專利名稱：一種電磁成形感應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料加工技術，具體是一種制備鈦鋁基合金試樣的電磁成形裝置。
背景技術：
目前用于鈦鋁基合金試樣的成形感應器中加載高頻電流，使放入成形感應器中的金屬試樣產生感應電流，使得試樣熔化。與此同時，感應磁場和感應電流共同作用在熔體表面，產生一個指向熔體內部的電磁壓力。當作用在熔體表面的電磁壓力、熔體表面張力形成的壓力與靜壓力達到動態(tài)平衡時，即可穩(wěn)定約束成形一定直徑的金屬試樣。此時，將下端浸入液態(tài)金屬冷卻液中的金屬試樣以一定的速度向下抽拉，即可獲得電磁成形定向凝固試樣。另外，通過改變成形感應器和屏蔽罩等相關參數(shù)，可以獲得不同直徑的電磁成形定向凝固試樣。
研究表明，電磁成形過程是一個線圈加熱能力與約束成形能力相互耦合作用的動態(tài)穩(wěn)定過程，其中，成形感應器參數(shù)、熱力比和固/液界面位置等是決定電磁成形成功與否的重要依據(jù)。這就涉及到電磁成形過程中材料性狀、成形感應器形狀、屏蔽罩插入深度及抽拉速度等之間的相互關系，調節(jié)其中一個參數(shù)，其他的參數(shù)也要做相應的變化，才能保證電磁成形過程的順利進行。這就決定了電磁成形過程中液態(tài)熔區(qū)維持動態(tài)穩(wěn)定的參數(shù)范圍較窄，無法在較大范圍內獨立調節(jié)熔體溫度和抽拉速度這兩個定向凝固過程中所關注的關鍵參數(shù)，這也是電磁成形技術長期停留在實驗研究階段的主要原因。另外，由于電磁成形過程中成形感應器受到電磁力的作用而劇烈晃動，且在反復裝卸過程中感應線圈容易松動，不利于電磁成形過程的控制和穩(wěn)定成形。
發(fā)明內容為克服現(xiàn)有技術中存在的鈦鋁基合金中的Ti元素與坩堝發(fā)生的界面反應、感應線圈易松動，不利于電磁成形過程的控制和穩(wěn)定成形的不足，本發(fā)明提出了一種電磁成形感應器。本發(fā)明提出的一種電磁成形感應器包括保溫套、成形感應器、定位板、屏蔽罩、絕緣板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷結晶器上表面的絕緣板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感應器位于所述定位板的上表面；保溫套位于所述成形感應器的內環(huán)中；卡子固定在成形感應器的外圓周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感應器的中心孔與保溫套的中心孔同軸；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔內，該籽晶的下端與真空室內的抽拉桿連接，母材位于保溫套內，該母材的上端與真空室內的同步桿連接，并且所述籽晶與母材合金均與成形感應器的中心孔同軸。所述成形感應器包括成形感應器內環(huán)、感應線圈和感應線圈固定架；感應線圈固定在感應線圈固定架的內表面，并被套裝在所述成形感應器內環(huán)的外圓表面。所述保溫套為錐形圓環(huán)；該保溫套外表面的斜度與成形感應器內環(huán)的內表面的斜度相問。[0008]為了防止成形感應器的反復裝卸造成感應線圈松動，降低電磁成形過程中成形感應器受到電磁力的作用而劇烈晃動，本發(fā)明在原有成形感應器外增加了感應線圈固定架，即在感應線圈外側用牙托粉和牙托水制成感應線圈固定架將感應線圈固定在一起，同時使感應線圈固定架包裹形成的成形感應器外徑與水冷結晶器外徑相同，并用螺釘將四個卡子呈十字對稱安裝，同時將成形感應器、定位板、屏蔽罩和絕緣板從上到下依次固定安裝于水冷結晶器的固定底座上。該感應線圈固定架提高了成形感應器的定位精度，同時降低了電磁成形過程中成形感應器的晃動所造成的成形的不穩(wěn)定，避免了成形感應器反復裝卸造成感應線圈的松動，從而使得電磁成形過程的控制更加精確。另外，在成形感應器內，增加了保溫套。其中，保溫套的外形尺寸根據(jù)實驗需要進行加工，即在保證保溫套外表面傾角與成形感應器內壁相吻合的前提下，使保溫套具有不同的下端外徑、高度和壁厚。高度和壁厚可以調節(jié)保溫套的保溫能力。下端外徑可以調節(jié)保溫套相對于成形感應器的高度，通過調節(jié)保溫套的下端外徑和高度能夠改變熔體中溫度場峰值的位置。由于保溫套不影響成形感應器內磁場的強度和分布，因此，增加不同型號的保溫套能夠在不影響電磁力的前提下，較大范圍內的調節(jié)線圈的加熱能力。本發(fā)明將籽晶裝在真空室的抽拉桿上，將相同直徑的母材裝在同步桿上，并保證籽晶、母材、保溫套、成形感應器、屏蔽罩和真空室內的抽拉桿同軸，同時保證母材下端面與籽晶上端面的間隙為l-3mm。