專利名稱：鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置。
背景技術(shù)：
一.發(fā)明的背景和意義隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對具有更高性能和特殊功能的材料及加工技術(shù)提出了迫切的需求，作為時代標(biāo)志的航天航空、石油化工和電力等工業(yè)部門非常需要耐高溫、低密度、超高強(qiáng)和高彈性模量的輕質(zhì)新型材料。鈦鋁合金由于其低密度，良好的抗氧化性和優(yōu)異的高溫性能，是一種極具潛力的高溫部件用材。特別是全片層組織的鈦鋁合金(室溫組織為Y-TiAl+Ci-Ti3Al雙相組織)顯示了良好的綜合力學(xué)性能，受到了人們的關(guān)注。對于發(fā)動機(jī)用材，在低于760°C的工作溫度下，目前鈦鋁合金已被成功研制成先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，這一方面提高了燃燒室的工作溫度，可獲得高的燃燒效率，另一方而減輕了發(fā)動機(jī)的自重，以降低強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)離心力所帶來的高工作應(yīng)力，減輕了支撐件的重量，提高了零部件的整體工作壽命，最重導(dǎo)致飛行器自重減少。鑒于鈦鋁合金在各類先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用前景，近年來對這類金屬間化合物型合金材料的制備與加工工藝及其與組織和性能之間的關(guān)系開展了大量的研究，在改善這類合金的室溫塑性、韌性，高溫強(qiáng)度和抗高溫蠕變性能等方面均有了長足進(jìn)展。但鈦鋁合金葉片機(jī)械加工比較困難，成本比較高。為了降低加工成本，節(jié)省大量的加工工時，目前鈦鋁合金采用的主要加工成形工藝路線包括變形加工、鑄造成形和粉末冶金成型等，但合金在鑄造時容易產(chǎn)生收縮和孔洞等缺陷，不能保證其在重要部位的使用性能；粉末冶金還不易控制其氧、氮等間隙元素的含量，且抗蠕變性能差；變形加工后合金的綜合力學(xué)性能匹配差，高溫變形不均勻，動態(tài)再結(jié)晶不完全，表現(xiàn)出明顯的力學(xué)各向異性。因此如何能達(dá)到合金高性能化的加工要求，對鈦鋁合金在航空航天等工業(yè)上的應(yīng)用具有重要作用。在長期的實驗中，經(jīng)研究人員仔細(xì)地觀察發(fā)現(xiàn)合金的晶界在高溫條件下是受力薄弱的地方，這是由于晶界處原子排列一般不規(guī)則，且雜質(zhì)含量高，擴(kuò)散較容易。這樣就設(shè)想通過定向結(jié)晶和凝固的方法消除沿晶粒受力方向的橫向晶界，以提高性能；進(jìn)一步研究后又發(fā)現(xiàn)定向結(jié)晶的柱狀晶，在其晶界處是裂紋容易萌生的部位，如果進(jìn)一步消除晶界，將合金制成單晶，則會極大提高合金的性能，而這些必須通過定向凝固技術(shù)才能實現(xiàn)，因此開發(fā)新型的鈦鋁合金定向凝固技術(shù)對提高鈦鋁合金零部件的使用性能，加速其在航天航空、石油化工和電力等領(lǐng)域的應(yīng)用著實具有實踐意義。目前對于鈦鋁合金進(jìn)行定向凝固大多采用在石墨或者A1203、Y203以及CaO等陶瓷材料制成的坩堝容器中進(jìn)行，由于液態(tài)下鈦金屬極為活潑，幾乎與所有的金屬或者陶瓷材料發(fā)生反應(yīng)，因此合金的雜質(zhì)含量高，定向凝固組織不穩(wěn)定，反而有違于改善力學(xué)性能的初衷。因此對鈦鋁合金進(jìn)行定向凝固的主要障礙就是如何減少合金液的污染、控制合金成分的準(zhǔn)確性和有效的控制凝固過程。
