反应层厚度的影响，并进行了数值模拟。结果表明，随着接触时间、浇
注温度、铸型预热温度的增加，界面反应层厚度也随之增大。
关键词 钛熔体；ZrO2（CaO 稳定）；界面反应；数值模拟
1 引言.1
1.1 钛的特点及其性质 . 1
1.2 钛合金的应用. 2
1.3 氧化物陶瓷型壳. 4
1.4 影响界面反应的因素 . 4
1.5 研究内容. 5
2 钛熔体与陶瓷铸型界面反应产物形貌 5
2.1 实验材料及设备. 5
2.2 实验方法 6
2.3 实验结果及分析. 6 3 数值模拟. 7
3.1 物理过程. 7
3.2 温度场的数学模型 . 8
3.3 浓度场数学模型. 9
3.4 电磁场下的数学模型 . 9
3.3 等效导热系数与扩散系数的处理 . 10
3.4 感应线圈加热功率 . 10
3.5 数值模拟结果和分析 11
结 论 16
致 谢 17
参考文献 18
1 引言
在地壳中，钛的含量接近 0.56%(质量分数)，它是一种重要的结构金属。而在钛
金属中加入铝、钒、钼、铬等其它元素便形成了钛合金，又让它成为了一种重要的结
构材料，在许多领域有着广泛的应用。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀
性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型
的、很有发展潜力和应用前景的结构材料[1]。
近几年，钛工业和钛的加工技术得到了飞速发展，钛合金的加工技术更加成熟，
钛合金也被广泛应用于各个地方，比如航天航空、化工业、医用行业、冶金业。但是
钛的冶炼技术在现在还不是很容易，钛几乎与所有的耐火材料都能发生界面反应，从
而使铸件的表面质量大幅度降低，而 ZrO2 陶瓷材料现在被广泛应用于钛的铸造，ZrO2
陶瓷铸型材料相对于其他铸型材料有着许多优点，所以我们通过研究钛与 ZrO2 的界
面反应，从而得出界面反应的一般微观机理，具有重要的价值和现实意义。
1.1 钛的特点及其性质
1.1.1 钛的特点
钛是一种银白色的金属，它具有很多的优良性能。钛的密度为 4.54g／cm3，比钢
轻 43%，比金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。
钛耐高温，熔点 1942K，比黄金高近 1000K，比钢高近 500K [2]。
钛是一种化学性质很活泼的金属。加热时能与 O2、N2、H2、S 和卤素等非金属作
用。但在常温下，钛表面易生成一层致密的极薄的氧化物保护膜，可以抵抗强酸的作
用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛
却安然无恙。钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含
量不超过 0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度 ρ=4.3g/cm3，
熔点为 1800℃，导热系数 λ 为 15.23W/(m.K)，抗拉强度 σb 为 538MPa，伸长率 δ 为
24％，断面收缩率 ψ 为 24％，弹性模量 E 为 1.077×105MPa，硬度为 HB194[3]。
1.1.2 钛的化学与物理性质
（1）比强度高 钛合金的密度一般在 4.5g/cm3 左右，仅为钢的 60％，纯钛的强
度接近普通钢的强度。
（2）热强度高 使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的
强度，可在 450～500℃的温度下长期工作，钛合金在 150℃～500℃范围内仍有很高
的比强度。
（3）易吸气 钛的化学性质非常活泼，高温下易与碳、氮、氢、氧发生反应。
（4）低温性能好 钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能
好，间隙元素极低的钛合金，如 TA7，在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合
金也是一种重要的低温结构材料。
（5）抗蚀性好 钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈
钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、
硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差[4]。 （6）化学活性大 钛的化学活性大，与大气中 O、N、H、CO、CO2、水蒸气、
氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于 0.2％时，会在钛合金中形成硬质 TiC；温度
较高时，与 N 作用也会形成 TiN 硬质表层；在 600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高
的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层[5]。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达 0.1～
0.15 mm，硬化程度为 20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现
象。
（7）导热系数小、弹性模量小 钛的导热系数 λ=15.24W/（m.K）约为镍的 1/4，
铁的 1/5，铝的 1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降 50％。钛合金
的弹性模量约为钢的 1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时
加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的 2～3 倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、
粘结磨损[5]。
1.2 钛合金的应用
1.2.1 在航空航天中的应用
航天飞行器制造上选择金属材料的原则是：所选金属要密度较小、熔点高、耐高
温、不易氧化变质、硬度高、强度大。而钛合金因为具有高强度、高断裂韧性以及良
好的抗腐蚀性和可焊接性等性能，非常适合于航空航天业中。随着飞机机身越来越多
地采用复合材料结构，钛基材料用于机身的比例也将日益增大，因为钛与复合材料的
结合性能远远优于铝合金。例如：与铝合金相比，钛合金可使机身结构的寿命提高 60%。
钛合金极高的强度/密度比（达 20∶1，即重量可减轻 20%）为减轻大型构件的重量提
供了解决方案。此外，钛合金固有的高耐蚀性（与钢材相比）也可以节省飞机日常运
行和维护保养的成本[6]。
通过充分反应法，研究了电磁场下，钛熔体与 ZrO2（CaO 稳定）陶瓷界面反
应后金属一侧的组织形貌，并与重力场下进行了对比。结果表明，电磁场下的界
面反应产物形貌与重力场下相差很大，且和重力场相比，电磁场下的界面反应进
程更快，反应程度也更为剧烈。依据热量和质量守恒定律，综合考虑电磁场、温
