專利名稱：懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷坩堝定向凝固鑄造裝置。
背景技術(shù)：
I.發(fā)明的背景和意義進(jìn)入21世紀(jì)，航空航天事業(yè)不斷蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的材料與材料加工技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的需求。對(duì)新型材料與新型材料加工技術(shù)的研究凸顯的日益重要。減輕發(fā)動(dòng)機(jī)與結(jié)構(gòu)件的重量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度是提高航空航天器效率的有效途徑。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用鎳基高溫合金和鈦合金材料。鈦合金的使用溫度達(dá)到600°C，鎳基高溫合金的工作溫度接近1100°C。鎳基高溫合金密度大而鈦合金的工作溫度低這都極大地限制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，尋找一種輕質(zhì)耐高溫的可靠的新型航空材料是突破目前發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展瓶頸的一條重要途徑。近年來針對(duì)金屬間化合物材料的研究越來越引起各國研究者的重視，其具有一般金屬和合金所沒有的高比強(qiáng)度、高比剛度，以及良好的高溫抗氧化、抗蠕變和抗氫脆等特性。鈦鋁基合金由于具有高比強(qiáng)、高比剛、耐高溫以及優(yōu)異的抗氧化性，是高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是高壓壓氣機(jī)部位優(yōu)秀的候選材料。目前高性能發(fā)動(dòng)機(jī)要求高壓壓氣機(jī)葉片的工作溫度應(yīng)達(dá)到750-850° C區(qū)間，因此提高材料的耐熱性是必須首先解決的問題。從已經(jīng)開發(fā)成功的鈦鋁基合金來看，如Ti-Al-Cr-Nb系，Ti-Al-Si系等，其在葉片工作所要求的溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了良好的綜合性能比彈性模量是其它結(jié)構(gòu)材料的I. 5倍以上；比強(qiáng)度高于鈦合金和鎳基合金，甚至接近單晶鎳基合金的水平；膨脹系數(shù)接近低膨脹系數(shù)的鎳基合金；易燃性遠(yuǎn)低于鎳基合金。鈦鋁基合金這些優(yōu)秀的性能特點(diǎn)為其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，用以代替密度大的不銹鋼或者鎳基合金，這對(duì)于進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度和減少發(fā)動(dòng)機(jī)自重具有重要意義。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的受力特點(diǎn)是承受徑向載荷力，消除橫向晶界對(duì)保持葉片的良好工作狀態(tài)具有重要意義。對(duì)于鈦鋁合金，如果能制備成具有定向凝固組織的葉片，由于晶粒取向與主應(yīng)力方向一致，還會(huì)進(jìn)一步提高壓氣機(jī)的工作溫度。定向凝固技術(shù)在鎳基合金渦輪葉片生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，大幅度地提高了材料的使用性能。然而對(duì)于鈦鋁基合金目前還沒有采用定向凝固進(jìn)行葉片制備的先例。TiAl合金具有熔點(diǎn)高，化學(xué)活性高的特點(diǎn)，其與CaO、A1203、Zr203材料都會(huì)發(fā)生反應(yīng)，雜質(zhì)的引入會(huì)嚴(yán)重?fù)p害TiAl合金的性能增加其室溫脆性，降低高溫強(qiáng)度，抗氧化性和抗蠕變能力。因此傳統(tǒng)的定向凝固方法很難克服TiAl材料的定向組織制備中出現(xiàn)的問題，TiAl材料的制備與加工技術(shù)成為TiAl工程實(shí)用化的最大的制約因素，冷坩堝定向凝固技術(shù)作為一種新型的定向凝固技術(shù)，采用感應(yīng)加熱的方法熔化金屬，同時(shí)使用冷壁材料制成的坩堝本身不與合金熔體發(fā)生反應(yīng)，可以多次重復(fù)使用，具有成本低，無污染的特點(diǎn)，特別適用于高熔點(diǎn)高反應(yīng)活性的TiAl基合金的定向凝固。使用冷坩堝定向凝固方法制成的TiAl定向凝固組織較鑄態(tài)組織的性能進(jìn)一步提高。2.本發(fā)明所涉及技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展2. I定向凝固技術(shù)的發(fā)展CN 102927815 A
