鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法
2023-06-04 07:06:46 2
專利名稱：鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法
技術領域：
本發明涉及一種定向凝固方法。
背景技術：
隨著航空、航天和能源等工業的蓬勃發展，傳統材料與材料加工技術已經不能滿足需求，對新型材料與新型材料加工技術的重視程度日益提高。其中減輕發動機結構零部件的自重和提高發動機燃燒溫度是提高效率的有效途徑。目前高溫部件普遍採用鎳基高溫合金和鈦合金材料，鈦合金的使用溫度達到600°C，鎳基高溫合金的工作溫度接近1100°C。然而鎳基高溫合金密度大，而高溫下鈦合金的抗氧化性差，因此尋找一種輕質、耐高溫和可靠性高的新型合金成為突破目前高溫部件製造用材料的重要途徑之一。近年來有關金屬間化合物合金的研究越來越引起國內外的重視，其具有一般金屬和合金所沒有的高比強度、高比剛度，以及良好的抗高溫氧化性、抗蠕變性和抗氫脆、抗燃燒等特性。其中鈦鋁合金由於具有高比強、高比剛、耐高溫以及優異的抗氧化性，可滿足7500C -8500C的耐熱使用溫度，是高性能發動機耐熱結構的優秀候選金屬間化合物合金之一。特別是採用定向凝固技術製備的鈦鋁合金，由於消除了與受力主應力方向相垂直的橫向晶界，可極大地提高鈦鋁合金的機械性能以及提高耐熱使用溫度近100°C，是一種非常具有應用價值的新型合金。然而鈦鋁合金具有熔點高、化學活性高的特點，對其進行定向凝固時會與CaO、A1203、ZrO2等傳統陶瓷材料發生物理化學反應，引入的雜質會嚴重損害鈦鋁合金的機械性能，特別是本來就很低的室溫塑性，還會降低高溫強度、抗氧化性和抗蠕變能力。由於傳統的定向凝固方法很難克服鈦鋁合金在定向凝固組織製備中出現的問題，鈦鋁合金的製備與加工技術已經成為促進鈦鋁工程實用化的最大制約因素。冷坩堝定向凝固技術作為一種新型的定向凝固技術，採用感應加熱的方法熔化金屬，同時使用水冷銅壁製成坩堝本體，在電磁推力的作用下合金熔體與坩堝內壁分離，保證了合金熔體不與坩堝發生反應，而且坩堝可以多次重複使用，具有成本低的特點，特別適用於高熔點高化學活性的鈦鋁合金定向凝固。但是冷坩堝定向凝固技術始終存在著側向散熱的問題，對熱流單向性的控制影響著定向凝固組織生長的穩定性。顯然提高熱流的單向流動能力，克服由於電磁推力不足產生的熔體貼附坩堝冷壁造成的側向散熱問題，是提高鈦鋁合金定向凝固技術方法先進性的首要選擇。
發明內容
針對冷坩堝定向凝固技術存在著側向散熱的問題，本發明提供一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，可較好地解決上述問題。所述目的是通過如下方案實現的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置於封閉的爐體內，水冷銅坩堝外設置有電磁感應線圈，水冷銅坩堝的內壁上設有一圈梯形凸臺，所述梯形凸臺置於感應線圈的感應區內，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結構；梯形凸臺上方設置有料棒，梯形凸臺下方設置有底料，料棒底端和底料頂端都置於水冷銅坩堝內；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45 55kW，抽拉速度為O. 3 1. 5mm/min,保溫時間10 20min,抽拉距離60 100mm。水冷銅坩堝的高度為100mm，梯形凸臺置於水冷銅坩堝內高度上的居中位置，底料頂端距水冷銅坩堝底部的距離為35 40mm。所述梯形凸臺具有上傾斜表面，所述上傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。所述梯形凸臺具有下傾斜表面，所述下傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。從距坩堝底部15mm開設長縫，開縫長度為65mm。所述開縫形狀從內到外為矩形連接三角形的縫，三角形開縫處呈90°夾角。感應線圈米用外徑9. 5 10. 5mm、內徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成，銅管外面包裹環氧樹脂和聚四氟乙烯帶，高溫部分再包裹陶瓷纖維帶進行隔熱處理，採用所述銅管繞製成半徑為67 70mm的線圈4 5阻。水冷銅樹禍的外徑為64mm, 甘禍的壁厚為13 15mm。所述水冷銅坩堝上下端頭設置有屏敝環。本發明設置的帶有斜度的內部凸臺使坩堝的內部結構得到優化，導致坩堝內部的磁場分布更趨合理，內部的磁場強度也進一步增強，從而上料棒熔化後會獲得更大的電磁懸浮力，這種冷坩堝設計可確保鈦鋁的懸浮熔化、連續澆注和定向凝固三者有機結合起來，對於獲得方向性和形態良好的鈦鋁合金定向凝固組織起到了積極的促進作用。