二.本發(fā)明所涉及技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展(一)定向凝固技術(shù)的發(fā)展所謂定向凝固是在控制坯件內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)和流動的條件下，控制金屬或晶體類材料沿固定生長方向進(jìn)行凝固或者結(jié)晶的技術(shù)手段。定向凝固后金屬的組織特征是與凝固熱流方向相平行的一組平行柱狀晶，如果能夠適當(dāng)控制晶粒的生長過程，例如抑制外來生核，則晶體可以長成只有一個晶粒的結(jié)晶組織，稱為單晶體。由此可見定向凝固是在滿足單向的熱量和質(zhì)量傳遞基本條件下的特殊的材料加工工藝。目前這種限制性凝固技術(shù)的發(fā)展，一方面為現(xiàn)代凝固技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的理論支撐，例如關(guān)于許多凝固現(xiàn)象都要依賴于定向凝固方法來系統(tǒng)研究，另一方面為工程上提供大量性能優(yōu)異和可實用化的結(jié)構(gòu)和功能材料，如定向或單晶的高溫合金航空葉片、半導(dǎo)體娃電子材料、磁致伸縮材料、GaAs晶體發(fā)光材料、金屬間化合物及各種金屬基及無機(jī)復(fù)合材料等等。定向凝固技術(shù)的優(yōu)越性直接表現(xiàn)在可以大范圍控制凝固速率，即定向凝固時材料的冷卻速率可由10_4K/ · S到IO4K/ · S大范圍變化，因此能實現(xiàn)在極慢速條件下制備平衡凝固組織到在極快條件下制備非平衡的超細(xì)或者亞穩(wěn)態(tài)凝固組織的組織狀態(tài)的大范圍調(diào)整，又由于材料的組織狀態(tài)與性能指標(biāo)密切相關(guān)，所以定向凝固為材料加工過程提供了廣泛的空間。當(dāng)前世界上幾乎所有的民用及軍用先進(jìn)發(fā)動機(jī)的高溫合金渦輪及導(dǎo)向葉片，均采用定向凝固技術(shù)將其加工成柱晶或者單晶組織狀態(tài)來使用，這極大地提高了其高溫使用性能，這一事實體現(xiàn)了定向凝固技術(shù)的突出貢獻(xiàn)，而且定向凝固是一個非?；钴S的技術(shù)領(lǐng)域，許多新型的定向技術(shù)正處于快速發(fā)展中。I.爐外結(jié)晶法(EP法)爐外結(jié)晶法又叫發(fā)熱劑法，是定向凝固工藝中最原始的方法之一，Versnyder等早在20世紀(jì)50年代就應(yīng)用于試驗中。其原理是水冷模底部采用水冷銅底座，頂部覆蓋發(fā)熱劑，側(cè)壁米用隔熱層絕熱，燒入金屬液后，在金屬液和己凝固金屬中建立起一個自下而上的溫度梯度，使鑄件自下而上，實現(xiàn)定向凝固。由于所能獲得的溫度梯度小和沿高度不斷減小，而且很難控制。因此，該法只可用于制造要求不高的零件。2.功率降低法(ro法)在20世紀(jì)60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。采用水冷底盤，上面放一個底部開放的模殼，外面套有石墨罩，石墨上套有中間抽頭的兩組感應(yīng)線圈，在模殼上安有熱電偶，在加入熔化好的金屬液前，建立所要的溫度場。自下而上順序關(guān)閉加熱線圈，調(diào)節(jié)功率，使金屬建立一個自下而上的溫度梯度場，實現(xiàn)定向凝固。由于熱傳導(dǎo)能力隨著離水冷平臺距離的增加而明顯降低，溫度梯度在凝固過程中逐漸減小，所以軸向上的柱狀晶較短。由于其生長長度受到限制，并且柱狀晶之間的平行度差，合金的顯微組織在不同部位差異較大，加之設(shè)備相對復(fù)雜，且能耗大，限制了該方法的應(yīng)用。3.快速凝固法(HRS法)快速凝固法是Erickson等于1971年提出的，其裝置和功率降低法相似，不過多了一個拉錠機(jī)構(gòu)，可使模殼按一定速度向下移動，改善了溫度梯度在凝固過程中逐漸減小的缺點，在爐子底部設(shè)有一個擋板，上面有一個略大于鑄件形狀的開口，把爐子和外部分開。抽拉裝置將鑄件以一定的速度從爐子的開口中移出或爐子移離鑄件，在空氣中冷卻，而爐子始終保持加熱狀態(tài)。這種方法避免了爐膛對已凝固層的影響，且利用空氣冷卻，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度，所獲得的柱狀晶較長，組織細(xì)密挺直均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用。但HRS法是靠輻射換熱來冷卻的，獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。4.