書
明
說
2/8頁所謂定向凝固是在控制坯件內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)和流動(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)材料的冷卻速率可由10-4K/S到104K/S大范圍變化，因此能實(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)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。2. I. I高梯度定向凝固由于溫度梯度增高的局限性，為維持單向熱流，凝固速率只能限定至約O. I l°c /秒的范圍內(nèi)，這樣所得到的凝固組織比較粗大，偏析嚴(yán)重，影響了材料潛力的發(fā)揮。因此開發(fā)了高溫度梯度定向凝固技術(shù)，它是在高頻感應(yīng)加熱條件下，通過對(duì)試樣施以局部窄區(qū)加熱，并且超短距離強(qiáng)制低溫冷卻，這樣獲得的溫度梯度通常大于1000°c /Cm，可在保持單向熱流的條件下，將凝固速率提高至幾十至幾百倍，得到了超細(xì)化的定向凝固及單晶凝固組織，顯著地提高了力學(xué)性能。2. I. 2深過冷定向凝固常規(guī)定向凝固技術(shù)，至少存在兩個(gè)問題(1)冷卻速率受控于已凝固固相端熱量導(dǎo)出的限制；(2)追求高溫度梯度造成技術(shù)和設(shè)備上的困難。為了使材料在較低溫度梯度下還能保持較高的凝固速率來生長，取得組織細(xì)化的效果，因此探索了深過冷定向凝固技術(shù)。深過冷定向凝固是在使熔體凈化和純化的基礎(chǔ)上，盡可能消除熔體中的外來晶核質(zhì)點(diǎn)，使液態(tài)金屬被過冷到平衡液相線以下幾十至幾百。C，然后誘導(dǎo)其沿指定方向進(jìn)行凝固，則會(huì)獲得定向結(jié)晶的組織狀態(tài)。由于熔體在非穩(wěn)狀態(tài)下，一定條件下晶體會(huì)以相當(dāng)快的凝固速率生長，從而使凝固組織的一、二次枝晶臂間距顯著地減小。2. I. 3特種合金的電磁約束成形高溫合金、難熔合金、高溫金屬間化合物等特種材料的制備加工，由于它們的大比重、高熔點(diǎn)及高化學(xué)活性，采用常規(guī)熔化鑄造或塑性變形加工都遇到很大的困難，往往造成嚴(yán)重的污染及冶金缺陷。將電磁約束成形與高溫度梯度定向凝固技術(shù)結(jié)合起來，研究發(fā)展了一種具有半懸浮軟接觸和完全無接觸的真空電磁約束成形技術(shù)。在系統(tǒng)研究單頻單感應(yīng)器及雙頻雙感應(yīng)器異形電磁場，溫場，流場變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，可建立軟接觸及無接觸兩種
4CN 102927815 A
書
明
說
3/8頁
工藝的電磁成形與凝固模式，對(duì)獲得圓、橢圓、矩形、彎月形等不同截面形狀的定向凝固樣件具有特殊意義。2. I. 4單晶連鑄定向凝固單晶連鑄技術(shù)的發(fā)展源于單晶導(dǎo)體在導(dǎo)電及傳輸訊號(hào)的金屬線材上的應(yīng)用。隨著 電子、網(wǎng)絡(luò)、通訊、音像設(shè)備和高清晰度電視技術(shù)的發(fā)展，要求導(dǎo)線向傳輸高速化、精細(xì)化、高保真、高導(dǎo)電性方向發(fā)展。單晶導(dǎo)線由于消除了晶界，信號(hào)傳輸性能有很大的提高。通過將定向凝固與連鑄技術(shù)結(jié)合，利用高梯度下晶粒競爭淘汰生長機(jī)制，開發(fā)出了材料的單晶連鑄技術(shù)。到目前為止所得到的連鑄銅單晶的塑性是連鑄多晶銅的3至4倍，而其電阻率卻比連鑄多晶的降低了 38%。3.電磁冷坩堝技術(shù)研究現(xiàn)狀3. I電磁冷坩堝技術(shù)的原理電磁冷坩堝是將具有良好導(dǎo)熱特性的材料(紫銅等)制成通有水道的弧形瓣或者管線，組成整體坩堝并且在各瓣間填充絕緣材料阻止形成回路電流。