專(zhuān)利名稱(chēng)：一種TiA1基合金板件的定向凝固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連續(xù)熔鑄定向凝固方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的TiAl基合金定向凝固方法都是結(jié)合橫截面為圓形的型腔進(jìn)行熔鑄加工，由于圓形型腔的冷坩堝在各個(gè)方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布以及金屬熔化溫度都是較為一致的，所以需要考慮的工藝條件相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于比較復(fù)雜的矩形截面板件，通過(guò)現(xiàn)有的熔鑄方法卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)熔鑄，因?yàn)椴捎美溘釄暹M(jìn)行定向凝固首先面臨的是合金的加熱熔化和電磁力約束成形問(wèn)題，對(duì)于在具有矩形截面的冷坩堝內(nèi)進(jìn)行的電磁熔化與約束成形，與以往的圓形截面冷坩堝相比無(wú)論是在磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布還是在成形和加熱特性方面都有很大的不同，尤其是長(zhǎng)寬比比較大的矩形截面鑄錠，最明顯的差別就是在鑄錠的不同部位對(duì)電磁能量的吸收能力變的很復(fù)雜，坯料很難均勻熔化。對(duì)于矩形截面鑄錠的冷坩堝電磁熔化、約束成形和定向凝固方法，目前還沒(méi)有這方面的報(bào)道。本發(fā)明申請(qǐng)人曾申請(qǐng)過(guò)一種“鈦基”合金的水冷電磁銅型定向凝固方法，公開(kāi)號(hào)為CN1597184，但由于鈦基合金與鈦鋁基合金成分上存在差異，合金的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了很大變化，前者為無(wú)序化合金，而后者為有序金屬間化合物，因此針對(duì)鈦合金的定向凝固所采用的方法對(duì)于鈦鋁基合金是不適用的，而現(xiàn)有的公開(kāi)文獻(xiàn)并沒(méi)有關(guān)于鈦鋁基合金大尺寸板件的定向凝固的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有的定向凝固方法不適于板件的加工，同時(shí)現(xiàn)有的定向凝固方法不適于對(duì)TiAl基合金材質(zhì)的加工問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可以得到性能優(yōu)良鑄錠的容電磁熔化、約束成形和定向凝固于一體的TiAl基合金板件的定向凝固方法，在具有電磁約束成形與定向凝固功能的電磁約束成形與定向凝固爐7內(nèi)安裝具有約束熔化合金和控制磁場(chǎng)分布功能的冷坩堝5，冷坩堝5的型腔5-1-1橫截面為矩形，在冷坩堝5的外部固定有2～8匝感應(yīng)線(xiàn)圈6，然后在冷坩堝5的型腔5-1-1內(nèi)設(shè)有上端與上送料機(jī)構(gòu)1固接的引錠4和下端與下抽拉機(jī)構(gòu)2固接的TiAl基合金料棒3，所述TiAl基合金料棒3設(shè)置在引錠4的正上方，型腔5-1-1的寬W、長(zhǎng)L、高H之間的比例為1∶2～6∶10～20，在冷坩堝5的坩堝本體5-1上開(kāi)有可以保證坩堝內(nèi)的磁場(chǎng)分布均勻的開(kāi)縫5-6，將所述電磁約束成形與定向凝固爐7內(nèi)抽真空到0.005～0.1Pa，然后反充氬氣至2000～4000Pa，在TiAl基合金料棒3和矩形引錠4送入線(xiàn)圈6的磁場(chǎng)感應(yīng)范圍后，線(xiàn)圈6通入單相交流電，電源施加功率為75～100kW，停留20～25分鐘后，TiAl基合金料棒3和矩形引錠4以0.01-0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)，并使終料棒進(jìn)入設(shè)置在其下方的結(jié)晶器8內(nèi)即可。本發(fā)明針對(duì)TiAl基合金，通過(guò)實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)下的連續(xù)熔化、成形，在與定向凝固技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，構(gòu)成了連續(xù)定向凝固體系。它通過(guò)帶有感應(yīng)加熱功能的感應(yīng)線(xiàn)圈對(duì)需要定向凝固的金屬開(kāi)展熔化、過(guò)熱、約束成為具有矩形截面的坯件，并獲得定向凝固組織，這些過(guò)程都是在對(duì)金屬不會(huì)造成任何污染的冷坩堝中進(jìn)行的，使用本發(fā)明的冷坩堝系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)模殼材料的污染，使鑄錠中的氧、氮、氫等對(duì)性能不利的間隙元素含量大大降低，同時(shí)保證了所凝固合金的化學(xué)成分準(zhǔn)確，使合金相的組成和晶粒組織分布均勻。通過(guò)控制溫度梯度和抽拉速度保持穩(wěn)定的凝固速度，從而使固液界面保持穩(wěn)定，這樣就會(huì)維持這種連續(xù)的、定向的凝固過(guò)程的順利進(jìn)行。