調節(jié)籽晶和母材的高度，使籽晶上端面距成形感應器內環(huán)頂端的距離為成形感應器內環(huán)高度的1/3 1/2，使在加熱過程中籽晶和母材同時熔化。當調節(jié)好籽晶和母材的高度后，關閉定向凝固設備的真空室門并抽真空至6X 10_3Pa后，隨后充入高純氬氣作為保護氣體。將10KHz-50KHz的交變電流通入成形感應器中，以階梯增加電壓的方式增加交變電流的電壓，至籽晶和母材同時熔化，并使熔體在電磁力的作用下約束成高度為10-20mm的圓柱狀熔區(qū)。待熔區(qū)高度穩(wěn)定后保溫10-30分鐘，然后以5_50 μ m/s的速度從上至下抽拉，進行電磁成形定向凝固實驗。最終實現(xiàn)Ti-47A1合金的電磁成形定向凝固，從而獲得成分為Ti-47A1的Y-TiAl合金定向全片層組織。本發(fā)明對現(xiàn)有的電磁成形技術進行了改進，在現(xiàn)有的成形感應器外增加了線圈固定裝置，較大程度上消除了電磁成形過程中由于成形感應器的晃動所造成的不穩(wěn)定因素，從而使得電磁成形過程的控制更加精確，同時避免了成形感應器反復裝卸引起感應線圈的松動，并提高了成形感應器的定位精度。另外，在成形感應器內環(huán)內增加不同外形尺寸的保溫套，由于保溫材料不影響成形感應器內磁場的強度和分布，所以，增加保溫套可以在不改變電磁力的前提下，較大范圍的調節(jié)線圈的加熱能力。在5 μ m/s-50 μ m/s的抽拉速度下制備出無污染的鈦鋁基合金定向全片層組織。利用本發(fā)明可以徹底消除坩堝污染對合金成分和組織的影響，制備出較理想的定向全片層組織。

圖I是本發(fā)明的結構示意圖。圖2是成形感應器的示意圖。圖3是成形感應器內環(huán)的主視圖。圖4是成形感應器內環(huán)的俯視圖。圖5是保溫套的示意圖。[0017]圖6是屏蔽罩的示意圖。圖7是卡子的主視圖。圖8是卡子的俯視圖。圖中I.母材合金2.熔區(qū)3.保溫套 4.卡子 5.成形感應器6.定位板 7.屏蔽罩8.絕緣板 9.螺釘 10.法 蘭11.籽晶 12.水冷結晶器13.高頻電源14.成形感應器內環(huán)15.感應線圈16.感應線圈固定架
具體實施方式
實施例一本實施例是一種制備鈦鋁基合金定向全片層組織的電磁成形裝置，用于制備直徑為12mm的Τ -47Α1試樣。實施例一中的電磁成形裝置包括保溫套3、成形感應器5、定位板6、屏蔽罩7、絕緣板8和卡子4。屏蔽罩7安放在位于水冷結晶器12上表面的絕緣板8上。在屏蔽罩7的上表面安放有定位板6，成形感應器5位于所述定位板6的上表面。保溫套3位于所述成形感應器5的內環(huán)中。四個卡子4呈十字對稱置于成形感應器的外圓周表面，同時使該卡子水平板的下表面與成形感應器的上表面貼緊，并通過螺釘9與水冷結晶器12的法蘭10連接。所述屏蔽罩7的中心孔、成形感應器5的中心孔與保溫套3的中心孔同軸。籽晶11位于所述屏蔽罩7的中心孔內，該籽晶11的下端與真空室內的抽拉桿連接，母材I位于保溫套3內，該母材的上端與真空室內的同步桿連接，并且所述籽晶11與母材合金I均與成形感應器5的中心孔同軸。如圖2所示。所述成形感應器5包括成形感應器內環(huán)14、感應線圈15和感應線圈固定架16。感應線圈15固定在感應線圈固定架16的內表面，并被套裝在所述成形感應器內環(huán)14的外圓表面。所述成形感應器5中，成形感應器內環(huán)14為錐形圓環(huán)，采用紫銅制成；所述成形感應器內環(huán)14最小內徑比籽晶11的直徑大8mm。成形感應器內環(huán)14內壁的傾角為6° ,高度為20mm,壁厚為3_。在所述成形感應器內環(huán)14外圓周表面中部,沿該成形感應器內環(huán)14外圓周有半徑為7mm的弧形凹槽,用于固定感應線圈15的內BL并在該成形感應器內環(huán)14 一側有一寬度為2_并貫通成形感應器內環(huán)14環(huán)壁的切縫，并在切縫內填有云母帶，防止成形感應器內環(huán)14中的電流構成回路而造成短路。感應線圈15由外徑為6mm的紫銅管繞制而成。所述感應線圈15共繞制5膽，其中由內匝線圈所形成的感應線圈內徑與所述成形感應器內環(huán)14外圓周上的弧形凹槽槽底處的外徑相同。所述感應線圈15的其余4匝線圈均位于感應線圈內匝的外側，并分為上下兩排。所述的內匝線圈焊接固定在所述成形感應器內環(huán)14外圓周上的弧形凹槽內，所述的感應線圈15的其余4匝線圈均嵌裝并固定在感應線圈固定架16的內表面中。用紫銅加工而成的屏蔽罩7為現(xiàn)有技術。如圖6所示，該屏蔽罩7的表面有徑向凸出的環(huán)形凸沿，該環(huán)形凸沿的高度為3mm，所述環(huán)形凸沿裝入成形感應器內環(huán)14中心孔中并位于保溫套3的下表面。