專利名稱：施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料制備領域，特別涉及到高溫合金母合金錠的制備。
背景技術：
高溫合金能夠在600°C 1100°C的高溫氧化氣氛和燃氣腐蝕條件下長時間承受較大的工作載荷，是航空航天、艦船、發電和石油化工等工業的重要結構材料。高溫合金按生產工藝可分為變形、鑄造、粉末冶金和機械合金化四類。20世紀70年代以后，隨著真空熔鑄、熔模精密鑄造、定向凝固、單晶鑄造、細晶鑄造等熔煉及鑄造技術的發展和應用，出現了一系列性能更高的鑄造高溫合金，這些高性能鑄造高溫合金的發展和應用滿足了航空噴氣 發動機和工業燃氣渦輪機等熱端部件性能方面的發展需求，從而使鑄造高溫合金的應用變得越發重要和廣泛。鑄造高溫合金因成分中活性元素較多，對雜質含量要求嚴格，故多采用雙真空熔鑄工藝，即將原材料先在真空感應爐內熔煉并鑄造成母合金錠，然后再在真空感應爐內將母合金錠重熔并澆注成鑄件。因此最初的高溫合金母合金錠的質量對高溫合金鑄件的質量有很大影響。目如隨著科技的進步、航空航天發動機以及工業燃氣輪機等性能的提聞，對聞溫合金材料的品質提出了越來越高的要求。然而，由于我國目前的技術水平和設備能力有限，高溫合金材料的生產水平與美國、俄羅斯等國存在較大的差距。我國采用傳統真空熔鑄工藝預制的高溫合金母合金的質量較差，母合金錠中夾雜物、元素偏析和縮孔等鑄造缺陷比較嚴重，高溫合金母合金的質量以及高溫合金鑄件的合格率遠遠低于國外技術發達國家同類高溫合金母合金的質量以及高溫合金鑄件的合格率。高品質高溫合金材料的供應已嚴重制約了我國國防工業和電力、汽車、醫療等領域的發展，提高我國高溫合金母合金的純凈度和均勻性、改善高溫合金鑄件的質量已成為當前我國冶金工作者一項重要而迫切的任務。2008年申請人在《稀有金屬材料與工程》刊登的文章“K417高溫合金母合金錠的真空電磁鑄造技術研究”中提出了在高溫合金金屬液凝固過程中施加旋轉電磁攪拌的方法來高溫合金母合金錠質量的方法，該方法能夠細化高溫合金母合金錠的晶粒組織、改善中心縮孔和夾雜物的數量和分布、減輕枝晶偏析，但該方法通過延遲電磁攪拌的開始時間來解決金屬液剛澆入鑄型內就進行旋轉電磁攪拌會導致未形成表面凝殼的金屬液面波動比較大、金屬液在電磁力的作用下會沿著模壁攀升后凝固形成大飛邊從而惡化鑄件凝固過程中縮孔的補縮條件這一問題，這就導致在金屬液凝固過程中電磁攪拌時間的減少，因此電磁攪拌在母合金錠中的作用范圍和效果有限。

發明內容
本發明的目的是提供一種改善高溫合金母合金錠質量的方法和裝置。為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下
本發明的施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的裝置，包括真空中頻感應熔煉爐，在真空中頻感應熔煉爐內部中心處設有奧氏體不銹鋼錠模，在奧氏體不銹鋼錠模外側設有直流電磁場發生器和雙向低頻交流旋轉電磁場發生器，在奧氏體不銹鋼錠模上方設有澆冒口系統和泡沫陶瓷過濾器。在奧氏體不銹鋼錠模外側，距其上端面10-100 mm處設置一個磁感應強度為100-300mT的直流電磁場發生器。在奧氏體不銹鋼錠模外側，距其下端面20-250 mm處設置一個頻率為3_60 Hz、輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器。本發明的施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的方法，該方法包括以下步驟 (1)將高溫合金爐料加入真空中頻感應熔煉爐的坩堝中，通電加熱、熔化和精煉；
(2)將金屬液經泡沫陶瓷過濾后通過澆冒口系統澆注到奧氏體不銹鋼錠模中，當金屬液液面和直流電磁場發生器中心面平齊時停止澆注；
