一種施加複合電磁場的高溫合金細晶的鑄造裝置的製作方法

2023-10-10 00:36:34

專利名稱：一種施加複合電磁場的高溫合金細晶的鑄造裝置的製作方法
技術領域：
[0001]本實用新型屬於金屬材料製備領域，具體涉及ー種施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造エ藝方法和裝置。
背景技術：
航空發動機的低壓渦輪葉片、機匣和エ業燃氣輪機的渦輪盤等高溫合金部件的使用溫度大都在等強溫度760°C以下，因而希望其鋳造組織為整體均勻細小的等軸晶以提高其抗疲勞性能。為了細化鋳造高溫合金的晶粒組織，國內外先後開發了熱控法、機械法和化學法三種高溫合金細晶鑄造技術的エ藝方法。熱控法是在凝固過程中控制結晶熱流，即採用低的熔體均勻化處理溫度、低的澆注溫度、控制模溫和降低合金熔體與型殼之間的溫度梯度，使鑄件晶粒整體上獲得細化。可以獲得尺寸為O. 25 O. 18mm的等軸晶。機械法是在合金澆注和凝固過程中通過旋轉鋳型、機械振動攪拌熔體，使晶粒細化。可以獲得尺寸為
0.3 O. Imm的等軸晶。化學法是通過向熔體中加入有效形核劑，形成大量非均質晶核而使晶粒細化。可以獲得尺寸為O. 6 O. 12_的等軸晶。上述エ藝方法均存在著局限性和缺陷。熱控法極低的過熱溫度和嚴格的溫度控制限制了它的廣泛應用，其突出的缺點是鑄件的純淨度較低，不易生產重要及尺寸大的部件。機械法設備複雜，鋳型在旋轉或振動時的容易損壞現象降低了鑄件的成品率和純淨度，晶粒細化的效果受部件形狀的影響比較大。化學法的缺點是難以控制化學成分，外加形核劑易在熔體中形成氧化夾雜物而成為疲勞源。因此晶粒細化一直是鑄造高溫合金熔模鑄造領域的研究熱點之一。2000年公開的專利00110151. X提出了ー種真空行波電磁細化高溫合金精密鑄造方法，其特徵在於在合金開始凝固時，對合金熔體施加ー對對稱但方向相反的行波磁場，可以獲得晶粒細小的高溫合金鑄件。但是，該方法對高溫合金鑄件凝固組織的細化效果有限，特別是在金屬液未澆入鑄型時就進行電磁攪拌，這會導致金屬液的上表面波動較大，金屬液在電磁力的作用下會沿著模壁攀升後凝固形成大飛邊，從而惡化了鑄件凝固過程中縮孔縮松的補縮條件。2008年申請人在《稀有金屬材料與工程》刊登的文章「電磁場和表面孕育劑作用下K417高溫合金的晶粒細化」中提出了在高溫合金金屬液凝固過程中施加雙向旋轉電磁攪拌與表面孕育劑相結合的方法來實現高溫合金凝固組織的晶粒細化，該方法能夠將高溫合金鑄件的凝固組織細化到O. 1mm，但該方法通過延遲電磁攪拌的開始時間來解決金屬液剛澆入鋳型內就進行旋轉電磁攪拌會導致未形成表面凝殼的金屬液面波動比較大、金屬液在電磁力的作用下會沿著模壁攀升後凝固形成大飛邊從而惡化鑄件凝固過程中縮孔的補縮條件這ー問題，因此使用該方法很難獲得斷面等軸晶比例達到100%的高溫合金細晶鑄件。
發明內容本實用新型的實用新型目的是提供一種施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造エ藝方法和裝置。[0006]為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下本實用新型的施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置，包括真空中頻感應熔煉爐，在真空中頻感應熔煉爐中心處設有奧氏體不鏽鋼砂箱，在奧氏體不鏽鋼砂箱外側設有直流電磁場發生器和雙向低頻交流旋轉電磁場發生器，在奧氏體不鏽鋼砂箱上部設有澆冒ロ系統和泡沫陶瓷過濾器。在奧氏體不鏽鋼砂箱外側，距其上端面10-100 mm處設置一個磁感應強度為100-300mT的直流電磁場發生器。在奧氏體不鏽鋼砂箱(7)外側，距其下端面20-250 mm處設置ー個頻率為3-60Hz、輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器(5)。本實用新型的施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造エ藝方法，該方法包括以下步驟(I)將型殼置於奧氏體不鏽鋼砂箱內，並在型殼周圍充滿一定粒度大小的填砂材料。