液態(tài)金屬冷卻法(LMC法)為了獲得更高的溫度梯度和生長速度，在HRS法的基礎(chǔ)上，采用液態(tài)金屬冷卻以增大冷卻效果。該方法是Giamei等于1976年提出的。將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導(dǎo)熱系數(shù)的、高沸點、低熔點、熱容量大的液態(tài)金屬中，形成了一種新的定向凝固技術(shù)，即液態(tài)金屬冷卻法。模殼直接進(jìn)入液態(tài)金屬冷卻，散熱增強(qiáng)冷卻劑與模殼迅速達(dá)到熱平衡，得到很大的溫度梯度。這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿的溫度梯度保持穩(wěn)定，結(jié)晶在相對穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，能得到比較長的單向柱晶。常用的液態(tài)金屬有Ga2In合金和Ga2I n2 Sn合金，以及Sn液和Al液，前二者熔點低，但價格昂貴，因此只適于在實驗室條件下使用。Sn液熔點稍高(232。C)，但由于價格相對比較便宜，冷卻效果也比較好，因而適于工業(yè)應(yīng)用。該法己被美國、前蘇聯(lián)等國用于航空發(fā)動機(jī)葉片的生產(chǎn)。5.區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法(ZMLMC法)上個世紀(jì)90年代，西北工業(yè)大學(xué)李建國等在LMC法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新型的定向凝固技術(shù)一區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法。該方法改變LMC法的加熱方式，利用電子束或高頻感應(yīng)電場集中對凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱，充分發(fā)揮過熱度對溫度梯度的貢獻(xiàn)，從而有效地提高了固液界面前沿溫度梯度，其值可達(dá)1270K/cm，所允許的抽拉速度也大為提高。用ZMLMC法可在較快的生長速率下進(jìn)行定向凝固，獲得一種側(cè)向分枝生長受到抑制、一次枝晶間距超細(xì)化的定向凝固組織，即超細(xì)柱晶組織。但是，單純采用強(qiáng)制加熱的方法以求提高溫度梯度從而提高凝固速度，仍不能獲得很大的冷卻速度，因為需要散發(fā)掉的熱量相對而言更多了，故冷卻速度提高有限，一般很難達(dá)到亞快速凝固。6.電磁約束成形定向凝固(EMCS)傅恒志等人將電磁成形技術(shù)與超高梯度定向凝固技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)出一項新型定向凝固技術(shù)一電磁約束成形定向凝固技術(shù)。得到具有柱狀晶組織的鑄件，同時還可實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近終成形。電磁約束成形定向凝固技術(shù)是利用感應(yīng)線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)晶器，依靠電磁力與金屬熔體的表面張力約束成形的無模連續(xù)鑄造技術(shù)，由于金屬熔體與鑄模幾乎無任何物理接觸，在保持自由表面狀態(tài)下逐漸凝固，從而大大改善了鑄坯的表面質(zhì)量，提高了成材率。同時，由于電磁約束成形定向凝固取消了粗厚、導(dǎo)熱性能差的陶瓷模殼，實現(xiàn)無接觸鑄造，使冷卻介質(zhì)可以直接作用于金屬鑄件上，可獲得更大的溫度梯度用于生產(chǎn)無(少)偏析、組織超細(xì)化、無污染的高純難熔金屬及合金。在研究中發(fā)現(xiàn)，電磁約束成形定向凝固雖具有十分顯著的優(yōu)越性，但也存在一定的難點，如對某些比重大、電導(dǎo)率小的金屬，實現(xiàn)完全無接觸約束時，約束力小，不容易實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)的凝固。