(3)分別接通直流電磁場發生器、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器的電源，30-240秒鐘后，當金屬液完全凝固時，分別斷開直流電磁場發生器、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器的電源。本發明的基本構思是錠模采用透磁性好的奧氏體不銹鋼制作，在奧氏體不銹鋼錠模的外側上、下部位依次設置兩個電磁場發生器，上部為穩恒直流電磁場發生器，其中心面與型殼中的金屬液面平齊，下部為雙向低頻交流旋轉電磁場發生器。當金屬液剛被澆入奧氏體不銹鋼錠模中就接通穩恒直流電磁場發生器和雙向低頻交流旋轉電磁場發生器的電源。下部的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器輸入雙向低頻交流電后產生雙向旋轉電磁場，當其以一定的速度切割金屬液時，便在金屬液內產生頻率相同的感生電流，液態金屬作為載流導體，在外加電磁場的作用下產生電磁力(/= JxS )，電磁力確切的說是其周向分力驅動錠模中的液態金屬與夾雜物沿旋轉磁場方向一起進行旋轉運動，在旋轉磁場作用下的旋轉運動中，高溫合金液態金屬和夾雜物在同一半徑上的徑向速度差不僅與兩者的密度差有關，還和兩者很大的切向速度差有關。由于高溫合金液態金屬的電導率比非金屬夾雜物的電導率要大的多，液態金屬受到的電磁力比夾雜物也大的多，因而在同一半徑上液態金屬的切向速度要比夾雜物的切向速度大的多。此外，高溫合金液態金屬的密度也遠遠大于非金屬夾雜物的密度。因此高溫合金液態金屬和夾雜物在同一半徑上的徑向速度差值很大。這將導致密度和電導率都大的高溫合金液態金屬向外快速運動，密度和電導率都小的夾雜物向母合金錠的中心快速運動，從而實現高溫合金液態金屬與夾雜物的快速分離，大幅提高了高溫合金母錠的純凈度。此外在高溫合金真空熔鑄的凝固過程中旋加旋轉電磁場，其在金屬液中產生的電磁攪拌作用還能細化晶粒、減輕元素偏析，最終得到均勻性和純凈度大幅提高的優質高溫合金母合金錠。上部的穩恒直流電磁場發生器輸入直流電后產生穩恒的直流電磁場，金屬液在此穩恒電磁場中流動時便產生感生電流，金屬液作為載流導體，在外加電磁場的作用下會受到與其流動方向相反的電磁力的作用。因此在金屬液面處施加直流穩恒電磁場，其在金屬液面處產生的電磁制動力能夠抑制因型內電磁攪拌引起的為形成凝殼的金屬液面的劇烈波動，從而消除金屬液面的波動對高溫合金鑄件凝固過程中縮孔補縮的不利影響。
與現有技術相比，本發明具有以下優點和效果1、在奧氏體不銹鋼砂箱的外側下部設置的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器，輸入雙向低頻交流電后產生雙向旋轉電磁場，其在金屬液中產生的雙向旋轉電磁攪拌作用能夠細化晶粒、減輕元素偏析，減少非金屬夾雜物，得到均勻性和純凈度大幅提高的優質高溫合金母合金錠。2、在奧氏體不銹鋼砂箱的外側上部設置的穩恒直流電磁場發生器，輸入直流電后產生穩恒的直流電磁場，其在金屬液面處產生的電磁制動力能夠抑制因型內電磁攪拌引起的為形成凝殼的金屬液面的劇烈波動，從而消除金屬液面的波動對高溫合金鑄件凝固過程中縮孔補縮的不利影響。3、本方法工藝原理可靠，可適用于各種高溫合金母合金錠的生產。


附圖I是施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的方法和裝置的結構示意中，I.泡沫陶瓷過濾器，2.直流電磁場發生器，3.澆冒口系統，4.雙向低頻交流旋 轉電磁場發生器，5.奧氏體不銹鋼錠模，6.金屬液，7.真空中頻感應熔煉爐。
具體實施例方式以下結合附圖，詳細敘述本發明的具體實施方案。本發明的施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的裝置，包括真空中頻感應熔煉爐7，在真空中頻感應熔煉爐7內部中心處設有奧氏體不銹鋼錠模5，在奧氏體不銹鋼錠模5外側，距其上端面10-100 mm處設置一個磁感應強度為100_300mT的直流電磁場發生器2。在奧氏體不銹鋼錠模5外側，距其下端面20-250 mm處設置一個頻率為3-60 Hz、輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器4。在奧氏體不銹鋼錠模5上方設有澆冒口系統3和泡沫陶瓷過濾器I。本發明的施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的裝置設有相應的電源系統及水冷系統，電源系統及水冷系統的設置采用現有技術。利用所發明的施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的方法和裝置制備K417高溫合金母合金錠，具體步驟如下
步驟I :復合電磁場發生器的準備