本發(fā)明方法具有過(guò)程連續(xù)和流程短的特點(diǎn)，尤其是通過(guò)調(diào)整鑄錠的不同部位對(duì)電磁能量的吸收能力從而控制坯料的均勻熔化，通過(guò)調(diào)整感應(yīng)線(xiàn)圈的功率、頻率來(lái)控制熔化后的液態(tài)金屬在電磁推力作用下與坩堝內(nèi)壁的軟接觸狀態(tài)，當(dāng)電磁推力與液態(tài)金屬表面張力大于液態(tài)金屬的靜壓力時(shí)會(huì)形成駝峰，通過(guò)盡量避免熔液在側(cè)向上的散熱情況下，控制熔液在軸向上形成一定的溫度梯度從而獲得定向凝固條件，本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)了液態(tài)下活潑的鈦鋁基合金的大尺寸異型坯錠的定向凝固，減少了產(chǎn)品加工缺陷，有利于提高合金的綜合力學(xué)性能，特別是高溫力學(xué)性能得到很大提高，并為具有優(yōu)異性能的鈦鋁基合金零件的后續(xù)加工提供可靠的原料。為此本發(fā)明具有如下重要意義發(fā)展了針對(duì)TiAl基合金的優(yōu)質(zhì)、高效、安全、特殊和低成本的材料成形與制備技術(shù)，適應(yīng)了當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、科技和國(guó)防事業(yè)發(fā)展對(duì)高性能材料需求量增大的迫切要求，保證我們?cè)趨⑴c激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中立于不敗之地，同時(shí)為研制更復(fù)雜形狀零件的定向凝固方法奠定了基礎(chǔ)。


圖1是電磁約束成形與定向凝固爐整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是橫截面為矩形的冷坩堝結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是圖2的俯視圖，圖4是對(duì)開(kāi)六直縫坩堝本體1的俯視圖，圖5是圖4的I處放大示意圖，圖6是對(duì)開(kāi)四斜縫兩直縫坩堝本體1的俯視圖，圖7是圖6的B-B剖視圖，圖8是圖6的K處放大示意圖，圖9是對(duì)開(kāi)四斜縫四直縫坩堝本體1的俯視圖，圖10是圖9的C-C剖視圖，圖11是具體實(shí)施方式
六所述結(jié)構(gòu)示意圖，圖12是具體實(shí)施方式
七所述結(jié)構(gòu)示意圖，圖13是具體實(shí)施方式
三所述結(jié)構(gòu)示意圖，圖14是在Ti50Al-4匝-0.05mm/min-80kW條件下所得產(chǎn)品圖片，圖15是在Ti50Al-6匝-0.05mm/min-85kw條件下所得產(chǎn)品圖片，圖16是在Ti50Al-4匝-0.08mm/min-90kW條件下所得產(chǎn)品圖片，圖17是在Ti45Al-4匝-0.05mm/min-90kw條件下所得產(chǎn)品圖片，圖18是在Ti43Al-4匝-0.05mm/min-90kW條件下所得產(chǎn)品圖片，圖19是在Ti43Al1.5Si1.5Mo-4匝-0.01mm/min-75kW條件下所得產(chǎn)品圖片，圖20是在Ti48Al2Cr2Nb-6匝-0.05mm/min-80kW條件下所得產(chǎn)品圖片，圖21是具體實(shí)施方式
四所述結(jié)構(gòu)示意圖，圖22是圖21的J處放大圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的TiAl基合金板件的定向凝固方法為，在具有電磁約束成形與定向凝固功能的電磁約束成形與定向凝固爐7內(nèi)安裝具有約束熔化合金和控制磁場(chǎng)分布功能的冷坩堝5，冷坩堝5的型腔5-1-1橫截面為矩形，在冷坩堝5的外部固定有2～8匝感應(yīng)線(xiàn)圈6，然后在冷坩堝5的型腔5-1-1內(nèi)設(shè)有上端與上送料機(jī)構(gòu)1固接的引錠4和下端與下抽拉機(jī)構(gòu)2固接的TiAl基合金料棒3，所述TiAl基合金料棒3設(shè)置在引錠4的正上方，型腔5-1-1的寬W、長(zhǎng)L、高H之間的比例為1∶2～6∶10～20，在冷坩堝5的坩堝本體5-1上開(kāi)有可以保證坩堝內(nèi)的磁場(chǎng)分布均勻的開(kāi)縫5-6，通過(guò)以上方法得到的電磁約束成形與定向凝固爐7的具體結(jié)構(gòu)為在電磁約束成形與定向凝固爐7內(nèi)設(shè)有引錠4和位于引錠4正上方的TiAl基合金料棒3，引錠4的橫截面為矩形，所述引錠4的下端與下抽拉機(jī)構(gòu)2固接，TiAl基合金料棒3的上端與上送料機(jī)構(gòu)1固接；在TiAl基合金料棒3和引錠4的外部設(shè)有型腔橫截面為矩形的冷坩堝5，冷坩堝5的外部設(shè)有感應(yīng)線(xiàn)圈6，線(xiàn)圈6為2～8匝；在冷坩堝5的下方設(shè)有結(jié)晶器8，所述抽拉機(jī)構(gòu)2穿過(guò)結(jié)晶器8與矩形引錠4連接。