所述環(huán)形凸沿與成形感應器內環(huán)14之間間隙配合，以避免該環(huán)形凸沿使成形感應器內環(huán)14短路。所述屏蔽罩7可使得成形感應器5內產生的磁場的下峰面迅速衰減，有利于電磁成形過程的進行。屏蔽罩7的內徑與籽晶之間的距離為2mm，外徑與水冷結晶器12外徑相同，屏蔽罩7為中空夾層結構，壁厚為2_，中空夾層能夠通冷卻水，確保在成形感應器5中通入高頻電流時屏蔽罩7不會因感應加熱而使得溫度太高。保溫套3為錐形圓環(huán)，采用耐火磚制成。該保溫套3外表面的斜度與成形感應器內環(huán)的內表面的斜度吻合，亦為6° ;該保溫套3的最小內徑與籽晶11相距2mm，厚度為2mm，高度為20_。所述的卡子4有四個，均由水平板和豎直板構成，使該卡子的外形呈有L形。所述水平板位于所述豎直板一端的端面，所述卡子4豎直板另一端的端頭有連接通孔。使用時，將所述的四個卡子4呈十字對稱置于成形感應器的外圓周表面，同時使該卡子水平板的下表面與成形感應器的上表面貼緊。所述卡子豎直板上的連接通孔固定在水冷結晶器12的 法蘭上。定位板6為有中心孔的圓形板,用厚度為2mm的云母板加工而成。定位板6的內徑比屏蔽罩7上環(huán)形凸沿的外徑大1mm。絕緣板8由厚度為Imm的云母板加工而成，該絕緣板8的內徑與定位板的內徑相同。安裝時將屏蔽罩7安裝在水冷結晶器12正上方，并在屏蔽罩7和水冷結晶器12之間放置絕緣板8 ;將定位板6置于屏蔽罩7上方；將成形感應器5置于屏蔽罩7上方，并將感應線圈15接入真空室的同軸電極上，安裝時確保成形感應器5與屏蔽罩7不直接接觸，并使得成形感應器5、屏蔽罩7、絕緣板8和定位板6與水冷結晶器12及抽拉桿同軸；四個卡子4呈十字對稱置于成形感應器的外圓周表面，同時使該卡子水平板的下表面與成形感應器的上表面貼緊。所述卡子豎直板上的連接通孔固定在水冷結晶器12的法蘭上。同時將成形感應器5、屏蔽罩7、絕緣板8和定位板6同時固定在水冷結晶器上，確保感應器5和屏蔽罩7、絕緣板8和定位板6之間緊密接觸，使其在成形過程中相對位置不會移動；最后將保溫套3置入成形感應器5內。
權利要求1.一種電磁成形感應器，其特征在于，包括保溫套、成形感應器、定位板、屏蔽罩、絕緣板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷結晶器上表面的絕緣板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感應器位于所述定位板的上表面；保溫套位于所述成形感應器的內環(huán)中；卡子固定在成形感應器的外圓周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感應器的中心孔與保溫套的中心孔同軸；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔內，該籽晶的下端與真空室內的抽拉桿連接，母材位于保溫套內，該母材的上端與真空室內的同步桿連接，并且所述籽晶與母材合金均與成形感應器的中心孔同軸。
2.如權利要求I所述一種電磁成形感應器，其特征在于，所述成形感應器包括成形感應器內環(huán)、感應線圈和感應線圈固定架；感應線圈固定在感應線圈固定架的內表面，并被套裝在所述成形感應器內環(huán)的外圓表面。
3.如權利要求I所述一種電磁成形感應器，其特征在于，所述保溫套為錐形圓環(huán)；該保溫套外表面的斜度與成形感應器內環(huán)的內表面的斜度相同。
專利摘要一種電磁成形感應器，屏蔽罩安放在位于水冷結晶器上表面的絕緣板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感應器位于所述定位板的上表面；保溫套位于所述成形感應器的內環(huán)中；卡子固定在成形感應器的外圓周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感應器的中心孔與保溫套的中心孔同軸；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔內，該籽晶的下端與真空室內的抽拉桿連接，母材位于保溫套內，該母材的上端與真空室內的同步桿連接，并且所述籽晶與母材合金均與成形感應器的中心孔同軸。本實用新型能夠徹底消除坩堝污染對合金成分和組織的影響，制備出較理想的定向全片層組織，并提高了成形感應器的定位精度。
文檔編號B22D27/02GK202684053SQ20122023182
公開日2013年1月23日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權日2012年5月22日
發(fā)明者杜玉俊, 沈軍, 熊義龍 申請人:西北工業(yè)大學