將冷坩堝放置在高頻感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場中，磁場透過開縫作用在被加熱的物料的表層上產(chǎn)生感應(yīng)渦流，由于感應(yīng)渦流回路的電阻很小因此會(huì)產(chǎn)生很大的感生渦流，在物料表面產(chǎn)生大量的焦耳熱，使物料感應(yīng)融化。感生渦流在坩堝內(nèi)磁場的作用下產(chǎn)生了將熔體推向坩堝中心的洛侖茲力，從而實(shí)現(xiàn)了熔體的約束懸浮。I.在無污染的條件下對(duì)材料進(jìn)行熔煉和處理，因?yàn)槿蹮掃^程中熔體的約束懸浮與凝殼的形成使坩堝不直接接觸熔體，避免了熔煉過程中坩堝材料與熔體之間反應(yīng)給熔體帶來的污染。2.熔體在感應(yīng)加熱過程中產(chǎn)生的電磁力對(duì)熔體進(jìn)行劇烈的攪拌，有利于獲得成分和溫度均勻的熔體，避免了熔煉過程中偏析的發(fā)生。3.坩堝始終處于水冷狀態(tài)下，與熔體間不發(fā)生直接接觸，坩堝的使用壽命大大延長。4.感應(yīng)加熱相比于傳統(tǒng)的電弧熔煉的效率更高，可以熔煉熔點(diǎn)更高，化學(xué)活性更強(qiáng)的難熔材料，并且易于微量元素的添加控制。3. 2電磁冷坩堝技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域在難熔材料熔煉方面，與傳統(tǒng)的氧化物坩堝相比，冷坩堝避免了雜質(zhì)元素的引入，可以大為提高材料的使用性能，北京鋼鐵研究總院在國內(nèi)已經(jīng)成功熔煉了 Ti3Al，TiAl基合金，Ν 3Α1, NiAl基合金，NiTi記憶合金，耐熱鐵、鎳基合金等數(shù)十個(gè)成分。此外，電磁冷坩堝技術(shù)還可以應(yīng)用于核廢料處理領(lǐng)域，法國最早提出了使用冷坩堝法對(duì)核工業(yè)中產(chǎn)生的各種核廢料進(jìn)行固化處理的概念，該方法已經(jīng)成功被法俄意日等國應(yīng)用于實(shí)際的核廢料處理中，取得了很好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。電磁冷坩堝技術(shù)還可以應(yīng)用于二元稀土金屬間化合物的熔煉。近年來電磁冷坩堝技術(shù)還越來越多的應(yīng)用于功能材料領(lǐng)域，使用冷坩堝法熔煉太陽能多晶硅與傳統(tǒng)的坩堝熔煉方法相比，冷坩堝法避免了坩堝本身對(duì)多晶硅的污染，大大提高了多晶硅的純度，由于強(qiáng)烈的電磁攪拌的存在使得多晶硅的成分更加均勻，可以使其的光電轉(zhuǎn)換效率大大提高，并且使生產(chǎn)效率進(jìn)步提高。由于陶瓷材料的熔點(diǎn)一般要高于坩堝材料，因此陶瓷材料的均質(zhì)熔化的問題一直以來都沒有得到很好的解決，國內(nèi)和國外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)將電磁冷坩堝技術(shù)應(yīng)用與氧化物陶瓷的熔煉中，成功
5的熔化了 U02/Zr02等多種陶瓷材料。3. 3電磁懸浮熔煉技術(shù)電磁懸浮熔煉方法是利用施加高頻電流的感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變電磁場，在交變磁場的作用下，線圈內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)渦流，形成電磁推力在實(shí)際應(yīng)用中通常使用倒錐形的感應(yīng)線圈，用于熔化物料并且獲得向上的懸浮力，并且在懸浮物上部設(shè)置通有反向電流的穩(wěn)定線圈，以保證懸浮物的穩(wěn)定。但是使用單頻懸浮熔煉始終具有一定的局限性。因此又進(jìn)一步發(fā)展了雙頻電磁懸浮熔煉技術(shù)的研究，在熔煉中不同頻率的電流分別用于熔化和懸浮，大大提高了懸浮熔煉材料的質(zhì)量，并且更加易于控制熔化溫度。3. 4冷坩堝懸浮熔煉技術(shù)冷坩堝感應(yīng)凝殼熔煉技術(shù)中，金屬熔體與坩堝底部和側(cè)壁相接觸后會(huì)形成很厚的凝殼，為了克服這一問題，A. Gagnoud等大提出了冷坩堝懸浮熔煉技術(shù)，使物料在冷坩堝中進(jìn)行熔煉時(shí)處于懸浮狀態(tài)，徹底地消除了凝殼的存在，使材料的成分更加均勻，進(jìn)一步提高了冶煉材料溫度和純度。