圖7是採用本發明方法所得鈦鋁合金連續鑄錠的宏觀組織形貌，它存在四個區域，包括初始凝固區、定向組織穩態生長區、糊狀區和液相冷卻區。在定向凝固的初始階段，初始凝固區內的晶粒基本以等軸晶粒為主，隨著抽拉的不斷進行，凝固組織進入穩態生長階段，此時等軸晶轉變為柱狀晶，但由於冷坩堝側向散熱作用的存在，部分柱狀晶生長的起始端會與鑄錠軸線呈傾斜角度，但是隨著生長的進行，晶粒的生長方向重新接近軸線方向。還可以清楚地看出採用懸浮式冷坩堝定向凝固製得的定向凝固組織與過去使用的不設置凸臺的冷坩堝相比具有更小的凝殼區域，側向散熱的現象得到了明顯的改善，柱狀晶生長方向與軸線方向呈現平行生長，靠近凝殼區域的少量在初始生長階段偏離鑄錠軸線方向的柱狀晶，會隨著生長的進行逐漸朝著豎直的方向生長。
圖1是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、70mm參數下
的固液界面宏觀形貌圖。圖2是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、10min、70mm參數
下的固液界面宏觀形貌圖。圖3是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、15min、70mm參數
下的固液界面宏觀形貌圖。圖4是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、40mm參數下
的固液界面宏觀形貌圖。圖5為50kW功率下，O. 5mm/min抽拉速度下界面前沿的樹枝晶形貌圖。
圖6為50kW功率下，O. 7mm/min抽拉速度下界面前沿的樹枝晶形貌圖。圖7是採用本發明方法所得鑄件宏觀組織形貌圖。圖8是本發明所使用的定向凝固裝置結構示意圖。圖9是冷坩堝的結構示意圖。圖10是圖9的A-A剖視圖。其中，1-料棒，2-感應線圈，3-水冷銅坩堝的開縫處，31 -梯形凸臺，4-定向凝固鑄錠，5-連接杆，6-冷卻劑材料，7-抽拉杆，8-屏蔽環。
具體實施例方式下面結合附圖詳細闡述本發明優選的實施方式。實施例一鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置於封閉的爐體內，參照圖8、圖9，水冷銅坩堝3的外面設置有電磁感應線圈2，水冷銅坩堝3的內壁上設有一圈梯形凸臺31，所述梯形凸臺31置於感應線圈2的感應區內，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結構；梯形凸臺31的上方設置有料棒1，梯形凸臺31的下方設置有底料4，開始工作時，料棒I的底端和底料4的頂端都置於水冷銅坩堝3內；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45 55kW，抽拉速度為O. 3 1. 5mm/min,保溫時間10 20min,抽拉距離60 100mm。凝固界面形貌在一定程度上反映著鑄錠凝固組織的形成規律，在不同的工藝參數的條件下，凝固界面的形貌也不盡相同，隨著保溫時間的變化，在5min, IOmin, 15min, 20min不同的保溫時間下，固液界面逐漸由凹形向凸形轉變，在較短的保溫時間下，熔體加熱還不夠完全，由於側向散熱的作用，靠近冷坩堝壁的熔體熱量會大量散失，因此靠近坩堝壁的熔體溫度較低，最先凝固，並在凝固界面上顯示為側向生長。當保溫時間逐漸增長，熔體過熱度進一步上升，熔體在洛侖茲電磁力的作用下逐漸實現了不與冷坩堝壁接觸的狀態，使側向散熱的作用逐漸減弱，由於感應加熱具有集膚效應，感應渦流主要產生在鑄錠表面，熱量通過傳導和對流向中心部位傳遞，中心部位的合金熔體最先凝固，因此凝固界面表現為中間部位存在有凸起的現象。圖1-4為不同工藝參數下的固液界面宏觀形貌，其中，圖1的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、70mm ;圖2的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、10min、70mm ;圖3的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、