對簡單、對稱截面的試件，感應(yīng)線圈的設(shè)計相對容易，而對于復(fù)雜截面的試件，如何設(shè)計線圈，使電磁場分布合理，以得到尺寸精度合乎要求的近終形試件，比較困難。針對以上的難點，有人進(jìn)一步提出了液態(tài)金屬電磁軟接觸成形定向凝固工藝。該工藝的基本原理為利用交變電磁場將金屬在結(jié)晶器內(nèi)熔化，將試樣直接拉出結(jié)晶器，同時在結(jié)晶器下部冷卻試樣的已拉出部分以形成一維溫度場，得到內(nèi)部組織為柱狀晶的試樣。與電磁自約束定向凝固技術(shù)相比，該工藝?yán)^承了其加熱密度高、冷卻強(qiáng)度大、溫度梯度高、有利于形成細(xì)密狀晶的特點。同時又吸取了定向凝固技術(shù)截面形狀可控、尺寸精度高的優(yōu)點。但與電磁約束定向凝固相比，由于結(jié)晶器與熔體接觸，試樣的二次污染有所增加。7.深過冷定向凝固技術(shù)(SDS)液態(tài)金屬深過冷技術(shù)即通過采取人為措施，最大限度地消除器壁和熔體中非自發(fā)形核質(zhì)點的異質(zhì)形核作用，使熔體的形核過冷度大幅度提高。深過冷快速凝固嚴(yán)重偏離熱力學(xué)平衡狀態(tài)，從而使晶體的形核、生長以及最終的凝固組織和力學(xué)性能均發(fā)生較大的變化。20世紀(jì)80年代初，國外學(xué)者通過改進(jìn)冷卻條件獲得了近100K的動力學(xué)過冷熔體，在施加很小溫度梯度后，最終獲得了的MAR-M-200高溫合金試棒，并分別測試了動力學(xué)過冷定向凝固試樣與傳統(tǒng)定向凝固試樣的拉伸、蠕變強(qiáng)度等。結(jié)果顯示動力學(xué)過冷定向凝固試樣的室溫、高溫力學(xué)性能相似或優(yōu)于傳統(tǒng)試樣的拉伸、蠕變強(qiáng)度等。不久后，西北工業(yè)大學(xué)李德林等開展了深過冷激發(fā)快速定向凝固技術(shù)研究，并且取得了較為滿意的實驗結(jié)果。深過冷熔體凝固速度很快，凝固時間很短，達(dá)到了快速凝固范圍,可大幅度提高生產(chǎn)效率，改善組織和性能。但深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)能否成為一種實用的凝固技術(shù)(或工藝)，還需解決兩個問題。一是研究不同過冷度條件下，過冷熔體激發(fā)形核后晶體生長方式和組織形成規(guī)律。確定適用于形成枝晶陣列微觀組織的試驗條件和工藝因素。其次是在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上最終解決人體積深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)，使之實用化。( 二)電磁冷坩堝技術(shù)原理和特點冷坩堝由數(shù)個分瓣狀的金屬塊組成(金屬塊通常為銅，因為其導(dǎo)熱效果好并且價格低廉)，塊與塊之間用陶瓷材料填充，把冷坩堝置于交變磁場中，每個分瓣由于彼此之間絕緣不構(gòu)成回路，因此每個分瓣都產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)施加的交變電流I為順時針方向時，在分瓣中就會產(chǎn)生一個與之方向相反的電流回路I’，在相鄰的兩個分瓣處，電流方向是相反的，因此各個分瓣產(chǎn)生的磁場會彼此增強(qiáng)。這個增強(qiáng)的磁場就會對置于坩堝內(nèi)部的金屬產(chǎn)生感應(yīng)作用使其熔化，與此同時分瓣內(nèi)的電磁場，和金屬熔體表面的渦流產(chǎn)生的磁場會對金屬有個推力的作用，使其向內(nèi)部靠攏，從而很大程度上降低了其與坩堝壁接觸的面積，甚至完全不接觸。當(dāng)分瓣瓣數(shù)達(dá)到一定個數(shù)以后，坩堝內(nèi)部的磁場就會達(dá)到最佳效果，這時對金屬的感應(yīng)加熱效果最好，并且由于上述兩個地方地電磁場對熔體的推力使其劇烈攪動，因此金屬熔體內(nèi)部的溶質(zhì)成分非常均勻，溫度也比較均勻，過熱度一致。電磁冷坩堝技術(shù)在熔煉和約束成型方面有如下特點(I)由于熔體與冷坩堝壁呈軟接觸或非接觸，形成一個厚度很薄的凝殼，在凝殼內(nèi)部的熔體凝固后可以無污染或少污染。(2)由于電磁力的強(qiáng)力攪拌作用，熔體成分均勻程度很高。