由于申請(qǐng)人的目的是在已申報(bào)的圓柱坯料冷坩堝電磁連鑄與定向凝固技術(shù)基礎(chǔ)上，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)鈦合金尤其是鈦鋁基合金的大尺寸板形坯錠的定向凝固成形。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不同寬厚比板形件，隨著寬厚比增大，相鄰兩邊所受的電磁壓力差越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿板件外部輪廓線(xiàn)上呈現(xiàn)出在直邊部分低，而在角部逐漸升高的馬鞍形分布趨勢(shì)就會(huì)越明顯。當(dāng)寬厚比過(guò)大(＞3)時(shí)，在板件的拐角處總是難以形成提前預(yù)設(shè)的形狀，這是磁場(chǎng)的鄰近效應(yīng)作用的結(jié)果，因此矩形冷坩堝的結(jié)構(gòu)對(duì)于鈦鋁基合金板件的定向凝固起著決定性的作用，為此本發(fā)明充分比較研究了幾種矩形冷坩堝的設(shè)計(jì)方案從而確定了以下的坩堝結(jié)構(gòu)。
如圖2、圖3所示，具有約束熔化合金和控制磁場(chǎng)分布功能的冷坩堝5的結(jié)構(gòu)為冷坩堝5的型腔5-1-1橫截面為矩形，它包括帶有盲孔5-1-3和出水孔5-1-4的坩堝本體5-1、分配進(jìn)水管5-2-1、循環(huán)出水管、入水管5-3、出水管5-4和法蘭5-5法蘭5-5為雙層，上層法蘭5-5-1與入水管5-3連接，上層法蘭5-5-1上設(shè)有插入到盲孔5-1-3內(nèi)的分配進(jìn)水管5-2-1；下層法蘭5-5-2與出水管5-4連接，在下層法蘭5-5-2上設(shè)有與出水孔5-1-4連接的循環(huán)出水管，坩堝本體5-1的型腔5-1-1為相鄰兩面呈圓角過(guò)渡且上小下大的四棱臺(tái)，型腔5-1-1的寬W、長(zhǎng)L、高H之間的比例為1∶2～6∶10～20，在所述坩堝本體5-1上開(kāi)有從外表面5-1-2到型腔5-1-1貫通的開(kāi)縫5-6，開(kāi)縫5-6為六至十八條；型腔5-1-1的相鄰兩面間的過(guò)渡圓角半徑R為4～10mm；坩堝型腔的長(zhǎng)寬高比例對(duì)定向凝固起著至關(guān)重要的作用，坩堝各部分恰當(dāng)?shù)谋壤梢钥刂齐姶偶s束力盡可能均勻的分布，盡可能使金屬熔化溫度一致；型腔為上小下大的四棱臺(tái)可以使冷坩堝保證鑄錠順利的拉出，盡量使鑄錠不與坩堝內(nèi)壁接觸從而避免材料的污染。冷坩堝在不開(kāi)縫的情況下，由于坩堝壁的屏蔽作用，磁場(chǎng)很難進(jìn)入到坩堝內(nèi)部，坩堝開(kāi)縫可以增加坩堝的透磁性。因而坩堝開(kāi)縫的數(shù)目對(duì)于坩堝的設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的作用開(kāi)縫越多，坩堝壁的透磁性越好，磁場(chǎng)能的利用率就越高，對(duì)于熔體的加熱和約束成形越有利。理論上冷坩堝開(kāi)縫越多，坩堝內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，內(nèi)部周向的磁場(chǎng)分布就會(huì)越均勻，因而在一定意義上可以說(shuō)坩堝開(kāi)縫數(shù)越多越好。但是當(dāng)坩堝開(kāi)縫達(dá)到一定的數(shù)目以后，再單純的依靠增加開(kāi)縫數(shù)來(lái)提高坩堝的透磁性，意義不是很明顯，相反過(guò)多的開(kāi)縫會(huì)導(dǎo)致坩堝整體強(qiáng)度的降低，以至于無(wú)法對(duì)熔體進(jìn)行約束成形。開(kāi)縫的數(shù)目還要考慮坩堝整體體積的大小，使每瓣有足夠的空間安裝冷卻系統(tǒng)，保證坩堝在工作時(shí)不會(huì)因自身的感應(yīng)加熱而熔化。綜合考慮各方面的因素，本發(fā)明最終確定開(kāi)縫的數(shù)目為六至十八條，并且在使用的時(shí)候需要在開(kāi)縫內(nèi)填充絕緣材料，以保證冷坩堝分瓣式銅塊彼此處于電絕緣狀態(tài)，提高冷坩堝的電效率。
冷坩堝內(nèi)型腔的過(guò)渡圓角半徑也是影響矩形板料均勻熔化的重要因素。在圓角部位的加熱能力與R0(圓角半徑)的平方成正比，即q0=H024σδ4·R02,]]>由此可知R0越小感應(yīng)加熱功率越小角部越難以熔化，當(dāng)R0小于電流透入深度δ時(shí)，角部的電流透入深度會(huì)明顯增大，大于板件直邊部分的電流透入深度，使感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)的橫截面A增大，使得電流密度J降低，于是加熱能力就會(huì)降低；而當(dāng)R0等于或大于電流透入深度δ時(shí)，角部的電流透入深度等于板件直邊部分的電流透入深度，感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)的橫截面A不會(huì)增大，理論上的加熱能力和直角部分相同，但由于角部散熱能力較直邊部分強(qiáng)，坯料仍難以均勻熔化。圓角形狀產(chǎn)生的渦流流向也能明顯改變?cè)嚇颖砻骐姶艍毫Φ姆植迹?dāng)圓角半徑小于或接近集膚層厚度時(shí)，圓角與直邊連接處形成一個(gè)電磁壓力衰減區(qū)，會(huì)造成電磁壓力在周向上分布不均勻，難以形成預(yù)期的形狀。因而必須保證矩形冷坩堝的角部有一定的曲率，在電源頻率為50kHz情況下，成形鈦鋁基合金的集膚層厚度為δ=1πfμσ=1π×50×103×1.25×10-6×1≈2.26mm]]>
