專利名稱：大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法
技術領域：
本發明涉及一種TiAl基合金錠的熔鑄方法，具體涉及一種大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法。
背景技術：
TiAl基合金是一種理想的高溫輕質結構材料，有望廣泛應用于航空航天和汽車等領域的熱端部件上。獲得該合金構件的一個重要途徑是熱機械處理，它的基本環節包括鑄錠+鍛造+機械加工。為了提高加工效率，對大尺寸TiAl基合金錠的需求日益迫切，采用直接澆鑄方式鑄造的TiAl基合金錠，其材料的利用率只有30％，其余部分存在縮孔和縮松。TiAl基合金凝固特點及物性特點決定了TiAl基合金錠的鑄造難度，TiAl基合金熔煉過程的特殊性表現在(1)、合金元素溶解過程的反應熱高；(2)、對間隙元素的敏感性高；(3)、相對于鈦合金來說合金元素含量高；(4)、合金成分容錯度小；(5)、合金中各元素物性差別大；(6)、合金熔體化學活性高。上述的這些特點給獲得高質量的合金熔體增加了困難，這些特點決定了熔化爐必須利用水冷銅坩堝容納活性合金熔體，以避免坩堝對合金熔體的污染。現有的熔煉方法都采用了真空和水冷銅坩堝技術，其中應用最為廣泛的是采用真空自耗電極電弧熔煉(Vacuum ArcRemelting——VAR)和水冷銅坩堝真空感應凝殼熔煉(Induction Skull Melting——ISM)。采用ISM熔煉技術，TiAl基合金在熔煉過程中熔體溫度及揮發損失量可以精確控制，所澆注的TiAl基合金鑄錠可以保證鑄錠成分，但利用ISM熔煉技術，采用常規鑄錠技術很難得到較大尺寸的鑄錠，一方面由TiAl基合金凝固過程的特點決定；另一方面決定于ISM熔煉所用的坩堝容量較小。采用VAR熔煉技術，合金在熔煉過程中，電極的熔化及熔體的凝固同時進行，較容易地實現順序凝固，但在熔煉過程中，由于電極本身的成分均勻性對鑄錠成分均勻性影響顯著，如果用原始材料，如海綿鈦、鋁錠、塊(顆粒)狀合金元素直接用VAR熔化，得到的鑄錠成分不均勻，而且低熔點元素的揮發損失量很大，更嚴重的是目前無法精確地控制低熔點元素的揮發損失量。

發明內容
本發明的目的是為解決現有的TiAl基合金熔煉方法中，采用直接澆鑄技術材料的利用率低；采用水冷銅坩堝真空感應凝殼熔煉技術難以得到較大尺寸的鑄錠；采用真空自耗電極電弧熔煉技術，存在鑄錠成分不均勻，無法精確控制低熔點元素的揮發損失量問題而提供的一種大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法。它由以下步驟完成a、采用水冷銅坩堝2真空感應凝殼熔煉技術熔鑄TiAl基合金自耗電極；b、采用真空自耗電極電弧熔煉技術重熔TiAl基合金電極制備TiAl基合金鑄錠；所述的水冷銅坩堝2真空感應凝殼熔鑄技術熔鑄TiAl基合金自耗電極由以下步驟完成a′、TiAl基合金原料的熔化將海綿鈦3放到水冷銅坩堝2內擺放好，海綿鈦3的上端距水冷銅坩堝2的頂端留有1/4～1/3的空間，再將下層鋁塊6、中間合金5、上層鋁塊4按從下到上的順序埋放在海綿鈦3內的中部，將容納水冷銅坩堝2的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氬氣至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反復三次，始終將容納水冷銅坩堝2的真空室的真空度保持在0.01～1Pa之間，之后接通水冷銅坩堝2電源，將水冷銅坩堝2內的合金原料熔化，電源頻率控制在5～7kHz之間，電源功率控制在150～350kW之間，電源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保溫5～10min，再將電源功率降低至200～300kW，保溫3～5min；b′、TiAl基合金電極的澆注在電極頭1下方的外表面上澆注TiAl基合金熔體，每次澆注的長度L為15～35cm，澆注溫度為1550～1650℃，保證每爐熔體成分差＜0.2％，澆注后的TiAl基合金電極錠7在真空室中冷卻至300℃以下，向真空室中充空氣，取出TiAl基合金電極錠7，如此反復，直至所需要的電極長度。