(3)坩堝在使用過程中始終是處于冷態(tài)，在熔煉高熔點和高活性金屬時又不和坩堝壁接觸或少接觸，減少了對坩堝的腐蝕，因此使坩堝使用壽命大大延長。(4)適合熔煉難熔金屬、活潑金屬、放射性材料等。(三)鈦鋁合金的定向凝固由于鈦鋁合金屬于金屬間化合物，在熔融狀態(tài)下合金中的高活性元素鈦可以與目前市場上常用的絕大多數(shù)材質(zhì)如氧化鋁、石墨、氮化硼等的坩堝發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此當(dāng)鈦鋁合金重熔、鑄造、尤其是保持長時間的熔融狀態(tài)時，需要用惰性極高的材料將其與盛放它的鑄模、坩堝等隔絕開來，以防止高溫化學(xué)反應(yīng)引起的熔體不純甚至產(chǎn)生的危險。鈦鋁合金的普通定向凝固過程中不可避免要使用坩堝，如果坩堝材料與定向凝固鈦鋁合金重熔時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，勢必會造成定向凝固鈦鋁合金化學(xué)成分偏離原合金成分，嚴(yán)重時還會燒穿坩堝，使定向凝固工藝失敗。要將定向凝固鈦鋁合金推向航空發(fā)動機(jī)葉片等的應(yīng)用，定向凝固用坩堝還必須滿足不規(guī)則外形的鈦鋁合金進(jìn)行定向凝固工藝處理的需要。電磁冷坩堝定向凝固技術(shù)非常適用于鈦鋁合金定向凝固組織的制備。水冷銅坩堝外部環(huán)繞高頻感應(yīng)線圈，坩堝內(nèi)放有原料底托和送料棒，底托與抽拉系統(tǒng)相連，并且浸入GaIn合金冷卻液中。在感應(yīng)線圈上施加高頻電流后在坩堝內(nèi)產(chǎn)生高頻電磁場，原料底托與上送料棒表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流生成大量焦耳熱熔化。電磁推力將熔體推向坩堝中心形成駝峰。保溫一定時間，駝峰熔體過熱度到達(dá)一定要求后，即可調(diào)節(jié)底托與上送料棒的速度進(jìn)行抽拉。抽拉過程中，上送料速度與底托抽拉速度保持固定的比例，從而保證凝固的金屬部分源源不斷的得到下落金屬熔體的補(bǔ)充，從而保證固液界面位置相對穩(wěn)定。合金在GaIn合金的冷卻作用下獲得自上而下的熱流，合金沿?zé)崃鞣聪虿粩嗄?，最終獲得穩(wěn)定的定向凝固組織。但是這種方法的缺點在于受到坩堝形狀的限制，難以成型復(fù)雜形狀的定向凝固組織。綜上，傳統(tǒng)的定向凝固方法，金屬熔體與陶瓷模殼之間需要長時問的接觸，使用冷坩堝定向凝固的方法雖然避免了模殼材料對金屬熔體的污染，但是無法成形出鈦鋁合金葉片這樣復(fù)雜形狀的鑄件。

發(fā)明內(nèi)容
航空航天船舶動力系統(tǒng)中迫切需要耐熱輕量的鈦鋁合金葉片，但采用傳統(tǒng)的定向凝固裝置會造成嚴(yán)重的雜質(zhì)污染，損害葉片的塑性指標(biāo)。為了發(fā)揮已有冷坩堝定向凝固裝置的高效無污染特點，又能克服不能定向凝固形狀復(fù)雜葉片的缺陷，本發(fā)明提供一種鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，可較好地解決上述問題。所述目的是通過如下方案實現(xiàn)的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，包括封閉的爐體、送料桿、鈦鋁合金母棒料、水冷銅坩堝、上感應(yīng)線圈、結(jié)晶器、冷卻劑材料，位于爐體內(nèi)的鈦鋁合金母棒料的上端部固定在送料桿的下端部上，鈦鋁合金母棒料的下端部伸在水冷銅坩堝中，水冷銅坩堝為開縫結(jié)構(gòu)，水冷銅坩堝外部纏繞有上感應(yīng)線圈用于激發(fā)交變磁場并通過開縫向其內(nèi)部擴(kuò)散從而產(chǎn)生加工過程所需要的熱區(qū)，盛裝有冷卻劑材料的結(jié)晶器置于水冷銅坩堝的正下方，裝置中還包括置于結(jié)晶器內(nèi)的下抽拉桿，所述下抽拉桿上端固定有橫截面為葉片坯件形狀的模殼，所述模殼置于鈦鋁合金母棒料的正下方。上述鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，所述模殼外面設(shè)置有石墨發(fā)熱體，所述石墨發(fā)熱體外面包裹有隔熱保溫層，所述隔熱保溫層外面設(shè)置有下感應(yīng)線圈。