根據(jù)以上分析情況，從而本實(shí)施方式確定型腔5-1-1的相鄰兩面間的過(guò)渡圓角半徑R為4～10mm；本實(shí)施方式的工作過(guò)程如下參照?qǐng)D1，將“電磁約束成形與定向凝固爐”7通過(guò)螺栓安裝在支撐框架11上，支撐框架11呈水平用地腳螺栓連接穩(wěn)定地固定于地面之上；在電磁約束成形與定向凝固爐7內(nèi)底部設(shè)有循環(huán)水通道12，循環(huán)水通道12將電磁約束成形與定向凝固爐7與入水管5-3連通，入水管5-3的另一端與冷坩堝5連通，從而將爐體7的水路與冷坩堝5的水路連通；通過(guò)入水管5-3和循環(huán)水通道12的連接，還可以對(duì)冷坩堝5起到支撐作用；內(nèi)部通水冷卻的結(jié)晶器8采用焊接方式固定在電磁約束成形與定向凝固爐7的底部居中位置，其底部伸向電磁約束成形與定向凝固爐7的外部，為所實(shí)施的定向凝固提供強(qiáng)制冷卻作用，其冷卻作用是通過(guò)其內(nèi)部盛裝的鎵銦錫三元合金(重量配比為60％Ga-25％In-15％Sn，熔點(diǎn)為10℃)實(shí)現(xiàn)的；將電磁約束成形與定向凝固爐7內(nèi)抽真空到0.005～0.1Pa，然后反充氬氣至2000～4000Pa，在TiAl基合金料棒3和矩形引錠4送入線(xiàn)圈6的磁場(chǎng)感應(yīng)范圍后，線(xiàn)圈6通入交流電，單相電源施加功率為75～100kW，停留20～25分鐘后，TiAl基合金料棒3和矩形引錠4以0.01-0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)，并使終料棒進(jìn)入設(shè)置在其下方的結(jié)晶器8內(nèi)即可。下抽拉機(jī)構(gòu)2上的抽拉桿從結(jié)晶器8中穿過(guò)，引錠與抽拉桿連接，隨抽拉桿移動(dòng)進(jìn)入鎵銦錫三元合金中對(duì)連續(xù)凝固的坯錠冷卻。
電磁連續(xù)鑄造的實(shí)踐表明，施加電磁場(chǎng)后，鑄坯表面的粗糙度明顯下降。這是因?yàn)殡姶艍毫透袘?yīng)熱都隨電流的加大而增加，因而使鑄坯表面質(zhì)量相應(yīng)提高。但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，將造成金屬液面的波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鑄坯表面缺陷。隨著磁場(chǎng)頻率的增加，這一臨界值相應(yīng)提高。
本實(shí)施方式的工作原理如下當(dāng)感應(yīng)線(xiàn)圈6內(nèi)通入高頻交變電流時(shí)，產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，磁場(chǎng)通過(guò)開(kāi)縫5-6進(jìn)入坩堝內(nèi)部與原料自身感應(yīng)電流交互作用使原料熔化，熔化后的原料因重力作用與引錠結(jié)合在一起，液態(tài)原料會(huì)在電磁推力作用下與坩堝內(nèi)壁出現(xiàn)軟接觸狀態(tài)，當(dāng)電磁推力與液態(tài)金屬表面張力大于液態(tài)金屬的靜壓力時(shí)會(huì)形成駝峰，且由于引錠底部的鎵銦錫三元合金的強(qiáng)烈冷卻作用，會(huì)沿軸向形成一定的溫度梯度，在控制側(cè)向散熱的條件下獲得定向凝固條件，調(diào)節(jié)上送料和下抽拉速度可進(jìn)行連續(xù)鑄造。爐體底部設(shè)有盛裝鎵銦合金液的結(jié)晶器8，下抽拉機(jī)構(gòu)2上的抽拉桿從中穿過(guò)，引錠與抽拉桿連接，隨抽拉桿移動(dòng)進(jìn)入鎵銦錫三元合金中對(duì)連續(xù)凝固的樣件冷卻，由于鎵銦錫三元合金的強(qiáng)冷可以在樣件的縱向上形成很大的溫度梯度，使液態(tài)金屬不斷的沿著該方向連續(xù)生長(zhǎng)，最終長(zhǎng)成定向組織。
具體實(shí)施方式
二可以保證坩堝內(nèi)的磁場(chǎng)分布均勻的開(kāi)縫5-6的結(jié)構(gòu)為對(duì)開(kāi)的六條直縫，或者為對(duì)開(kāi)的四條斜縫和兩條直縫，或者為對(duì)開(kāi)的四條斜縫和四條直縫，在開(kāi)縫內(nèi)填充低電導(dǎo)率材料使得開(kāi)縫兩端電絕緣；所述開(kāi)縫5-6的任一處橫截面形狀為靠近坩堝內(nèi)側(cè)的是兩條寬度W1為0.1～0.5mm的平行直線(xiàn)5-6-1，其沿徑向向外長(zhǎng)度L1為2～4mm，該平行直線(xiàn)5-6-1通過(guò)直線(xiàn)5-6-2或弧線(xiàn)5-6-3過(guò)渡到坩堝本體5-1的外表面5-1-2上。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所述開(kāi)縫位置及開(kāi)縫結(jié)構(gòu)都可以很好的保證坩堝內(nèi)的磁場(chǎng)分布均勻，使金屬各位置的熔化溫度一致，從而更好的實(shí)現(xiàn)合金材料的電磁約束與凝固過(guò)程。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式線(xiàn)圈6為單個(gè)線(xiàn)圈，本實(shí)施方式所述線(xiàn)圈6與功率為75～90kW的單相電源連接，型腔5-1-1的寬W、長(zhǎng)L、高H之間的比例為1∶2.2～3.2∶10～15，其它與實(shí)施方式一相同的條件下，即可以得到長(zhǎng)寬比為2～3的矩形坯料?？