O.5mm/min、15min、70mm ;圖4的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、40mmo不同的鑄錠抽拉距離對固液界面的微觀組織形態有一定影響。當抽拉距離為70mm時，界面樹枝晶呈六重對稱形態，表明定向凝固進行到此距離時，大量的α相作為初生相從液相中析出，而當抽拉距離為30mm時，固液界面前沿的樹枝晶形態絕大多數呈四重對稱結構，為β相從液相中首先析出。根據能譜分析結果，隨著生長長度的不斷增加，鋁元素源源不斷的被新形成的固相排出，固液界面前沿的溶質富集程度不斷增大，在抽拉距離較短時，溶質富集程度低，成分過冷的傾向小，首先生長出胞狀晶，繼而轉化為整齊的柱狀樹枝晶組織，當抽拉距離較長時，溶質富集程度高，成分過冷的傾向增大，前沿生長出大量的發達柱狀樹枝晶。不同的抽拉速度對界面前沿樹枝晶的形貌也產生影響。圖5、圖6分別為50kW功率下，O. 5mm/min和O. 7mm/min抽拉速度下界面前沿的樹枝晶形貌,從圖中可以看出，在
O.5mm/min的抽拉速度下，凝固界面前沿的數枝晶呈四重對稱結構，此時的初生相幾乎全部為β相，這主要是由於定向凝固的抽拉速度較低，晶體的生長速度較慢，作為溶質的鋁元素有足夠的時間自凝固界面前沿擴散到液相當中。當拉速為O. 7mm/min時，凝固界面前沿的數枝晶形態一部分呈現為四重對稱結構，另一部分呈現為六重對稱結構，說明此時在凝固界面前沿存在著大量的初生α相，說明隨著生長速度的增大，界面前沿的鋁元素的擴散受到抑制，合金的凝固路徑朝著先析出α相的方向發展。即便在凝固的最後時刻，合金熔體的駝峰仍然與坩堝保持著無接觸或軟接觸，類 似原有冷坩堝設計出現的大量的側向散熱所導致的斷電後側向柱狀晶的生長的情況沒有出現，這也從另一個方面表明了坩堝優化設計後，在熔化區域的磁場強度得到了加強，更加有利於獲得優良的凝固組織。底料的高度是冷坩堝定向凝固的一個重要工藝參數，不同的底料高度會在定向凝固時產生不同的合金熔體駝峰形態，底料放置過高，熔化時熔體駝峰的高度過高，擾動嚴重會干擾固液界面前沿的穩定性。當底料高度過低，底料會熔化不充分或者難以被熔化，這會導致坩堝內發生嚴重的熔體堆積現象。當底料放置距離坩堝底部30mm時，將功率加至50kW，底料未被熔化，溫度場計算結果顯示此時的底料頂部溫度剛剛達到1000°C，遠遠達不到鈦鋁的熔化溫度；當底料放置距離坩堝底部33mm時，底料頂部的大部分區域溫度超過1400°C，底料頂部局部開始熔化，但是熔化的高度較低，熔融金屬與坩堝壁接觸；當將底料高度提升至35 40mm時，結果表明此時底料頂部的溫度超過1500°C，底料頂部全部熔化，整個熔化過程與坩堝壁呈無接觸狀態。因此，本發明將水冷銅坩堝的高度設置為100_，梯形凸臺置於水冷銅坩堝內高度上的居中位置，底料頂端距水冷銅 甘禍底部的距離為35 40mm,可以是36mm、37mm或38mm。冷坩堝內部凸臺傾斜角度的選擇是決定連續熔鑄的關鍵。坩堝內部軸向磁感應強度的大小與坩堝內部錐角角度有關(參照圖9，包括梯形凸臺的上傾斜表面與水平面間的夾角α，梯形凸臺的下傾斜表面與水平面間的夾角β)，將不同的冷坩堝施加相同的電流強度，對比發現內部帶有凸臺的坩堝其磁感應強度大於內部為直筒形(即呈90°角)坩堝內部的磁感應強度，且隨著傾角的增大而逐漸增大，因此最終確定上下傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°，可以是35°、40°、45°、50°、55°、60°，優選為45°。從距坩堝底部15mm處開設長縫，開縫長度為65mm。坩堝的開縫形狀會對坩堝內的磁場產生影響。在使用矩形開縫形式，線圈上載荷100A電流時，坩堝中心線處的軸向磁感應強度Bz最大值為1. 4mT左右，而當將矩形縫與三角形縫組合使用時，同樣的載荷條件下，中心線的軸向磁感應強度Bz最大值超過3. 5mT,是原有開縫形式時的2. 5倍，相對應的磁感應強度B值也有大幅的增加。可見通過改變坩堝開縫的形狀，適當擴大坩堝的開縫間距也是一種提高坩堝效率的有效手段，因此本發明要求開縫形狀從內到外為矩形連接三角形的縫，三角形開縫處的兩個邊呈90°夾角，參照圖10。感應線圈的確定米用外徑9. 5 10. 5mm、內徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成感應線圈，感應線圈繞制半徑為67 70mm，共4 5匝。在真空感應熔煉過程中，爐內處於高溫電磁環境，感應線圈在匝間距離很小，載荷電壓很高的情況下極易發生放電現象，當真空室內壓力為數百帕時，端電壓高於300V時，就可以產生放電，因此需要採取絕緣措施。對坩堝和感應線圈進行絕緣處理，採用環氧樹脂和聚四氟乙烯帶進行包裹，高溫部分再包裹陶瓷纖維帶進行隔熱處理，經過絕緣處理後，電壓可提高到500-2000V。水冷銅樹禍的外徑為64mm, 甘禍的壁厚為13 15mm。所述水冷銅坩堝上下端頭設置有屏敝環。實施例二本實施例與實施例一的區別在於，工作時，線圈電流為150A，電源 輸出功率為55kW,抽拉速度為1. 5mm/min,保溫時間20min,抽拉距離60mm。實施例三本實施例與實施例一的區別在於，工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為52kW,抽拉速度為1. 2mm/min,保溫時間16min,抽拉距離100mm。