上述鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，所述上感應(yīng)線圈和下感應(yīng)線圈都是米用外徑9. 5 10. 5mm、內(nèi)徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成。上述鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，水冷銅坩堝外部的上感應(yīng)線圈環(huán)繞成為內(nèi)徑70_的線圈4匝，隔熱保溫層外面的下感應(yīng)線圈環(huán)繞成為內(nèi)徑110_的線圈4阻。上述鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，所述上感應(yīng)線圈、下感應(yīng)線圈的銅管外表面采用環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯帶進(jìn)行包裹。
上述鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，銅管外表面還包裹有陶瓷纖維帶進(jìn)行隔熱處理。上述鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，所述石墨發(fā)熱體和隔熱保溫層的上下表面分別固定有防止熱量散失的上隔熱檔板和下隔熱檔板。上述鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，所述模殼為上下通透的環(huán)狀型殼，環(huán)狀型殼的下端邊緣通過連接桿固定在下抽拉桿上，位于下抽拉桿上端的環(huán)狀型殼內(nèi)預(yù)先設(shè)置了底料，起到啟熔的作用。本發(fā)明實現(xiàn)了鈦鋁合金的的連續(xù)熔化，連續(xù)充填，連續(xù)凝固。使用感應(yīng)加熱的方法熔化鈦鋁合金，并且對石墨發(fā)熱體進(jìn)行感應(yīng)加熱，模殼放置在圓環(huán)狀發(fā)熱體內(nèi)部進(jìn)行保溫，使用GaIn液態(tài)合金作為定向凝固的冷卻介質(zhì)。上部送料機(jī)構(gòu)連續(xù)送入鈦鋁合金進(jìn)行感應(yīng)熔化，下部利用抽拉機(jī)構(gòu)將模殼連同內(nèi)部熔融金屬穩(wěn)定抽拉至GaIn合金中實現(xiàn)定向凝固。通過本發(fā)明所述裝置，可以大大縮短高活性合金熔體與模殼的接觸時間，顯著減輕熔體與陶瓷產(chǎn)生的反應(yīng)對定向凝固組織帶來的不利影響，避免鈦鋁葉片被模殼污染。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I-送料桿，2-真空系統(tǒng)，3-鈦鋁合金母棒料，4-冷坩堝開縫，51-上感應(yīng)線圈，52-下感應(yīng)線圈，61-上隔熱擋板，62-下隔熱擋板，7-接線盤，8-補(bǔ)償導(dǎo)線，9-測溫巡檢儀，10-緊固螺栓，11-熱電偶，12-模殼，13-連接桿，14-冷卻出水口，15-冷卻劑材料，16-結(jié)晶器，17-下抽拉桿，18-坩堝屏蔽環(huán)，20-真空室，21 -固定電極，22-隔熱保溫層，23-石墨發(fā)熱體，24-底料，25-冷卻水入口，26-液態(tài)鈦鋁合金，27-定向凝固組織。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明優(yōu)選的實施方式。本發(fā)明所述裝置具體結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括待加工材料的母料固定與供給系統(tǒng)、初始底料的固定系統(tǒng)、抽真空與氬氣充填系統(tǒng)、供應(yīng)循環(huán)冷卻水的冷卻系統(tǒng)、電源功率進(jìn)給提供凝固過程所需要的能量系統(tǒng)、供給母料與最終凝固合金坯錠的進(jìn)給與送出運動系統(tǒng)以及凝固坯錠在結(jié)晶器內(nèi)的凝固冷卻系統(tǒng)等。