刂茊蜗嚯娫吹墓β试谶@個(gè)范圍內(nèi)，可以使上送料熔化充分，并保持一定的過(guò)熱度，在鑄錠向下運(yùn)動(dòng)并約束成形時(shí)，具有足夠的約束力，保證鑄錠形狀完整和獲得定向凝固組織，由于本實(shí)施方式要求得到鑄錠的長(zhǎng)寬比較小，所以無(wú)需使用保溫套10，參照?qǐng)D13。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式線(xiàn)圈6為單個(gè)線(xiàn)圈，使線(xiàn)圈6與功率為90～100kW的單相電源連接，型腔5-1-1的寬W、長(zhǎng)L、高H之間的比例為1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩堝5與結(jié)晶器8之間設(shè)有雙層鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套10，保溫套10與冷坩堝5和結(jié)晶器8之間固定連接，所述感應(yīng)線(xiàn)圈6通入單相交流電的頻率為30～80kHz，其它與實(shí)施方式三相同的條件下，即可以得到長(zhǎng)寬比為4～6的矩形坯料?？刂茊蜗嚯娫吹墓β屎哇釄灞壤谶@個(gè)范圍內(nèi)，可以使上送料熔化充分，并保持一定的過(guò)熱度即可獲得定向凝固所需的溫度梯度，在鑄錠向下運(yùn)動(dòng)并約束成形時(shí)，具有足夠的電磁約束力，保證鑄錠形狀完整和組織的定向凝固，由于本實(shí)施方式要求得到鑄錠的長(zhǎng)寬比較大，所以在矩形冷坩堝5與結(jié)晶器8之間設(shè)有雙層鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套10，鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套10可以防止已凝固鑄錠熱量從側(cè)面散失，從而更好的保證熱量的軸向流動(dòng)，使熔液在軸向上形成一定溫度梯度從而獲得性能優(yōu)良的鑄錠，參照?qǐng)D21、圖22。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式的感應(yīng)線(xiàn)圈6為雙線(xiàn)圈，它包括上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1和下感應(yīng)線(xiàn)圈6-2，上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1設(shè)置在TiAl基合金料棒3的外圍，起到對(duì)TiAl基合金料棒3的熔化作用；下感應(yīng)線(xiàn)圈6-2的位置與熔化后結(jié)合在引錠4上的合金相適應(yīng)，它起到對(duì)熔化金屬約束成形的作用；上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1為3～5匝，接通單相交流30～40kHz的電源，單相電源施加的功率為90～100kW；下感應(yīng)線(xiàn)圈6-2為2～3匝，接通單相交流為70～80kHz的電源，單相電源施加功率為75～90kW。在加工過(guò)程中使用雙感應(yīng)線(xiàn)圈，通過(guò)控制各線(xiàn)圈的匝數(shù)以及使線(xiàn)圈與相適應(yīng)功率和頻率的電源連接，可以很好的提高熔化與約束成形效果。對(duì)不同磁場(chǎng)頻率下鑄坯質(zhì)量的變化進(jìn)行的研究結(jié)果表明，從工頻到中頻和高頻，鑄坯表面質(zhì)量隨磁場(chǎng)頻率的增加而提高。交變電磁場(chǎng)在液態(tài)金屬中感生的電磁壓力是隨磁場(chǎng)頻率的提高而增加的。因此鑄坯表面質(zhì)量也相應(yīng)提高。在磁場(chǎng)頻率低的情況下，不僅電磁壓力較小，而且金屬液面的波動(dòng)加劇，有惡化鑄坯表面質(zhì)量的傾向。磁場(chǎng)頻率低則金屬集膚層厚度大，產(chǎn)生的攪拌力大，反之約束力大。高頻率電磁場(chǎng)下金屬液駝峰的穩(wěn)定性好，鑄坯表面質(zhì)量得到明顯改善，所以應(yīng)采用高頻電磁場(chǎng)。但磁場(chǎng)頻率過(guò)高使熱損耗增大，磁場(chǎng)受到嚴(yán)重的屏蔽，能耗增加。最終本發(fā)明選擇上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1與頻率為30～40kHz電源連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈6-2與頻率為70～80kHz的電源連接，保證了熔體具有一定的過(guò)熱度，抑制了熔體過(guò)早生核結(jié)晶，從而提高了成形構(gòu)件的表面質(zhì)量，保證了定向凝固組織更好的實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式為使用雙線(xiàn)圈對(duì)料棒進(jìn)行熔鑄。本實(shí)施方式需要得到長(zhǎng)寬比為2～3的矩形坯料，經(jīng)理論分析和大量試驗(yàn)得到，型腔5-1-1的寬W、長(zhǎng)L、高H之間的比例為1∶2.2～3.2∶10～15，上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1為3匝，使上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1與功率為80～90kW的單相電源連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈6-2為2匝，與功率為75～80kW的單相電源連接即可，其它與具體實(shí)施方式
