專利名稱：用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型及采用其澆鑄鈦鋁基合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種澆鑄金屬的陶瓷鑄型及用其澆鑄鈦鋁基合金的方法。
背景技術(shù)：
在材料工程領(lǐng)域中，控制合金的凝固過程已成為提高傳統(tǒng)鑄件性能和開發(fā)新型鑄 造材料的重要途徑。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹁T件性能要求的提高，對傳統(tǒng)鑄造方 法提出了新的要求和挑戰(zhàn)。如何創(chuàng)造各種外部條件，例如壓力、溫度梯度、微重力、超聲波、 磁場、電場等等來改善鑄件的凝固組織，組成相分布，消除溶質(zhì)偏析、縮孔縮松、氣體和夾雜 等鑄造缺陷，挖掘鑄件的性能潛力，使鑄件獲得優(yōu)異的使用性能，發(fā)揮鑄造之凈或近凈成形 的技術(shù)優(yōu)勢，是目前國內(nèi)外鑄造和凝固科學(xué)工作者普遍關(guān)心的問題。因此，出現(xiàn)了諸如高梯 度定向凝固、快速凝固、超強(qiáng)磁場凝固、電場和模擬空間微重力鑄造等新型的凝固和鑄造技 術(shù)。其中電場凝固技術(shù)是指在液態(tài)金屬凝固過程中施以電流來控制材料凝固組織和性能的 方法，它包括在金屬凝固前或者凝固過程中施加選定的電流，如直流電流、交流電流或者脈 沖電流(電脈沖)，目的是實(shí)現(xiàn)對鑄造凝固過程的控制、組織的改善和性能的提高。但是目 前，電場處理多局限于柱狀工件，這決定了電極引入形式限于Jianhong Ma, Jie Li，Yulai Gao, Qijie Zhai. Grain refinement of pure Al with different electric current pulsemodesMaterials Letters, 2009,63 :142_144(翟啟杰等人在 2009 年第 63 期的材料 快報(bào)第142-144頁上刊登的)中記載的

圖1中所示的幾種方式?？梢姡@樣的電極接法勢 必帶來了 2個(gè)問題1.電場有效作用區(qū)域??；2.電場有效作用區(qū)域內(nèi)電流密度不均勻。另 外就是，電極污染液態(tài)金屬的問題。當(dāng)前，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)尤其是航空、航天及車輛工業(yè)對材料的使用性要求越來越苛 刻，不斷要求性能優(yōu)異的新材料予以輔助，如各類高強(qiáng)輕質(zhì)耐熱材料。其中，TiAl由于密度 小(< 4000kg/m3)、比強(qiáng)度大(> 0. 15X106N · m/kg)、耐熱溫度較高(750°C -900°C )可 以替代耐熱溫度較低的鈦合金和密度相對較大的鎳基高溫合金，是新型高溫結(jié)構(gòu)材料的候 選者，例如美國GE公司將TiAl合金試用于波音787的GEnx發(fā)動機(jī)低壓渦輪葉片。然而本 征脆性大、韌性低仍然是這一類材料的典型缺陷，也是其不能穩(wěn)定應(yīng)用的重要原因。定向凝 固可以控制晶體的生長取向，使組織按照特定方向排列，獲得單向及單晶結(jié)構(gòu)，明顯改善材 料的力學(xué)性能。理論分析表明，全片層組織的定向凝固TiAl，當(dāng)片層方向與加載軸完全平行 時(shí)具有最佳的綜合力學(xué)性能，尤其是室溫拉伸延長率可由0. 2%左右提高至10%左右。然 而，TiAl是一種典型的包晶體系，凝固路徑復(fù)雜，凝固行為異常，對其所開展的定向凝固仍 有幾個(gè)難點(diǎn)問題沒有很好解決(1)定向凝固柱晶組織的細(xì)化；(2)初生相與包晶相的競爭 生長關(guān)系(直接影響對固相析出片層取向的控制)。因此認(rèn)為這是目前定向凝固TiAl合金 在性能方面與理論值相差較大的重要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有用于電場處理下的澆鑄金屬的鑄型中的電極接法 存在電場有效作用區(qū)域小、電流密度分布不均勻、電極污染金屬液，以及現(xiàn)有定向凝固鈦鋁 基合金過程中存在柱晶組織粗大、固相析出片層取向難以很好控制的問題，本發(fā)明提供了 一種用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型及采用其澆鑄鈦鋁基合金的方法。