度场、浓度场、化学反应的相互作用，建立了电磁场下钛熔体与 ZrO2（CaO 稳定）
陶瓷界面反应的数学模型，研究了接触时间、浇注温度、铸型预热温度对铸件中
氧浓度和反应层厚度的影响，并进行了数值模拟。结果表明，随着接触时间、浇
注温度、铸型预热温度的增加，界面反应层厚度也随之增大。
关键词 钛熔体；ZrO2（CaO 稳定）；界面反应；数值模拟
1 引言.1
1.1 钛的特点及其性质 . 1
1.2 钛合金的应用. 2
1.3 氧化物陶瓷型壳. 4
1.4 影响界面反应的因素 . 4
1.5 研究内容. 5
2 钛熔体与陶瓷铸型界面反应产物形貌 5
2.1 实验材料及设备. 5
2.2 实验方法 6
2.3 实验结果及分析. 6 3 数值模拟. 7
3.1 物理过程. 7
3.2 温度场的数学模型 . 8
3.3 浓度场数学模型. 9
3.4 电磁场下的数学模型 . 9
3.3 等效导热系数与扩散系数的处理 . 10
3.4 感应线圈加热功率 . 10
3.5 数值模拟结果和分析 11
结 论 16
致 谢 17
参考文献 18
1 引言
在地壳中，钛的含量接近 0.56%(质量分数)，它是一种重要的结构金属。而在钛
金属中加入铝、钒、钼、铬等其它元素便形成了钛合金，又让它成为了一种重要的结
构材料，在许多领域有着广泛的应用。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀
性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型
的、很有发展潜力和应用前景的结构材料[1]。
近几年，钛工业和钛的加工技术得到了飞速发展，钛合金的加工技术更加成熟，
钛合金也被广泛应用于各个地方，比如航天航空、化工业、医用行业、冶金业。但是
钛的冶炼技术在现在还不是很容易，钛几乎与所有的耐火材料都能发生界面反应，从
而使铸件的表面质量大幅度降低，而 ZrO2 陶瓷材料现在被广泛应用于钛的铸造，ZrO2
陶瓷铸型材料相对于其他铸型材料有着许多优点，所以我们通过研究钛与 ZrO2 的界
面反应，从而得出界面反应的一般微观机理，具有重要的价值和现实意义。
1.1 钛的特点及其性质
1.1.1 钛的特点
钛是一种银白色的金属，它具有很多的优良性能。钛的密度为 4.54g／cm3，比钢
轻 43%，比金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。
钛耐高温，熔点 1942K，比黄金高近 1000K，比钢高近 500K [2]。
钛是一种化学性质很活泼的金属。加热时能与 O2、N2、H2、S 和卤素等非金属作
用。但在常温下，钛表面易生成一层致密的极薄的氧化物保护膜，可以抵抗强酸的作
用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛
却安然无恙。钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含
量不超过 0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度 ρ=4.3g/cm3，
熔点为 1800℃，导热系数 λ 为 15.23W/(m.K)，抗拉强度 σb 为 538MPa，伸长率 δ 为
24％，断面收缩率 ψ 为 24％，弹性模量 E 为 1.077×105MPa，硬度为 HB194[3]。
1.1.2 钛的化学与物理性质
（1）比强度高 钛合金的密度一般在 4.5g/cm3 左右，仅为钢的 60％，纯钛的强
度接近普通钢的强度。
（2）热强度高 使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的
强度，可在 450～500℃的温度下长期工作，钛合金在 150℃～500℃范围内仍有很高
的比强度。
（3）易吸气 钛的化学性质非常活泼，高温下易与碳、氮、氢、氧发生反应。
（4）低温性能好 钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能
好，间隙元素极低的钛合金，如 TA7，在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合
金也是一种重要的低温结构材料。
（5）抗蚀性好 钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈
钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、
硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差[4]。 （6）化学活性大 钛的化学活性大，与大气中 O、N、H、CO、CO2、水蒸气、
氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于 0.2％时，会在钛合金中形成硬质 TiC；温度
较高时，与 N 作用也会形成 TiN 硬质表层；在 600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高
的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层[5]。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达 0.1～
0.15 mm，硬化程度为 20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现
象。
（7）导热系数小、弹性模量小 钛的导热系数 λ=15.24W/（m.K）约为镍的 1/4，
铁的 1/5，铝的 1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降 50％。钛合金
的弹性模量约为钢的 1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时
加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的 2～3 倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、
粘结磨损[5]。
1.2 钛合金的应用
1.2.1 在航空航天中的应用
航天飞行器制造上选择金属材料的原则是：所选金属要密度较小、熔点高、耐高
温、不易氧化变质、硬度高、强度大。而钛合金因为具有高强度、高断裂韧性以及良
好的抗腐蚀性和可焊接性等性能，非常适合于航空航天业中。随着飞机机身越来越多
地采用复合材料结构，钛基材料用于机身的比例也将日益增大，因为钛与复合材料的
结合性能远远优于铝合金。例如：与铝合金相比，钛合金可使机身结构的寿命提高 60%。
钛合金极高的强度/密度比（达 20∶1，即重量可减轻 20%）为减轻大型构件的重量提
供了解决方案。此外，钛合金固有的高耐蚀性（与钢材相比）也可以节省飞机日常运
行和维护保养的成本[6]。
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