整體結(jié)構(gòu)的坩堝底部屏蔽了感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場不會(huì)形成排斥熔體的的洛倫茲力，要實(shí)現(xiàn)冷坩堝的懸浮熔煉，必須取消坩堝底部的聯(lián)通結(jié)構(gòu)，并且改變外加線圈和坩堝的形狀。N. Demukai等采用了錐形底坩堝，實(shí)現(xiàn)了幾何學(xué)上的完全懸浮，并且提出了錐形坩堝懸浮能力參數(shù)α的計(jì)算公式可以表示為《= (l/p).P.G(x).([2/[;)式中P——金屬密度K2/K2*——與坩堝尺寸形狀有關(guān)的懸浮能力P—輸入功率G(X)—金屬懸浮體半徑與集膚電流深度之比該公式表明，坩堝的輸入功率越大，熔煉金屬的密度越小，所獲得的懸浮力就越大，特別和集膚電流深度成反比，即感應(yīng)電流頻率越高，集膚電流深度越小，懸浮力越大。富士電機(jī)已經(jīng)研制了容量7000cm3的大型點(diǎn)磁懸浮冷坩堝設(shè)備。采用不同頻率的兩組線圈，上部線圈主要實(shí)現(xiàn)融化功能頻率為30Khz，下部線圈頻率為3Khz只要用于實(shí)現(xiàn)熔體懸浮，在坩堝底部開設(shè)有出口，調(diào)節(jié)上下線圈的功率可以改變懸浮熔體的形狀，控制熔體的流出。該設(shè)備可5分鐘內(nèi)懸浮熔煉50kg不銹鋼。3. 5電磁冷坩堝定向凝固技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)高活性的高溫合金，鈦鋯等合金的無污染熔煉，和無污染成型定向凝固坯件。哈爾濱工業(yè)大學(xué)將感應(yīng)熔化，連續(xù)鑄造和定向凝固技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了電磁冷坩堝定向凝固技術(shù)。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(shí)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(duì)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。傳統(tǒng)的定向凝固冷坩堝采用的是上下直通式結(jié)構(gòu)，無法獲得懸浮熔煉的效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)航空航天船舶工業(yè)特別需要高強(qiáng)高韌的耐熱輕量鈦鋁合金，而現(xiàn)有上下直通式冷坩堝定向凝固裝置存在所供給合金液過熱度低和凝固組織定向控制難的問題，本發(fā)明提供一種懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，可較好地解決上述問題。所述目的是通過如下方案實(shí)現(xiàn)的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，包括封閉的爐體、送料桿、料棒、水冷銅坩堝、感應(yīng)線圈、抽拉桿、結(jié)晶器、冷卻劑材料，位于爐體內(nèi)的料棒的上端部固定在送料桿的下端部上，料棒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，抽拉桿置于結(jié)晶器內(nèi)，所述抽拉桿上端固定有底料，所述水冷銅坩堝內(nèi)壁環(huán)向設(shè)置梯形凸臺(tái)，所述梯形凸臺(tái)置于感應(yīng)線圈的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，梯形凸臺(tái)具有與水冷銅坩堝相同的開縫結(jié)構(gòu)。所述梯形凸臺(tái)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(tái)還具有下傾斜表面，所述下傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。所述水冷銅坩堝上下端頭固定有屏蔽環(huán)。水冷銅坩堝的高度為100mm。從距相■禍底部15mm開設(shè)開縫，開縫長度為65mm。冷樹禍的外徑為64mm, 甘禍的壁厚為13 15mm。所述開縫形狀從內(nèi)到外為矩形連接三角形的縫，三角形開縫處的兩個(gè)邊呈90°夾角。感應(yīng)線圈米用外徑9. 5 10. 