本發(fā)明的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，在陶瓷鑄型型腔的兩個(gè)相對側(cè)面 上分別設(shè)置與型腔的側(cè)面形狀一致的同質(zhì)復(fù)合電極，設(shè)置的兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極均由紫銅板、 合金板和紫銅接線柱組成，其中紫銅接線柱設(shè)置在紫銅板的一側(cè)，紫銅板的另一側(cè)與合金板 焊接結(jié)合，在其中之一個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極上設(shè)置有澆注口，澆注口與直澆道連通；設(shè)置紫銅接 線柱的紫銅板的一側(cè)與鑄型型腔的側(cè)面連接，紫銅接線柱橫穿鑄型壁并裸露在鑄型外壁上。本發(fā)明的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型在未設(shè)置同質(zhì)復(fù)合電極的另外兩 個(gè)內(nèi)側(cè)面上設(shè)有鎢錸熱電阻測溫孔；本發(fā)明的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型中合金 板的種類由陶瓷鑄型處理的金屬熔液成分而定，若陶瓷鑄型用于處理鈦鋁合金，則合金板 為鈦合金板或鈦鋁合金板；若陶瓷鑄型用于處理鋁合金，則合金板為鋁合金板；若陶瓷鑄 型用于處理鑄鐵，則合金板為鑄鐵板等等，依此類推。本發(fā)明的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型的紫銅接線柱在紫銅板上的最佳 位置可以通過ANSYS電磁場有限元計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算得到，通過紫銅板的厚度D、紫銅板電 阻率P1、紫銅板高度W(即鑄型側(cè)面高度)、兩側(cè)紫銅接線柱距離鑄型上開口壁沿的距離Dl 和D2、兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極間的距離L以及澆鑄的金屬的電阻率P2，計(jì)算得到兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合 電極間的電流密度分布，并得到最大電流密度Jmax和最小電流密度Jmin，則電流密度均勻性 (Javee)以最小電流密度Jmin與最大電流密度Jmax的比值表示，即Javek = Jmin/Jmax，根據(jù)實(shí)際 生產(chǎn)質(zhì)量需要，可以定義Javek的最小值，當(dāng)大于此最小值時(shí)即可認(rèn)為兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極間 的電流密度分布均勻；比如要求JAraK大于0. 95時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極間的電流密度分 布均勻，從而可以得出最佳的兩側(cè)紫銅接線柱距離鑄型上開口壁沿的距離Dl和D2，從而確 定紫銅接線柱的位置。同時(shí)還可以得到紫銅板的厚度D的最佳值?？傊?，當(dāng)所澆鑄的金屬 或合金確定下來時(shí)，其相應(yīng)的物性參數(shù)包括電阻率便可確定，即可通過ANSYS電磁場有限 元計(jì)算軟件能夠計(jì)算得到最佳的Dl和D2值，以及紫銅板的厚度D。本發(fā)明的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型中同質(zhì)復(fù)合電極的設(shè)置使得電場 有效作用區(qū)域變大、電位線走勢均衡，電流密度分布均勻，同時(shí)同質(zhì)復(fù)合電極與金屬熔液接 觸的部分為與金屬熔液同質(zhì)的合金板，解決了異質(zhì)電極對金屬熔液的污染，避免了在鑄造 過程中雜質(zhì)金屬的引入，提高了合金鑄件的質(zhì)量。本發(fā)明采用用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型澆鑄鈦鋁基合金的方法，是通過 以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、將用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型置于真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，將陶 瓷鑄型外壁上的兩個(gè)紫銅接線柱中的一個(gè)通過電纜接電極電源正極，另一個(gè)紫銅接線柱通 過電纜接電極電源負(fù)極，其中陶瓷鑄型內(nèi)的兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極中的合金板均為鈦鋁合金板 或者鈦合金板；二、按鈦鋁基合金成分配比稱取合金原料，其中按原子百分比包含46% 50 %的鋁，然后將合金原料放入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)的水冷坩堝中，然后將水冷銅坩堝真空 感應(yīng)熔煉爐爐門關(guān)閉保持密閉；三、啟動抽真空系統(tǒng)，將真空感應(yīng)熔煉爐的爐腔抽真空至 壓力低于0. lPa，然后啟動真空感應(yīng)熔煉爐電源，對水冷坩堝中的合金原料進(jìn)行加熱熔煉0. 