將奧氏體不銹鋼錠模5放入真空中頻感應熔煉爐7的澆注工位。然后在奧氏體不銹鋼錠模5外側，距其上端面10-100 mm處設置一個磁感應強度為100_300mT的直流電磁場發生器2。在奧氏體不銹鋼砂箱5外側，距其下端面20-250 mm處設置一個頻率為3-60 Hz、輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器4。步驟2 K417高溫合金金屬液的熔煉和澆注
將Κ417高溫合金爐料加入真空中頻感應熔煉爐7的坩堝中，通電加熱、熔化和精煉。將金屬液6經泡沫陶瓷過濾I后通過澆冒口系統3澆注到奧氏體不銹鋼錠模5中，當金屬液I液面和直流電磁場發生器2中心面平齊時停止澆注。步驟3 :復合電磁場作用下Κ417高溫合金的細晶鑄造
分別接通直流電磁場發生器2、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器4的電源，并使直流電磁場發生器2的輸入電流達到120Α、磁場強度達到240mT，雙向低頻交流旋轉電磁場發生器4的輸入電流達到160A、磁場強度達到llOmT。30-240秒鐘后，當金屬液6完全凝固時分別斷開直流電磁場發生器2、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器4的電源。
步驟4:質量檢查 觀察K417高溫合金母合金錠，與不施加復合電磁場的鑄錠相比，可以觀察到冒口上表面沒有出現飛邊，對母合金錠進行凝固組織、元素偏析和夾雜物分析，結果為母合金錠晶粒細化到O. 12_、斷面等軸晶比例達到96%，縮孔和夾雜物較少，元素偏析較輕，母合金錠的質量得到明顯改善。
權利要求
1.一種施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的裝置，包括真空中頻感應熔煉爐(7)，在真空中頻感應熔煉爐(7)內部中心處設有奧氏體不銹鋼錠模(5)，在奧氏體不銹鋼錠模(5)外側設有直流電磁場發生器(2)和雙向低頻交流旋轉電磁場發生器(4)，在奧氏體不銹鋼錠模(5 )上方設有澆冒口系統(3 )和泡沫陶瓷過濾器(I)。
2.根據權利要求I所述的一種施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的裝置，其特征是在奧氏體不銹鋼錠模(5)外側，距其上端面10-100 mm處設置一個磁感應強度為100-300mT的直流電磁場發生器(2)。
3.根據權利要求I所述的一種施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的裝置，其特征是在奧氏體不銹鋼錠模(5)外側，距其下端面20-250 mm處設置一個頻率為3-60 Hz、 輸入電流為60-200A的雙向低頻交流旋轉電磁場發生器(4)。
4.一種施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的方法，采用如權利要求I所述的裝置，該方法包括以下步驟 (1)將高溫合金爐料加入真空中頻感應熔煉爐(7)的坩堝中，通電加熱、熔化和精煉； (2)將金屬液(6)經泡沫陶瓷過濾(I)后通過澆冒口系統(3)澆注到奧氏體不銹鋼錠模(5)中，當金屬液(I)液面和直流電磁場發生器(2)中心面平齊時停止澆注； (3)分別接通直流電磁場發生器(2)、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器(4)的電源，30-240秒鐘后，當金屬液(I)完全凝固時，分別斷開直流電磁場發生器(2)、雙向低頻交流旋轉電磁場發生器(4)的電源。
全文摘要
一種施加復合電磁場改善高溫合金母合金錠質量的方法和裝置，在奧氏體不銹鋼錠模的外側上下部位依次設置兩個電磁場發生器，上部為穩恒直流電磁場發生器，下部為雙向低頻交流旋轉電磁場發生器。下部雙向低頻交流旋轉電磁場發生器輸入低頻交流電流后產生雙向旋轉電磁場，其在金屬液中產生的雙向旋轉電磁攪拌作用可以使高溫合金母合金錠的中心縮孔帶減小并上移、夾雜物含量減少，枝晶偏析減輕，凝固組織細小且均勻性。上部穩恒直流電磁場發生器輸入直流電流后產生均勻的直流電磁場，其在金屬液面處產生的電磁制動力抑制了因型內電磁攪拌引起的金屬液面的劇烈波動，消除了金屬液面的波動對高溫合金母合金錠凝固過程中夾雜物上浮、縮孔補縮的不利影響。
文檔編號B22D7/12GK102642013SQ20111045212
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者張慶豐, 李素芳, 王雷, 穆欣, 金文中 申請人:洛陽理工學院