5mm、內(nèi)徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成，銅管外面包裹環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯帶，高溫部分再包裹陶瓷纖維帶進(jìn)行隔熱處理，采用所述銅管繞制成半徑為67 70mm的線圈4 5阻。本發(fā)明在凸臺(tái)上部將母料棒熔化，下部制備具有定向凝固組織的坯錠。凸臺(tái)的加入可以增大熔化金屬時(shí)在坩堝軸線方向上的懸浮力，有效的避免金屬熔體與冷坩堝壁的接觸，減少坩堝冷壁的側(cè)向散熱作用，提高合金液過熱度和所制備坯錠凝固組織的定向性。在冷坩堝熔煉過程中，懸浮力起著很重要的作用，當(dāng)熔體熔化時(shí)，在表面張力和懸浮力的共同作用下，并不是立即下落，而是繼續(xù)懸浮于坩堝內(nèi)，這樣就可以進(jìn)一步的增加過熱時(shí)間，提高熔體下落時(shí)的溫度，此外懸浮力的存在還在一定程度上減小了熔體下落過程中帶來的沖擊，有利于界面前沿的穩(wěn)定。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是冷坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2的A-A剖視圖。其中，I -料棒，2-感應(yīng)線圈，3-水冷銅坩堝的開縫處，4-定向凝固鑄錠，5-連接桿，6-冷卻劑材料，7-抽拉桿，8-屏蔽環(huán)。
具體實(shí)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(shí)施方式。懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，包括封閉的爐體、送料桿、料棒、水冷銅坩堝、感應(yīng)線圈、抽拉桿、結(jié)晶器、冷卻劑材料，位于爐體內(nèi)的料棒的上端部固定在送料桿的下端部上，料棒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，抽拉桿置于結(jié)晶器內(nèi)，所述抽拉桿上端固定有底料，所述水冷銅坩堝內(nèi)壁設(shè)置一圈梯形凸臺(tái)，所述梯形凸臺(tái)置于感應(yīng)線圈的感應(yīng)區(qū)內(nèi)。坩堝內(nèi)部梯形凸臺(tái)傾斜角度的選擇坩堝內(nèi)部Z向磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與坩堝內(nèi)部錐角角度(梯形凸臺(tái)的上下傾斜表面分別與水平面間的夾角)有關(guān)，將內(nèi)部不同錐角的坩堝施加相同的電流，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部帶有錐角的坩堝的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于內(nèi)部直筒形(即呈90°角)坩堝內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度，且隨著錐角的增大有著逐漸增大的趨勢，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度、40度、45度、50度、55度、60度，優(yōu)選45度。上傾斜表面會(huì)產(chǎn)生向上的推力，增大溶區(qū)的質(zhì)量，可以提供大體積溶體，減小對(duì)下部液體駝峰的擾動(dòng)，提高鑄錠表面質(zhì)量。下傾斜表面會(huì)對(duì)滴落的溶體產(chǎn)生向下的壓力，否則液體駝峰過尖，在電磁推力作用下穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)貼壁，影響表面質(zhì)量。因此，下傾斜表面會(huì)輔助改變液體駝峰的形狀，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，減小抽拉阻力，增加鑄錠的表面質(zhì)量。坩堝內(nèi)部錐角高度的選擇上傾斜表面的垂直高度是下傾斜表面垂直高度的I. 5 3倍。所述上傾斜表面下端與下傾斜表面的上端之間連接有環(huán)形液滴通過孔，該通過孔的高度為3-6mm，所述通過孔上端的坩堝內(nèi)徑為30mm、通過孔直徑為20mm、通過孔下端的坩堝內(nèi)徑為28mm。上面的直徑大些可以使料棒具有較大的運(yùn)動(dòng)空間，上給料棒直徑比下抽拉鑄錠直徑大，這樣可以使送料桿具有較小的運(yùn)動(dòng)速度，便于下抽拉鑄錠速度的的靈活調(diào)整。