將整個砂箱放入電阻加熱爐中加熱到1273K，保溫I小時後取出，置於真空中頻感應熔煉爐中的磁場發生器和內待澆；(2)將高溫合金爐料加入真空中頻感應熔煉爐的坩堝中，通電加熱、熔化和精煉；(3)將金屬液經泡沫陶瓷過濾器過濾後通過澆冒ロ系統澆注到奧氏體不鏽鋼砂箱內的型殼中，當金屬液液面和直流電磁場發生器的中心面平齊時停止澆注；(4)分別接通直流電磁場發生器、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器的電源，30-240秒鐘後，當金屬液完全凝固時分別斷開直流電磁場發生器、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器的電源。本實用新型的基本構思是真空感應爐熔模鑄造高溫合金件所用的型殼採用填砂造型澆注方式，即將型殼置於奧氏體不鏽鋼砂箱內，並在型殼周圍充滿一定粒度大小的填砂材料，然後將整個砂箱放入電阻加熱爐中加熱到1273K，保溫I小時後取出，置於真空中頻感應熔煉爐中。此外，在奧氏體不鏽鋼砂箱的外側上、下部位依次設置兩個電磁場發生器，上部為穩恆直流電磁場發生器，其中心面與型殼中的金屬液面平齊，下部為雙向低頻交流旋轉電磁場發生器。當金屬液剛被澆入奧氏體不鏽鋼砂箱內的型殼中就接通穩恆直流電磁場發生器和雙向低頻交流旋轉電磁場發生器的電源。下部的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器輸入雙向低頻交流電後產生雙向旋轉電磁場，當其以一定的速度切割金屬液時，便在金屬液內產生頻率相同的感生電流，液態金屬作為載流導體，在外加電磁場的作用下產生電磁力(I= J.XB )，該電磁力能夠驅動金屬液進行有規律的運動，從而實現對金屬液的雙向旋轉電磁攪拌。在旋轉電磁攪拌作用下，液穴內金屬液的運動加劇。金屬液的強力流動通過對己 凝固枝晶的動力折斷和熔斷作用而形成大量的枝晶碎片，這些枝晶碎片進入液態金屬後就形成了更多的有效晶核，從而提高了液態金屬非均勻形核的形核率。此外，金屬液的強力流動還能加速液穴的傳熱，使液穴中的溫度梯度減小；加速液穴的傳質過程，使固液界面前沿的擴散邊界層減薄，溶質的濃度梯度增加，從而使固液界面前沿液相區的成分過冷增加。這些因素都不利於柱狀晶的發展而有利於等軸晶的形成。因此在金屬液凝固過程中施加雙向旋轉電磁攪拌能夠細化晶粒、増加等軸晶率、減輕中心縮孔和偏析，得到優質的高溫合金細晶鑄件。[0017]上部的穩恆直流電磁場發生器輸入直流電後產生穩恆的直流電磁場,金屬液在此穩恆電磁場中流動時便產生感生電流，金屬液作為載流導體，在外加電磁場的作用下會受到與其流動方向相反的電磁力的作用。因此在金屬液面處施加直流穩恆電磁場，其在金屬液面處產生的電磁製動カ能夠抑制因型內電磁攪拌引起的為形成凝殼的金屬液面的劇烈波動，從而消除金屬液面的波動對高溫合金鑄件凝固過程中縮孔補縮的不利影響。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和效果1、在奧氏體不鏽鋼砂箱的外側下部設置的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器，輸入雙向低頻交流電後產生雙向旋轉電磁場，其在金屬液中產生的雙向旋轉電磁攪拌作用能夠細化晶粒、増加等軸晶率、減輕中心縮孔和偏析，得到優質的高溫合金細晶鑄件。2、在奧氏體不鏽鋼砂箱的外側上部設置的穩恆直流電磁場發生器，輸入直流電後產生穩恆的直流電磁場，其在金屬液面處產生的電磁製動カ能夠抑制因型內電磁攪拌引起的為形成凝殼的金屬液面的劇烈波動，從而消除金屬液面的波動對高溫合金鑄件凝固過程中縮孔補縮的不利影響。3、本方法エ藝原理可靠，可適用於各種高溫合金細晶鑄件的生產。

附圖I是施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置結構示意圖。圖中，I.泡沫陶瓷過濾器，2.澆冒ロ系統，3.直流電磁場發生器，4.金屬液，5.雙向低頻交流旋轉電磁場發生器，6.型殼，7.奧氏體不鏽鋼砂箱，8.真空中頻感應熔煉爐。
具體實施方式
以下結合附圖，詳細敘述本實用新型的具體實施方案。本實用新型施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置，包括真空中頻感應熔煉爐8，在真空中頻感應熔煉爐8中心處設有奧氏體不鏽鋼砂箱7，在奧氏體不鏽鋼砂箱7外側，距其上端面10-100 mm處設置ー個磁感應強度為100_300mT的直流電磁場發生器3。在奧氏體不鏽鋼砂箱7外側，距其下端面20-250 mm處設置ー個頻率為3-60 Hz、輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器5。在奧氏體不鏽鋼砂箱7上部設有澆冒ロ系統2和泡沫陶瓷過濾器I。