本發明具有以下有益效果一、本發明利用ISM熔煉技術和常規的VAR熔煉技術結合起來的雙聯技術制備TiAl基合金鑄錠，利用ISM熔煉技術獲得合金成分均勻的優點和常規的VAR熔煉技術局部熔化、順序凝固的特點，采用ISM熔煉技術熔鑄電極和常規的VAR熔煉技術進行重熔的雙聯熔鑄技術熔鑄成的TiAl基合金錠，可以顯著提高鑄錠的成品率，并且易于控制合金成分精度，利用ISM-VAR的雙聯熔鑄技術可以澆鑄出大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金鑄錠。二、采用直接澆注方法澆鑄成的TiAl基合金錠，其鑄錠成品率＜40％；采用本發明的雙聯熔鑄技術熔鑄成的TiAl基合金錠，其鑄錠成品率＞60％。三、在TiAl基合金原料的熔化方法中，金屬原料采用分層擺放的方式，可防止熱爆的發生，同時還可保證合金成分用量的精確。四、根據VAR熔煉爐的技術要求熔鑄一次電極，主要參數為電極直徑和電極長度，由于電極質量大于水冷銅坩堝感應熔煉爐的容量，因此需要運用鑲鑄技術以保證TiAl基合金錠實現大質量電極的制備。該技術運用的關鍵是(1)、每次澆注電極的長度；(2)、澆注溫度；(3)、鑲鑄表面狀態。利用鑲鑄技術可將TiAl基合金熔體與電極頭牢固的連接起來。五、在ISM熔煉過程中根據鑲鑄的需要，要對TiAl基合金熔體成分和溫度進行控制，控制TiAl基合金熔體溫度時采用T＝F(G，P)模型，其中T、G、P分別為溫度、爐料質量和熔煉功率，保證TiAl基合金熔體的澆注溫度在1550～1650℃之間，控制TiAl基合金熔體成分時采用C＝F(Me+Ms+Mi+T+G)模型，其中C、Me、Ms、Mi、T、G分別為某組元的含量、該組元的揮發損失量、該組元在凝殼中的含量、該組元在爐料中的初始含量、TiAl基合金熔體溫度和爐料質量，保證每爐TiAl基合金熔體成分差＜0.2％；控制每次澆注長度除考慮水冷銅坩堝的容量外，還需根據合金本身的收縮特性防止應力過大而造成電極斷裂，因此每次澆注長度應控制在15～35cm之間。六、本發明的熔鑄方法具有簡單、容易實現的優點，利用該方法熔鑄出的TiAl基合金鑄錠成分均勻一致，鑄錠成品率高，并可熔鑄出大尺寸的TiAl基合金鑄錠。


圖1是在水冷銅坩堝2中擺放金屬原料的示意圖，圖2是熔鑄TiAl基合金電極錠7的示意圖，圖3是電極頭1的主視結構示意圖，圖4是TiAl基合金鑄錠的取樣位置圖，圖5是TiAl基合金鑄錠內部的金相組織圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合1、圖2、圖3說明本實施方式，本實施方式由以下兩個步驟完成a、采用水冷銅坩堝2真空感應凝殼熔煉技術熔鑄TiAl基合金自耗電極；b、采用真空自耗電極電弧熔煉技術重熔TiAl基合金電極制備TiAl基合金鑄錠；所述的水冷銅坩堝2真空感應凝殼熔鑄技術熔鑄TiAl基合金自耗電極由以下步驟完成a′、TiAl基合金原料的熔化將海綿鈦3放到水冷銅坩堝2內擺放好，海綿鈦3的上端距水冷銅坩堝2的頂端留有1/4～1/3的空間，再將下層鋁塊6、中間合金5、上層鋁塊4按從下到上的順序埋放在海綿鈦3內的中部，將容納水冷銅坩堝2的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氬氣至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反復三次，始終將容納水冷銅坩堝2的真空室的真空度保持在0.01～1Pa之間，之后接通水冷銅坩堝2電源，將水冷銅坩堝2內的合金原料熔化，電源頻率控制在5～7kHz之間，電源功率控制在