坩堝開縫數(shù)將物料置于未開縫的坩堝中，坩堝會(huì)屏蔽感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場，在這種情況下物料無法被感應(yīng)加熱，在坩堝上開縫之后，磁場可以透過開縫作用在物料之上，產(chǎn)生感應(yīng)渦流加熱物料。有研究發(fā)現(xiàn)，在5000Hz的情況下對(duì)于設(shè)有4條開縫的冷坩堝，磁場強(qiáng)度在坩堝內(nèi)部衰減大約10%，開縫數(shù)越多坩堝內(nèi)磁場的衰減就越小，內(nèi)部的物料就越容易被加熱。當(dāng)開縫數(shù)達(dá)到一定時(shí)，坩堝內(nèi)的磁場衰減就不再產(chǎn)生明顯的變化，對(duì)于50khz的高頻磁場，選擇8-12條開縫數(shù)即可以保證磁場的衰減趨于穩(wěn)定。過多的開縫數(shù)不會(huì)明顯改善坩堝內(nèi)磁場的衰減，反而為加大了加工的難度增加了制造成本，除此之外還要確保坩堝的每個(gè)瓣分內(nèi)都足以開設(shè)冷卻水道，因此可以選擇設(shè)置8條、9條、10條、11條或12條開縫。坩堝開縫的形狀坩堝的開縫形狀會(huì)對(duì)坩堝內(nèi)的磁場產(chǎn)生影響，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在使用矩形開縫形式，線圈上載荷100A電流時(shí)，坩堝中心線處的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度BZ最大值為I. 4mT左右，而當(dāng)將矩形縫與三角形縫組合使用時(shí)，同樣的載荷條件下，中心線的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度BZ最大值超過3. 5mT,是原有開縫形式下的2. 5倍，相對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也有大幅的增加。可見通過改變坩堝開縫的形狀，適當(dāng)擴(kuò)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(fā)明要求開縫形狀從內(nèi)到外為矩形連接三角形的縫，三角形開縫處的兩個(gè)邊呈90°夾角。坩堝開縫長度定向凝固冷坩堝上下分別設(shè)置屏蔽環(huán)，懸浮式定向凝固冷坩堝從距樹禍底部15mm開設(shè)開縫，開縫長度65mm。坩堝高度的確定在考慮坩堝高度設(shè)計(jì)時(shí)要注意兩點(diǎn)，一要保證坩堝內(nèi)熔體順利熔化，由于坩堝頂部設(shè)置了屏蔽環(huán)，大大減弱了坩堝內(nèi)上部的磁場強(qiáng)度，如果坩堝的高度過低會(huì)影響內(nèi)部金屬的熔化。二要盡量使金屬在靠近梯形臺(tái)的位置最先熔化，通過設(shè)置合理的坩堝高度和線圈高度確保坩堝內(nèi)熔體在梯形臺(tái)附近獲得最大的懸浮推力。綜合以上兩點(diǎn)考慮最終將樹禍設(shè)計(jì)聞度為100mm。屏蔽環(huán)的確定當(dāng)只設(shè)置上傾斜表面的梯形凸臺(tái)時(shí)，將線圈底部與坩堝底部置于同一水平，通過測量發(fā)現(xiàn)坩堝內(nèi)的磁場分布沿坩堝開縫向下逐漸增大，在坩堝底部達(dá)到最大值，表明在坩堝底部不設(shè)置屏蔽環(huán)的情況下，坩堝底部梯形臺(tái)附近的磁場強(qiáng)度明顯增大，在該點(diǎn)處金屬熔體產(chǎn)生的渦流與獲得的洛倫茲力較大可以起到很好的懸浮熔煉的效果。因此，對(duì)于此種情況，只需在坩堝上端設(shè)置屏蔽環(huán)。冷坩堝外徑與壁厚的確定由于感應(yīng)線圈的功率有限，為了盡可能地提高作用在 甘禍內(nèi)料棒的有效功率，在確保能夠?qū)崿F(xiàn)加工制造的如提下應(yīng)盡可能的減小樹禍的半徑，同時(shí)考慮到將來制造零件的尺寸，將冷坩堝的外徑設(shè)計(jì)為64mm，在確定坩堝壁厚的時(shí)，應(yīng)考慮到坩堝內(nèi)冷卻水道的大小，壁厚太大會(huì)減弱坩堝內(nèi)部的磁場，壁厚太小會(huì)給加工增大難度，水道與坩堝壁之間的間隙過小甚至?xí)?dǎo)致在熔煉過程中坩堝壁的燒穿，使坩堝損壞，將 甘禍的壁厚設(shè)為13_15mm,優(yōu)選14mm。感應(yīng)線圈的確定感應(yīng)線圈米用外徑9. 