具體描述為本實施例包括封閉的爐體、送料桿、鈦鋁合金母棒料、水冷銅坩堝、上感應(yīng)線圈、結(jié)晶器、冷卻劑材料，位于爐體內(nèi)的鈦鋁合金母棒料的上端部固定在送料桿的下端部上，鈦鋁合金母棒料的下端部伸在水冷銅坩堝中，水冷銅坩堝為開縫結(jié)構(gòu)，水冷銅坩堝外部纏繞有上感應(yīng)線圈用于激發(fā)交變磁場并通過開縫向其內(nèi)部擴(kuò)散從而產(chǎn)生加工過程所需要的熱區(qū)，盛裝有冷卻劑材料的結(jié)晶器置于水冷銅坩堝的正下方，還包括置于結(jié)晶器內(nèi)的下抽拉桿，所述下抽拉桿上端固定有橫截面為葉片坯件形狀的模殼，所述模殼置于鈦鋁合金母棒料的正下方。模殼為上下通透的環(huán)狀型殼，環(huán)狀型殼的卜端邊緣固定于下抽拉桿上，位于下抽拉桿上端的環(huán)狀型殼內(nèi)預(yù)先設(shè)置了底料，起到啟熔的作用。模殼外面設(shè)置有石墨發(fā)熱體，所述石墨發(fā)熱體外面包裹有隔熱保溫層，所述隔熱
8保溫層外面設(shè)置有下感應(yīng)線圈。對于懸浮式澆鑄型冷坩堝，必須要考慮TiAl與石墨發(fā)熱體的功率匹配的問題，石墨的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TiAl，在外加相同交變磁場的情況下，石墨的發(fā)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦鋁基合金，必須通過使用異形感應(yīng)線圈的方法在不同區(qū)域產(chǎn)生不同的交變磁場使得鈦鋁的感應(yīng)熔煉與石墨的感應(yīng)加熱相協(xié)調(diào)。本發(fā)明對線圈的內(nèi)徑與匝數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，選定線圈總匝數(shù)為8圈，上部為內(nèi)徑67 70mm線圈4匝，下部為內(nèi)徑108 112mm線圈4匝，都采用外徑9. 5 10. 5mm,內(nèi)徑5. 5 6. 5mm的T3銅管繞制而成。在真空感應(yīng)熔煉過程中，爐內(nèi)處于高溫強(qiáng)電磁環(huán)境，感應(yīng)線圈在匝間距離很小，載荷電壓很高的情況下極易發(fā)生放電現(xiàn)象，當(dāng)真空室內(nèi)壓力為數(shù)百帕?xí)r，端電壓高于300V時，就可以產(chǎn)生放電，因此需要采取絕緣措施提高電壓，對坩堝和感應(yīng)線圈進(jìn)行絕緣處理，采用環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯帶進(jìn)行包裹，高溫部分再包裹陶瓷纖維帶進(jìn)行隔熱處理，經(jīng)過絕緣處理后，電壓可提高到500-2000V。石墨加熱體具有溫度高熱效率大導(dǎo)熱性能良好和壽命較長等優(yōu)點，因此通常在定向凝固技術(shù)中被作為發(fā)熱材料。目前石墨加熱方法主要有兩種，石墨感應(yīng)加熱和石墨電阻加熱，石墨電阻加熱方法具有控溫便捷，不干擾熔體流動等優(yōu)點，但是石墨電阻加熱裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，加熱降溫過程緩慢。與之相比感應(yīng)加熱石墨方法，裝置簡單，成本低廉，發(fā)熱效率高，升溫迅速，通過計算石墨設(shè)置合適的厚度可以有效屏蔽電磁場對金屬熔體造成的擾動。因此采用高純石墨材料制作感應(yīng)加熱圓環(huán)發(fā)熱體，石墨體厚度為8_。為了獲取性能優(yōu)良的定向凝固組織，必須要實現(xiàn)大的溫度梯度，這就需要進(jìn)一步提高加熱區(qū)的溫度，并且盡量防止熱流由加熱區(qū)向冷卻區(qū)散失。因此在圓環(huán)發(fā)熱體頂部底部覆蓋隔熱擋板，發(fā)熱體四周包覆Al2O3與保溫纖維組成的保溫層，盡量減少熱量的流失，提高定向凝固區(qū)域的加熱溫度。