2h 0. 5h，得熔體；四、啟動電極電源，然后將步驟三處理得的熔體澆注至用于電場處理 下澆鑄金屬的陶瓷鑄型中，然后電場處理IOs 30min，關(guān)閉電極電源，冷卻后將鑄件取出， 即得鈦鋁基合金。本發(fā)明澆鑄鈦鋁基合金的方法步驟一中電纜通過真空感應(yīng)熔煉爐的爐門將紫銅 接線柱和電極電源連接，為了保證爐門關(guān)閉后，真空感應(yīng)熔煉爐爐腔的密閉，在爐門封口處 設(shè)置兩片銅箔，使得真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)接紫銅接線柱的電纜與真空感應(yīng)熔煉爐外電源引出 的電源在爐門處用銅箔進(jìn)行導(dǎo)通，同時(shí)用絕緣材料對銅箔和電纜與銅箔導(dǎo)通接觸部分進(jìn)行 絕緣保護(hù)。本發(fā)明步驟一中電極電源正極與紫銅接線柱之間的電纜上接入一個(gè)負(fù)載箱，以 避免工作期間短路而沖擊電極電源造成損壞。本發(fā)明的澆鑄鈦鋁基合金的方法澆鑄得到的鈦鋁基合金的晶粒組織明顯細(xì)化；枝 晶間距減小，枝晶干趨于電場方向生長。本發(fā)明在定向凝固鈦鋁基合金過程中能夠很好地 對柱晶組織進(jìn)行細(xì)化，固相析出片層取向得到一定程度的控制。本發(fā)明對用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型中的同質(zhì)復(fù)合電極進(jìn)行了電極板 發(fā)熱分析，電極上有電流流過時(shí)由Joule定律可知，在電極上單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的Joule熱如 公式⑴所述
權(quán)利要求
用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，其特征在于用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，在陶瓷鑄型型腔(1)的兩個(gè)相對側(cè)面上分別設(shè)置與型腔(1)的側(cè)面形狀一致的同質(zhì)復(fù)合電極(2)，設(shè)置的兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極(2)均由紫銅板(2 1)、合金板(2 2)和紫銅接線柱(2 3)組成，其中紫銅接線柱(2 3)設(shè)置在紫銅板(2 1)的一側(cè)，紫銅板(2 1)的另一側(cè)與合金板(2 2)焊接結(jié)合，在其中之一個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極(2)上設(shè)置有澆注口(2 4)，澆注口(2 4)與直澆道連通；設(shè)置紫銅接線柱(2 3)的紫銅板(2 1)的一側(cè)與鑄型型腔(1)的側(cè)面連接，紫銅接線柱(2 3)橫穿鑄型壁并裸露在鑄型外壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，其特征在于合金板 (2-2)為鈦合金板、鈦鋁合金板、鋁合金或者鑄鐵板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，其特征在于紫銅 接線柱(2-3)設(shè)置在紫銅板(2-1)的一側(cè)，其中設(shè)置有澆注口(2-4)的同質(zhì)復(fù)合電極(2) 上的紫銅接線柱(2-3)設(shè)置在紫銅板(2-1)上的澆注口(2-4)的下方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，其特征在于紫銅 板(2-1)的厚度D與陶瓷鑄型型腔(1)側(cè)面高度W的比值為D W = 1 1 55，澆鑄金 屬的金屬電阻率為1.78Χ10_5Ω ·πι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，其特征在于紫銅 板(2-1)的厚度D與陶瓷鑄型型腔(1)側(cè)面高度W的比值為D W = 1 1 7，澆鑄金屬 的金屬電阻率為1.75Χ10_6Ω ·πι。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型，其特征在于紫銅 板(2-1)的厚度D與陶瓷鑄型型腔(1)側(cè)面高度W的比值為D W= 1 1 1.35，澆鑄 金屬的金屬電阻率為1.75Χ10_ΤΩ ·πι。