三相同。控制功率在這個(gè)范圍內(nèi)，可以使上送料熔化充分，并保持一定的過(guò)熱度，獲得了定向凝固所需的溫度梯度，在鑄錠向下運(yùn)動(dòng)并約束成形時(shí)，具有足夠的電磁約束力，保證鑄錠形狀完整和組織的定向凝固，由于本實(shí)施方式要求得到鑄錠的長(zhǎng)寬比比較小，所以無(wú)需使用保溫套10，參照?qǐng)D11。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式為使用雙線(xiàn)圈對(duì)料棒進(jìn)行熔鑄。本實(shí)施方式需要得到長(zhǎng)寬比為4～6的矩形坯料，經(jīng)研究和大量試驗(yàn)得到，型腔5-1-1的寬W、長(zhǎng)L、高H之間的比例為1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩堝5與結(jié)晶器8之間設(shè)有雙層鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套10，保溫套10與冷坩堝5和結(jié)晶器8之間固定連接。上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1為3匝，使上感應(yīng)線(xiàn)圈6-1與功率為90～100kW的單相電源連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈6-2為3匝，與功率為80～90kW的單相電源連接即可，其它與具體實(shí)施方式
四相同?？刂乒β试谒龇秶鷥?nèi)，可以使上送料熔化充分，并保持一定的過(guò)熱度，獲得定向凝固所需的溫度梯度，在鑄錠向下運(yùn)動(dòng)并約束成形時(shí)，具有足夠的電磁約束力，保證鑄錠形狀完整和組織的定向凝固，在矩形冷坩堝5與結(jié)晶器8之間設(shè)有雙層鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套10，鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套10可以防止已凝固鑄錠熱量從側(cè)面散失，從而更好的保證熱量的軸向流動(dòng)，使熔液在軸向上形成一定溫度梯度從而獲得性能優(yōu)良的鑄錠，參照?qǐng)D12。
具體實(shí)施方式
八冷坩堝高度主要由固液界面的位置以及熔體的高度所決定，而固液界面的位置和熔體的高度主要與線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)有關(guān)。根據(jù)發(fā)明人研究，用直徑是6～12mm紫銅管繞制的高度為60mm左右的線(xiàn)圈可以支撐20～30mm高的鈦鋁基合金熔體，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最合理的固液界面位置接近線(xiàn)圈磁場(chǎng)最大處，即線(xiàn)圈的h/2(h為高度)左右，然后再考慮坩堝的強(qiáng)度和冷卻系統(tǒng)的安裝，因此本實(shí)施方式使用直徑為10mm的線(xiàn)圈繞制4匝，高度為61～65mm，繞制在高度H2為110mm的坩堝本體5-1的外面，參照?qǐng)D2、圖3、圖4、圖5，所述坩堝本體5-1型腔5-1-1上部截面積為48×12mm2、下部截面積為50×14mm2，型腔5-1-1相鄰兩面之間的過(guò)渡圓角半徑R＝4mm；開(kāi)縫5-6為對(duì)開(kāi)的六條直縫，開(kāi)縫5-6的任一處橫截面形狀為位于坩堝本體5-1外側(cè)的開(kāi)縫是上下底寬度W2、W3分別為2mm、8mm、沿徑向向外長(zhǎng)度L2為14mm的梯形，位于坩堝本體5-1內(nèi)側(cè)的開(kāi)縫是寬度W1為0.3mm、沿徑向向外長(zhǎng)度L1為4mm的窄縫，兩部分之間用半徑R2＝10mm的圓角過(guò)渡；位于坩堝本體5-1上開(kāi)縫的總體高度H3為70mm。法蘭5為與坩堝本體5-1相配合的矩形，法蘭5的直徑φ1為20mm，坩堝本體5-1內(nèi)盲孔5-1-3的直徑φ2為8mm、深D為100mm，插入到盲孔5-1-3內(nèi)的分配進(jìn)水管5-2-1的直徑φ3為6mm、長(zhǎng)L3為90mm，與出水孔5-1-4連接的循環(huán)出水管2-2的直徑為6mm，冷卻水循環(huán)采用上進(jìn)側(cè)出的模式。經(jīng)過(guò)以上尺寸的配合，可以計(jì)算出進(jìn)水截面積、盲孔內(nèi)存水截面積與出水截面積之比為1∶0.8∶1，這樣冷坩堝的冷卻水進(jìn)入坩堝后在里面存積比較少，冷水的利用率比較高，在長(zhǎng)時(shí)間工作的條件下，冷坩堝的升溫會(huì)比較緩慢。