本實施方式只是對本專利的示例性說明而并不限定它的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域人員還可以對其進(jìn)行局部改變，只要沒有超出本專利的精神實質(zhì)，都視為對本專利的等同替換，都在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，包括封閉的爐體、送料桿、鈦鋁合金母棒料、水冷銅坩堝、上感應(yīng)線圈、結(jié)晶器、冷卻劑材料，位于爐體內(nèi)的鈦鋁合金母棒料的上端部固定在送料桿的下端部上，鈦鋁合金母棒料的下端部伸在水冷銅坩堝中，水冷銅坩堝為開縫結(jié)構(gòu)，水冷銅坩堝外部纏繞有上感應(yīng)線圈用于激發(fā)交變磁場并通過開縫向其內(nèi)部擴(kuò)散從而產(chǎn)生加工過程所需要的熱區(qū)，盛裝有冷卻劑材料的結(jié)晶器置于水冷銅坩堝的正下方，其特征在于還包括置于結(jié)晶器內(nèi)的下抽拉桿，所述下抽拉桿上端固定有橫截面為葉片坯件形狀的模殼，所述模殼置于鈦鋁合金母棒料的正下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，其特征在于所述模殼外面設(shè)置有石墨發(fā)熱體，所述石墨發(fā)熱體外面包裹有隔熱保溫層，所述隔熱保溫層外面設(shè)置有下感應(yīng)線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，其特征在于所述上感應(yīng)線圈和下感應(yīng)線圈都是采用外徑9. 5 10. 5mm、內(nèi)徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，其特征在于水冷銅坩堝外部的上感應(yīng)線圈環(huán)繞成為內(nèi)徑67 70_的線圈4匝，隔熱保溫層外面的下感應(yīng)線圈環(huán)繞成為內(nèi)徑108 112mm的線圈4阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，其特征在于所述上感應(yīng)線圈、下感應(yīng)線圈的銅管外表面采用環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯帶進(jìn)行包裹。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，其特征在于銅管外表面還包裹有陶瓷纖維帶進(jìn)行隔熱處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，其特征在于所述石墨發(fā)熱體和隔熱保溫層的上下表面分別固定有防止熱量散失的上隔熱檔板和下隔熱檔板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一項所述的鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置，其特征在于所述模殼為上下通透的環(huán)狀型殼，環(huán)狀型殼的下端邊緣通過連接桿固定于下抽拉桿上，位于下抽拉桿上端的環(huán)狀型殼內(nèi)預(yù)先設(shè)置了底料。
全文摘要
航空航天船舶動力系統(tǒng)中迫切需要耐熱輕量的鈦鋁合金葉片，但采用傳統(tǒng)的定向凝固裝置會造成嚴(yán)重的雜質(zhì)污染，損害葉片的塑性指標(biāo)。為了發(fā)揮已有冷坩堝定向凝固裝置的高效無污染特點，又能克服不能定向凝固形狀復(fù)雜葉片的缺陷，本發(fā)明提供了一種鈦鋁合金葉片坯件連續(xù)冷坩堝定向凝固鑄造裝置。在連續(xù)的水冷銅坩堝外部纏繞有上感應(yīng)線圈用于激發(fā)交變磁場，并通過其開縫向內(nèi)部擴(kuò)散產(chǎn)生熱區(qū)，裝置中還包括置于結(jié)晶器內(nèi)的下抽拉桿，所述下抽拉桿上端面固定有橫截面為鈦鋁葉片坯件形狀的模殼，模殼由外部感應(yīng)石墨套加熱。本發(fā)明實現(xiàn)了鈦鋁合金的連續(xù)熔化，連續(xù)充填，連續(xù)凝固，可以大大縮短高活性合金熔體與模殼的接觸時間，避免鈦鋁葉片被模殼污染。
文檔編號B22D27/02GK102935507SQ20121044379
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者丁宏升, 李明亮, 王永喆, 陳瑞潤, 郭景杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)