實施例四本實施例與實施例一的區別在於，工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為48kW,抽拉速度為1. Omm/min,保溫時間12min,抽拉距離80mm。實施例五本實施例與實施例一的區別在於，工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為46kW,抽拉速度為O. 4mm/min,保溫時間14min,抽拉距離90mm。本實施方式只是對本專利的示例性說明而並不限定它的保護範圍，本領域人員還可以對其進行局部改變，只要沒有超出本專利的精神實質，都視為對本專利的等同替換，都在本專利的保護範圍之內。
權利要求
1.一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置於封閉的爐體內，水冷銅坩堝外設置有電磁感應線圈，其特徵在於水冷銅坩堝的內壁上設有一圈梯形凸臺，所述梯形凸臺置於感應線圈的感應區內，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結構；梯形凸臺上方設置有料棒，梯形凸臺下方設置有底料，料棒底端和底料頂端都置於水冷銅坩堝內；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45 55kW,抽拉速度為O. 3 1. 5mm/min,保溫時間10 20min,抽拉距離60 100mm。
2.根據權利要求1所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於水冷銅坩堝的高度為100mm，梯形凸臺置於水冷銅坩堝內高度上的居中位置，底料頂端距水冷銅坩堝底部的距離為35 40mm。
3.根據權利要求2所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於所述梯形凸臺具有上傾斜表面，所述上傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。
4.根據權利要求3所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於所述梯形凸臺具有下傾斜表面，所述下傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於坩堝從距底部15mm開設長縫，開縫長度為65mm。
6.根據權利要求5所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於所述開縫形狀從內到外為矩形連接三角形的縫，三角形開縫處呈90°夾角。
7.根據權利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於感應線圈米用外徑9. 5 10. 5mm、內徑5. 5 6. 5mm的銅管制成，銅管外面包裹環氧樹脂和聚四氟乙烯帶，高溫部分再包裹陶瓷纖維帶進行隔熱處理，採用所述銅管繞製成半徑為67 70mm的線圈4 5阻。
8.根據權利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於水冷銅坩堝的外徑為64mm，坩堝的壁厚為13 15mm。
9.根據權利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特徵在於所述水冷銅坩堝上下端頭設置有屏敝環。
全文摘要
針對冷坩堝定向凝固技術存在著側向散熱的問題，本發明提供一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，可較好地解決上述問題。將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置於封閉的爐體內，水冷銅坩堝外設置有電磁感應線圈，水冷銅坩堝的內壁上設有一圈梯形凸臺；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45～55kW，抽拉速度為0.3～1.5mm/min，保溫時間10～20min，抽拉距離60～100mm。本發明使坩堝內部的磁場分布更趨合理，內部的磁場強度也進一步增強，從而上料棒熔化後會獲得更大的電磁懸浮力，這種冷坩堝設計可確保鈦鋁的懸浮熔化、連續澆注利定向凝固三者有機結合起來，對於獲得方向性和形態良好的鈦鋁合金定向凝固組織起到了積極的促進作用。
文檔編號B22D11/00GK103008579SQ20121058369
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者丁宏升, 王永喆, 李明亮, 張海龍, 陳瑞潤, 郭景傑, 傅恆志 申請人:哈爾濱工業大學