采用Ti50Al合金(本發(fā)明中合金成分均采用原子百分含量)，線(xiàn)圈與功率為80kW的單相電源連接，上送料機(jī)構(gòu)與下抽拉機(jī)構(gòu)以0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)。所得產(chǎn)品圖片如圖14所示。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八不同之處在于，使用直徑為8mm的線(xiàn)圈繞制6匝，緊密環(huán)繞在高度H2為80mm的坩堝本體5-1外面，型腔5-1-1相鄰兩面之間的過(guò)渡圓角半徑R＝9mm；開(kāi)縫5-6為對(duì)開(kāi)的四條斜縫和兩條直縫，參照?qǐng)D6、圖7、圖8，開(kāi)縫5-6的任一處橫截面形狀為靠近坩堝內(nèi)側(cè)的是兩條寬度W1為0.2mm的平行直線(xiàn)5-6-1，其長(zhǎng)度L1為2mm，該平行直線(xiàn)5-6-1通過(guò)弧線(xiàn)5-6-3過(guò)渡到坩堝本體5-1的外表面5-1-2上。采用Ti50Al合金，線(xiàn)圈與功率為85kW的單相電源連接，上送料機(jī)構(gòu)與下抽拉機(jī)構(gòu)以0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)。所得產(chǎn)品圖片如圖15所示。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八不同之處在于，坩堝本體5-1的高度H2設(shè)計(jì)為130mm，使用直徑為12mm的線(xiàn)圈繞制4匝，型腔5-1-1相鄰兩面之間的過(guò)渡圓角半徑R＝5mm；開(kāi)縫5-6為對(duì)開(kāi)的四條斜縫和四條直縫，參照?qǐng)D8、圖9、圖10，開(kāi)縫5-6的任一處橫截面形狀為靠近坩堝內(nèi)側(cè)的是兩條寬度W1為0.5mm的平行直線(xiàn)5-6-1，其長(zhǎng)度L1為3mm，該平行直線(xiàn)5-6-1通過(guò)弧線(xiàn)5-6-3過(guò)渡到坩堝本體5-1的外表面5-1-2上。采用Ti50Al合金，線(xiàn)圈與功率為90kW的單相電源連接，上送料機(jī)構(gòu)與下抽拉機(jī)構(gòu)以0.08mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)。所得產(chǎn)品圖片如圖16所示。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同之處在于，采用Ti45Al合金，4匝感應(yīng)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈與功率為90kW的單相電源連接，上送料機(jī)構(gòu)與下抽拉機(jī)構(gòu)以0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)。所得產(chǎn)品圖片如圖17所示。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十二不同之處在于，采用Ti43Al合金，4匝感應(yīng)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈與功率為90kW的單相電源連接，上送料機(jī)構(gòu)與下抽拉機(jī)構(gòu)以0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)。所得產(chǎn)品圖片如圖18所示。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同之處在于，采用Ti43Al1.5Si1.5Mo合金，4匝感應(yīng)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈與功率為75kW的單相電源連接，上送料機(jī)構(gòu)與下抽拉機(jī)構(gòu)以0.01mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)。所得產(chǎn)品圖片如圖19所示。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十三不同之處在于，采用Ti48Al2Cr2Nb合金，6匝感應(yīng)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈與功率為80kW的單相電源連接，上送料機(jī)構(gòu)與下抽拉機(jī)構(gòu)以0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)。所得產(chǎn)品圖片如圖20所示。
權(quán)利要求
1.一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于在具有電磁約束成形與定向凝固功能的電磁約束成形與定向凝固爐(7)內(nèi)安裝具有約束熔化合金和控制磁場(chǎng)分布功能的冷坩堝(5)，冷坩堝(5)的型腔(5-1-1)橫截面為矩形，在冷坩堝(5)的外部固定有2～8匝感應(yīng)線(xiàn)圈6，然后在冷坩堝(5)的型腔(5-1-1)內(nèi)設(shè)有上端與上送料機(jī)構(gòu)(1)固接的引錠(4)和下端與下抽拉機(jī)構(gòu)(2)固接的TiAl基合金料棒(3)，所述TiAl基合金料棒(3)設(shè)置在引錠(4)的正上方，型腔(5-1-1)的寬(W)、長(zhǎng)(L)、高(H)之間的比例為1∶2～6∶10～20，在冷坩堝(5)的坩堝本體(5-1)上開(kāi)有可以保證坩堝內(nèi)的磁場(chǎng)分布均勻的開(kāi)縫(5-6)，將所述電磁約束成形與定向凝固爐(7)內(nèi)抽真空到0.005