5 10. 5mm、內(nèi)徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成。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(shí)，就可以產(chǎn)生放電，因此需要采取絕緣措施提高電壓，對(duì)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。對(duì)于不同的線圈，電源的輸出電流設(shè)定為150A,使用三阻線圈時(shí)，電源輸出150A電流時(shí)，料棒與底托均無法加熱到合金熔點(diǎn)溫度以上，使用四匝線圈時(shí)，料棒和底托的加熱溫度可以高于熔點(diǎn)溫度，當(dāng)采用五匝線圈料棒和底托均可以實(shí)現(xiàn)充分過熱。因此，本發(fā)明采用銅管繞制成半徑為67 70mm的線圈4 5阻。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)感應(yīng)加熱時(shí)，感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場作用在坩堝上同樣會(huì)產(chǎn)生感生渦流，在坩堝上產(chǎn)生大量的焦耳熱，因此必須通過設(shè)計(jì)合理的冷卻循環(huán)系統(tǒng)將熱量及時(shí)帶出從而保證坩堝不因溫度過高而被感應(yīng)熔化。坩堝的堝體的長度、開縫形式、開縫數(shù)及開縫長度這些因素共同決定了冷卻水道的設(shè)計(jì)。坩堝在底部設(shè)置有屏蔽環(huán)，因此在坩堝底部開設(shè)水槽連接相鄰兩組分瓣，冷卻水由其中一瓣的頂部水口進(jìn)入，流經(jīng)坩堝底部水槽，由另一瓣的側(cè)面水口流出。冷坩堝的定位坩堝堝體加工焊接完成后，要對(duì)坩堝進(jìn)行定位與固定以確保坩堝底部的圓孔與下抽拉桿的軸心相對(duì)，在出入水銅環(huán)上分別開設(shè)水口并且與銅管焊接為一體，銅管一方面作為入水與出水的通道與設(shè)備的水口相連，同時(shí)通過調(diào)節(jié)銅管的長度和高度對(duì)坩堝進(jìn)行定位，最終通過緊固螺母固定在設(shè)備上。使用時(shí)，將坩堝安置在爐內(nèi)，使用緊固螺栓將坩堝的兩支冷卻管與爐內(nèi)的進(jìn)出水 口相連接，將料棒與定向凝固底部引錠安置在適當(dāng)位置，坩堝外纏繞電磁感應(yīng)線圈。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),關(guān)閉爐門，啟動(dòng)真空系統(tǒng),將爐內(nèi)氣壓抽至O. 5Pa，并且充入高純氬氣，反復(fù)多次。啟動(dòng)冷卻水泵，在線圈上施加50KHz的交變電流，加熱熔化料棒底托，保溫一定時(shí)間后，以O(shè). 7mm/min的速度抽拉鑄徒，抽拉距尚70mm。待抽拉完成后，關(guān)閉電源，待鑄徒冷卻后取出。將采用本發(fā)所述裝置制備的定向凝固組織鑄錠沿中心軸向切開觀察發(fā)現(xiàn)，存在初始凝固區(qū)，定向組織穩(wěn)態(tài)生長區(qū)，糊狀區(qū)，液相區(qū)與表面凝殼等幾部分。在定向凝固的初始階段，初始凝固區(qū)內(nèi)的晶?；疽缘容S晶為主，當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行抽拉，組織進(jìn)入穩(wěn)態(tài)生長階段，此時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹В捎趥?cè)向散熱的存在，部分外側(cè)柱狀晶生長的起始會(huì)與軸線傾斜生長，但是隨著生長的進(jìn)行，晶粒的生長方向重新接近軸向方向，鑄錠中部的柱狀晶晶粒細(xì)小平直?？梢郧宄目吹讲捎脩腋∈蕉ㄏ蚰汤溘釄逯频玫亩ㄏ蚰探M織外壁區(qū)域存在極薄的凝殼，側(cè)向散熱的現(xiàn)象得到了明顯的改善，柱狀晶生長方向與軸線方向呈現(xiàn)平行生長，靠近凝殼區(qū)域的少量初始階段偏離軸線方向的柱狀晶，隨著生長的進(jìn)行也逐漸朝著豎直的方向生長。本實(shí)施方式只是對(duì)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(duì)其進(jìn)行局部改變，只要沒有超出本專利的精神實(shí)質(zhì)，都視為對(duì)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.懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，包括封閉的爐體、送料桿、料棒、水冷銅坩堝、感應(yīng)線圈、抽拉桿、結(jié)晶器、冷卻劑材料，位于爐體內(nèi)的料棒的上端部固定在送料桿的下端部上，料棒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，抽拉桿置于結(jié)晶器內(nèi)，所述抽拉桿上端固定有底料，其特征在于所述水冷銅坩堝內(nèi)壁環(huán)向設(shè)置梯形凸臺(tái)，所述梯形凸臺(tái)置于感應(yīng)線圈的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，梯形凸臺(tái)具有與水冷銅坩堝相同的開縫結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，其特征在于所述梯形凸臺(tái)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°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置其特征在于所述梯形凸臺(tái)還具有下傾斜表面，所述下傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I任意一項(xiàng)所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，其特征在于所述水冷銅坩堝上端頭和/或下端頭設(shè)置有屏蔽環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，其特征在于水冷銅坩堝的高度為100mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，其特征在于從距坩堝底部15mm開設(shè)開縫，開縫長度為65mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，其特征在于冷i甘禍的外徑為64mm, 甘禍的壁厚為13 15mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置其特征在于所述開縫形狀從內(nèi)到外為矩形連接三角形的縫，三角形開縫處的兩個(gè)邊呈90°夾角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，其特征在于感應(yīng)線圈米用外徑9. 5 10. 5mm、內(nèi)徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成，銅管外面包裹環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯帶，高溫部分再包裹陶瓷纖維帶進(jìn)行隔熱處理，采用所述銅管繞制成半徑為67 70_的線圈4 5阻。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，其特征在于所述開縫數(shù)為8-12條。
全文摘要
航空航天船舶工業(yè)特別需要高強(qiáng)高韌的耐熱輕量鈦鋁合金，但現(xiàn)有上下直通式冷坩堝定向凝固裝置存在所供給合金液過熱度低和凝固組織定向控制難的問題。本發(fā)明提供了一種懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固裝置，在水冷銅坩堝內(nèi)壁環(huán)向設(shè)置一梯形凸臺(tái)，冷坩堝外部纏繞感應(yīng)線圈，所述梯形凸臺(tái)置于線圈的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，在凸臺(tái)上部將母料棒熔化，下部制備具有定向凝固組織的坯錠。凸臺(tái)的加入可以增大熔化金屬時(shí)在坩堝軸線方向上的懸浮力，有效的避免金屬熔體與冷坩堝壁的接觸，減少坩堝冷壁的側(cè)向散熱作用，提高合金液過熱度和所制備坯錠凝固組織的定向性。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102927815SQ20121044379
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)