本實用新型的施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置設有相應的電源系統及水冷系統，電源系統及水冷系統的設置採用現有技木。利用所實用新型的施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造エ藝方法與裝置來製備K417高溫合金細晶鑄件，具體步驟如下步驟I :採用填砂造型澆注方式的型殼的準備將型殼6置於奧氏體不鏽鋼砂箱7內，並在型殼6周圍充滿一定粒度大小的填砂材料。將整個砂箱7放入電阻加熱爐中加熱到1273K，保溫I小時後取出，置於真空中頻感應熔煉爐8的澆注エ位。步驟2 :複合電磁場發生器的準備在奧氏體不鏽鋼砂箱7外側，距其上端面10-100 mm處設置一個磁感應強度為100-300mT的直流電磁場發生器3。在奧氏體不鏽鋼砂箱7外側，距其下端面20-250 mm處設置ー個頻率為3-60 Hz、輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器5。步驟3 K417高溫合金金屬液的熔煉和澆注[0031]將K417高溫合金爐料加入真空中頻感應熔煉爐8的坩堝中，通電加熱、熔化和精煉。然後將K417高溫合金金屬液4經泡沫陶瓷過濾器I過濾後通過澆冒ロ系統2澆注到奧氏體不鏽鋼砂箱7內的型殼6中，當金屬液4液面和直流電磁場發生器3的中心面平齊時停止澆注。步驟4 :複合電磁場作用下K417高溫合金的細晶鑄造分別接通直流電磁場發生器3、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器5的電源，並使直流電磁場發生器3的輸入電流達到120A、磁場強度達到240mT，雙向低頻交流旋轉電磁場發生器5的輸入電流達到160A、磁場強度達到llOmT。30-240秒鐘後，當金屬液4完全凝固時分別斷開直流電磁場發生器3、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器5的電源。步驟5 :質量檢查觀察K417高溫合金鑄件，與不施加複合電磁場的鑄件相比，可以觀察到冒口上表面沒有出現飛邊，對鑄件的縱剖面和橫剖面進行宏觀凝固組織觀察，結果為鑄件的晶粒細化到O. 095mm、斷面等軸晶比例達到100%，冒ロ的補縮效果良好，鑄件中的縮孔縮松較少。
權利要求1.一種施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置，包括真空中頻感應熔煉爐(8)，其特徵在於在真空中頻感應熔煉爐(8)中心處設有奧氏體不鏽鋼砂箱(7)，在奧氏體不鏽鋼砂箱(7)外側設有直流電磁場發生器(3)和雙向低頻交流旋轉電磁場發生器(5)，在奧氏體不鏽鋼砂箱(7 )上部設有澆冒ロ系統(2 )和泡沫陶瓷過濾器(I)。
2.根據權利要求I所述的施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置，其特徵在於在奧氏體不鏽鋼砂箱(7)外側，距其上端面10-100 mm處設置ー個磁感應強度為100_300mT的直流電磁場發生器(3)。
3.根據權利要求I所述的施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置，其特徵在於在奧氏體不鏽鋼砂箱(7)外側，距其下端面20-250 mm處設置ー個頻率為3-60 Hz、輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器(5)。
專利摘要一種施加複合電磁場的高溫合金細晶鑄造裝置，該裝置在奧氏體不鏽鋼砂箱的外側上下部位依次設置兩個電磁場發生器，上部為穩恆直流電磁場發生器，下部為雙向低頻交流旋轉電磁場。本實用新型在下部的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器輸入雙向低頻交流電後產生雙向旋轉電磁場，其在金屬液中產生的雙向旋轉電磁攪拌作用可以使高溫合金真空精密鑄件的晶粒細化至95μm、斷面等軸晶比例達到100％。上部的穩恆直流電磁場發生器輸入直流電後產生穩恆的直流電磁場，其在金屬液面處產生的電磁製動力抑制了因型內電磁攪拌引起的金屬液面的劇烈波動，消除了金屬液面的波動對高溫合金鑄件凝固過程中夾雜物上浮、縮孔補縮的不利影響。
文檔編號B22D27/02GK202398799SQ201120564299
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者張慶豐, 李素芳, 沈俊芳, 賈平, 金文中 申請人:洛陽理工學院