150～350kW之間，電源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保溫5～10min，再將電源功率降低至200～300kW，保溫3～5min；b′、TiAl基合金電極的澆注在電極頭1下方的外表面上澆注TiAl基合金熔體，每次澆注的長度L為15～35cm，澆注溫度為1550～1650℃，保證每爐熔體成分差＜0.2％，澆注后的TiAl基合金電極錠7在真空室中冷卻至300℃以下，向真空室中充空氣，取出TiAl基合金電極錠7，如此反復，直至所需要的電極長度。為了防止熱爆及控制水冷銅坩堝2內的TiAl基合金原料的熔化順序，電源功率以階梯形式增加，將電源功率增加至不同的最大值(小于350kW)。
具體實施方式
二結合圖1、圖2、圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的a′步驟中，海綿鈦3的上端距水冷銅坩堝2的頂端留有1/3的空間，將容納水冷銅坩堝2的真空室抽真空至0.5Pa，充氬氣至850Pa，再抽真空至0.5Pa，如此反復三次，始終將容納水冷銅坩堝2的真空室的真空度保持在0.5Pa，水冷銅坩堝2的電源頻率為6kHz，電源功率為300kW，電源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保溫10min，再將功率降低至250kW，保溫5min；b′步驟中，每次澆注電極的長度L為30cm，澆注溫度為1600℃，澆注后的TiAl基合金電極錠7在真空室中冷卻至250℃。將金屬原料放在水冷銅坩堝2內擺放好，并反復抽真空、充氬氣，這樣可降低水冷銅坩堝2內的有害氣體的分壓，從而降低了TiAl基合金熔體中所溶解的氧和氮的含量。
具體實施方式
三結合圖2、圖3說明本實施方式，本實施方式的電極頭1采用TC4合金材料制成。采用該合金材料制成的電極頭1，其強度好，便于夾持。
具體實施方式
四結合圖4說明本實施方式，本實施方式由以下兩個步驟完成a、采用水冷銅坩堝2真空感應凝殼熔鑄技術熔鑄TiAl基合金自耗電極；b、采用真空自耗電極電弧熔煉技術重熔TiAl基合金電極制備TiAl基合金鑄錠；用水冷銅坩堝2真空感應凝殼熔鑄技術熔鑄TiAl基合金自耗電極的方法由以下步驟完成a′、TiAl基合金原料的熔化按重量百分比配比Al32.5％、V2.75％、Cr1.36％、Ni0.76％、其余為海綿鈦3待用，先將海綿鈦3放到水冷銅坩堝2內擺放好，海綿鈦3的上端距水冷銅坩堝2的頂端留有1/4～1/3的空間，再將Al塊、V、Cr、Ni、Al塊按從下到上的順序埋放在海綿鈦3內的中部，將容納水冷銅坩堝2的真空室抽真空至0.8Pa，充氬氣至1000Pa，再抽真空至0.8Pa，如此反復三次，始終將容納水冷銅坩堝2的真空室的真空度保持在0.8Pa之間，之后接通水冷銅坩堝2的電源，將水冷銅坩堝2內的合金原料熔化，電源頻率控制在5～7kHz之間，電源功率控制在300kW，電源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保溫10min，再將功率降低至200kW，保溫3～5min；b′、TiAl基合金電極的鑲鑄先將電極頭1下方的外表面加工出環形槽1-1，然后在環形槽1-1的外表面澆注TiAl基合金熔體，每次澆注的長度L為25cm，澆注溫度為1590℃，保證每爐TiAl基合金熔體成分差＜0.2％，澆注后的TiAl基合金電極錠7在真空室中冷卻至300℃以下，向真空室中充空氣，取出TiAl基合金電極錠7，如此反復，直至所需要的電極長度。熔鑄成的TiAl基合金鑄錠采用車床車取切削的辦法取樣，進行化學成分的濕法化學分析，分析結果見表1。
表1采用雙聯鑄錠方法熔鑄成的TiAl基合金鑄錠的化學分析測試結果

從表1中可看出，采取本雙聯熔鑄技術，可以實現目標合金成分，而且鑄錠內部無孔洞缺陷(參見附圖5)。
權利要求