～0.1Pa，然后反充氬氣至2000～4000Pa，在TiAl基合金料棒(3)和矩形引錠(4)送入線(xiàn)圈(6)的磁場(chǎng)感應(yīng)范圍后，線(xiàn)圈(6)通入單相交流電，電源施加功率為75～100kW，停留20～25分鐘后，TiAl基合金料棒(3)和矩形引錠(4)以0.01-0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)，并使終料棒進(jìn)入設(shè)置在其下方的結(jié)晶器(8)內(nèi)即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到長(zhǎng)寬比為(2～3)的矩形坯料時(shí)，型腔(5-1-1)的寬(W)、長(zhǎng)(L)、高(H)之間的比例為1∶2.2～3.2∶10～15，線(xiàn)圈(6)與功率為75～90kW的單相電源連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到長(zhǎng)寬比為4～6的矩形坯料時(shí)，型腔(5-1-1)的寬(W)、長(zhǎng)(L)、高(H)之間的比例為1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩堝(5)與結(jié)晶器(8)之間設(shè)有雙層鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套(10)，線(xiàn)圈(6)與功率為90～100kW的單相電源連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于所述感應(yīng)線(xiàn)圈(6)通入單相交流電的頻率為30～80kHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于所述感應(yīng)線(xiàn)圈(6)包括上感應(yīng)線(xiàn)圈(6-1)和下感應(yīng)線(xiàn)圈(6-2)，所述上感應(yīng)線(xiàn)圈(6-1)為3～5匝，通入單相交流電的頻率為30～40kHz，單相電源施加功率為90～100kW；下感應(yīng)線(xiàn)圈(6-2)為2～3匝，通入單相交流電的頻率為70～80kHz，單相電源施加功率為75～90kW。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到長(zhǎng)寬比為2～3的矩形坯料時(shí)，型腔(5-1-1)的寬(W)、長(zhǎng)(L)、高(H)之間的比例為1∶2.2～3.2∶10～15，上感應(yīng)線(xiàn)圈(6-1)與功率為80～90kW的單相電源連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈(6-2)與功率為75～80kW的單相電源連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到長(zhǎng)寬比為4～6的矩形坯料時(shí)，型腔(5-1-1)的寬(W)、長(zhǎng)(L)、高(H)之間的比例為1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩堝(5)與結(jié)晶器(8)之間設(shè)有雙層鉬片內(nèi)襯硅酸鋁耐火纖維制保溫套(10)，上感應(yīng)線(xiàn)圈(6-1)與功率為90～100kW的單相電源連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈(6-2)與功率為80～90kW的單相電源連接。
全文摘要
一種TiAl基合金板件的定向凝固方法，涉及一種連續(xù)熔鑄定向凝固方法。對(duì)于比較復(fù)雜的矩形截面鑄錠(板件)，通過(guò)現(xiàn)有的熔鑄方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向凝固。TiAl基合金板件的定向凝固方法為，在TiAl基合金料棒3和矩形截面引錠4送入線(xiàn)圈6的電磁感應(yīng)范圍后，線(xiàn)圈6通入單相交流電，電源施加功率為75～100kW，停留20～25分鐘后，TiAl基合金料棒3和矩形引錠4以0.01－0.05mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)，并使終料棒進(jìn)入設(shè)置在其下方的結(jié)晶器8內(nèi)即可。本發(fā)明方法發(fā)展了針對(duì)TiAl基合金的優(yōu)質(zhì)、高效、安全和低成本的材料成形與制備技術(shù)，適應(yīng)了當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、科技和國(guó)防事業(yè)發(fā)展對(duì)高性能材料需求量增大的迫切要求，為研制形狀更復(fù)雜活性金屬鑄錠的定向凝固方法奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)B22D11/11GK1733391SQ20051001029
公開(kāi)日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者丁宏升, 王艷麗, 李春暉, 畢維生, 郭景杰, 傅恒志 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)