7.采用如權(quán)利要求1所述的用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型澆鑄鈦鋁基合金的 方法，其特征在于采用用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型澆鑄鈦鋁基合金的方法是通過 以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、將用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型(3)置于真空感應(yīng)熔煉爐(4) 內(nèi)的固定耐火板(13)上，將陶瓷鑄型(3)外壁上的兩個(gè)紫銅接線柱(2-3)中的一個(gè)通過電 纜(5)接電極電源(6)正極，另一個(gè)紫銅接線柱(2-3)通過電纜(5)接電極電源(6)負(fù)極， 其中陶瓷鑄型(3)內(nèi)的兩個(gè)同質(zhì)復(fù)合電極(2)中的合金板(2-2)均為鈦鋁合金板或者鈦合 金板，固定耐火板(13)固定在支架(14)上；二、按鈦鋁基合金成分配比稱取合金原料，其中 按原子百分比包含46% 50%的鋁，然后將合金原料放入真空感應(yīng)熔煉爐(4)內(nèi)的水冷坩 堝(11)中，然后將真空感應(yīng)熔煉爐⑷爐門關(guān)閉保持密閉；三、啟動抽真空系統(tǒng)(12)，將真 空感應(yīng)熔煉爐(4)的爐腔抽真空至壓力低于0. lPa，然后啟動真空感應(yīng)熔煉爐(4)電源，對 水冷坩堝(11)中的合金原料進(jìn)行加熱熔煉0. 2h 0. 5h，得熔體；四、啟動電極電源(6)，然 后將步驟三處理得的熔體澆注至用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型(3)中，然后電場處 理IOs 30min，關(guān)閉電極電源(6)，冷卻后將鑄件取出，即得鈦鋁基合金坯錠。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型澆鑄鈦鋁基合金 的方法，其特征在于步驟一中電纜(5)通過真空感應(yīng)熔煉爐(4)的爐門將紫銅接線柱(2-3) 和電極電源(6)連接，在爐門封口處設(shè)置兩片紫銅箔(8)，使得真空感應(yīng)熔煉爐(4)內(nèi)接紫 銅接線柱(2-3)的電纜(5)與真空感應(yīng)熔煉爐(4)外電極電源(6)引出的電纜(5)在爐門 處用紫銅箔(8)進(jìn)行導(dǎo)通，同時(shí)用絕緣材料(9)對紫銅箔(8)以及電纜(5)與紫銅箔(8)導(dǎo)通接觸部分進(jìn)行絕緣保護(hù)，再用真空密封圈(10)對爐門處進(jìn)行密封。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的采用用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型澆鑄鈦鋁基合 金的方法，其特征在于步驟一中電極電源正極(6)與紫銅接線柱(2-3)之間的電纜(5)上 接入一個(gè)負(fù)載箱(7)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的采用用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型澆鑄鈦鋁基 合金的方法，其特征在于步驟二中鈦鋁基合金為Ti46A10. 5W0. 5SiO. 3Y、Ti46A10. 5W0. 5Si、 Ti47Al、Ti47A15Nb、Ti47AllNb 或者 Ti47A13Nb。
全文摘要
用于電場處理下澆鑄金屬的陶瓷鑄型及采用其澆鑄鈦鋁基合金的方法，涉及陶瓷鑄型及用其澆鑄合金方法。解決現(xiàn)有電場處理澆鑄金屬中的電極接法的電場有效作用區(qū)域小、電流密度分布不均、電極污染金屬液及定向凝固鈦鋁基合金中的柱晶組織粗大、固相析出片層取向難以控制的問題。陶瓷鑄型型腔的相對側(cè)面上設(shè)與型腔側(cè)面形狀一致的同質(zhì)復(fù)合電極，電極由紫銅板、合金板和紫銅接線柱組成。澆鑄方法將陶瓷鑄型放入真空感應(yīng)熔煉爐，將接線柱接電極電源正負(fù)極；稱取合金原料，抽真空后啟動熔煉爐熔煉得熔體；將熔體注至陶瓷鑄型，電場處理后冷卻即可。同質(zhì)復(fù)合電極使電場有效作用區(qū)域變大、電流密度分布均勻；鈦鋁基合金晶粒細(xì)化效果明顯。
文檔編號B22D21/04GK101941066SQ20101050979
公開日2011年1月12日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者丁宏升, 傅恒志, 姜三勇, 張永, 郭景杰, 陳瑞潤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)