1.一種大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法，它由以下兩個步驟完成a、采用水冷銅坩堝(2)真空感應凝殼熔煉技術熔煉TiAl基合金自耗電極；b、采用真空自耗電極電弧熔煉技術重熔TiAl基合金電極制備TiAl基合金鑄錠；其特征在于所述的水冷銅坩堝(2)真空感應凝殼熔煉技術熔鑄TiAl基合金自耗電極由以下步驟完成a′、TiAl基合金原料的熔化將海綿鈦(3)放到水冷銅坩堝(2)內擺放好，海綿鈦(3)的上端距水冷銅坩堝(2)的頂端留有1/4～1/3的空間，再將下層鋁塊(6)、中間合金(5)、上層鋁塊(4)按從下到上的順序埋放在海綿鈦(3)內的中部，將容納水冷銅坩堝(2)的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氬氣至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反復三次，始終將水冷銅坩堝(2)內的真空度保持在0.01～1Pa之間，之后接通水冷銅坩堝(2)電源，將水冷銅坩堝(2)內的合金原料熔化，電源頻率控制在5～7kHz之間，電源功率控制在150～350kW之間，電源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保溫5～10min，再將電源功率降低至200～300kW，保溫3～5min；b′、TiAl基合金電極的澆注在電極頭(1)下方的外表面上澆注TiAl基合金熔體，每次澆注的長度(L)為15～35cm，澆注溫度為1550～1650℃，保證每爐熔體成分差＜0.2％，澆注后的TiAl基合金電極錠(7)在真空室中冷卻至300℃以下，向真空室中充空氣，取出TiAl基合金電極錠(7)，如此反復，直至所需要的電極長度。
2.根據權利要求1所述的大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法，其特征在于a′步驟中的海綿鈦(3)的上端距水冷銅坩堝(2)頂端留有1/3的空間，將容納水冷銅坩堝(2)的真空室抽真空至0.5Pa，充氬氣至850Pa，再抽真空至0.5Pa，如此反復三次，始終將容納水冷銅坩堝(2)的真空室的真空度保持在0.5Pa，水冷銅坩堝(2)的電源頻率為6kHz，電源功率以≤0.5kW/s的速率增加，電源功率為300kW，保溫10min，再將功率降低至250kW，保溫5min；b′步驟中每次澆注電極的長度(L)為30cm，澆注溫度為1600℃，澆注后的TiAl基合金電極錠(7)在真空室中冷卻至250℃。
3.根據權利要求1所述的大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法，其特征在于b′步驟中的電極頭(1)采用TC4合金材料制成。
全文摘要
大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法，它涉及一種TiAl基合金錠的熔鑄方法。本發明解決了現有的TiAl基合金熔煉方法中，采用直接澆鑄材料利用率低；采用ISM熔鑄技術難以得到大尺寸鑄錠；采用VAR熔鑄技術，鑄錠成分不均勻，無法精確控制低熔點元素的揮發損失量問題。它由以下兩個步驟完成a.采用ISM熔鑄技術熔鑄TiAl基合金自耗電極；b.采用VAR熔煉技術重熔TiAl基合金電極制備TiAl基合金鑄錠；ISM熔鑄技術熔鑄TiAl基合金自耗電極的方法由以下步驟完成a′.TiAl基合金原料的熔化；b′.TiAl基合金電極的鑲鑄。利用該方法可熔鑄出成分均勻一致的大尺寸的TiAl基合金鑄錠。
文檔編號B22D7/00GK1718323SQ20051001024
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月5日 優先權日2005年8月5日
發明者蘇彥慶, 郭景杰, 丁宏升, 吳士平, 賈均, 傅恒志 申請人:哈爾濱工業大學