專利名稱：鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定向凝固方法。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天和能源等工業(yè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)材料與材料加工技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求，對新型材料與新型材料加工技術(shù)的重視程度日益提高。其中減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)零部件的自重和提高發(fā)動機燃燒溫度是提高效率的有效途徑。目前高溫部件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到600°C，鎳基高溫合金的工作溫度接近1100°C。然而鎳基高溫合金密度大，而高溫下鈦合金的抗氧化性差，因此尋找一種輕質(zhì)、耐高溫和可靠性高的新型合金成為突破目前高溫部件制造用材料的重要途徑之一。近年來有關(guān)金屬間化合物合金的研究越來越引起國內(nèi)外的重視，其具有一般金屬和合金所沒有的高比強度、高比剛度，以及良好的抗高溫氧化性、抗蠕變性和抗氫脆、抗燃燒等特性。其中鈦鋁合金由于具有高比強、高比剛、耐高溫以及優(yōu)異的抗氧化性，可滿足7500C -8500C的耐熱使用溫度，是高性能發(fā)動機耐熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀候選金屬間化合物合金之一。特別是采用定向凝固技術(shù)制備的鈦鋁合金，由于消除了與受力主應(yīng)力方向相垂直的橫向晶界，可極大地提高鈦鋁合金的機械性能以及提高耐熱使用溫度近100°C，是一種非常具有應(yīng)用價值的新型合金。然而鈦鋁合金具有熔點高、化學活性高的特點，對其進行定向凝固時會與CaO、A1203、ZrO2等傳統(tǒng)陶瓷材料發(fā)生物理化學反應(yīng)，引入的雜質(zhì)會嚴重損害鈦鋁合金的機械性能，特別是本來就很低的室溫塑性，還會降低高溫強度、抗氧化性和抗蠕變能力。由于傳統(tǒng)的定向凝固方法很難克服鈦鋁合金在定向凝固組織制備中出現(xiàn)的問題，鈦鋁合金的制備與加工技術(shù)已經(jīng)成為促進鈦鋁工程實用化的最大制約因素。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，同時使用水冷銅壁制成坩堝本體，在電磁推力的作用下合金熔體與坩堝內(nèi)壁分離，保證了合金熔體不與坩堝發(fā)生反應(yīng)，而且坩堝可以多次重復使用，具有成本低的特點，特別適用于高熔點高化學活性的鈦鋁合金定向凝固。但是冷坩堝定向凝固技術(shù)始終存在著側(cè)向散熱的問題，對熱流單向性的控制影響著定向凝固組織生長的穩(wěn)定性。顯然提高熱流的單向流動能力，克服由于電磁推力不足產(chǎn)生的熔體貼附坩堝冷壁造成的側(cè)向散熱問題，是提高鈦鋁合金定向凝固技術(shù)方法先進性的首要選擇。

發(fā)明內(nèi)容
針對冷坩堝定向凝固技術(shù)存在著側(cè)向散熱的問題，本發(fā)明提供一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，可較好地解決上述問題。所述目的是通過如下方案實現(xiàn)的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置于封閉的爐體內(nèi)，水冷銅坩堝外設(shè)置有電磁感應(yīng)線圈，水冷銅坩堝的內(nèi)壁上設(shè)有一圈梯形凸臺，所述梯形凸臺置于感應(yīng)線圈的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結(jié)構(gòu)；梯形凸臺上方設(shè)置有料棒，梯形凸臺下方設(shè)置有底料，料棒底端和底料頂端都置于水冷銅坩堝內(nèi)；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45 55kW，抽拉速度為O. 3 1. 5mm/min,保溫時間10 20min,抽拉距離60 100mm。水冷銅坩堝的高度為100mm，梯形凸臺置于水冷銅坩堝內(nèi)高度上的居中位置，底料頂端距水冷銅坩堝底部的距離為35 40mm。所述梯形凸臺具有上傾斜表面，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°。從距坩堝底部15mm開設(shè)長縫，開縫長度為65mm。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。水冷銅樹禍的外徑為64mm, 甘禍的壁厚為13 15mm。所述水冷銅坩堝上下端頭設(shè)置有屏敝環(huán)。本發(fā)明設(shè)置的帶有斜度的內(nèi)部凸臺使坩堝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，導致坩堝內(nèi)部的磁場分布更趨合理，內(nèi)部的磁場強度也進一步增強，從而上料棒熔化后會獲得更大的電磁懸浮力，這種冷坩堝設(shè)計可確保鈦鋁的懸浮熔化、連續(xù)澆注和定向凝固三者有機結(jié)合起來，對于獲得方向性和形態(tài)良好的鈦鋁合金定向凝固組織起到了積極的促進作用。圖7是采用本發(fā)明方法所得鈦鋁合金連續(xù)鑄錠的宏觀組織形貌，它存在四個區(qū)域，包括初始凝固區(qū)、定向組織穩(wěn)態(tài)生長區(qū)、糊狀區(qū)和液相冷卻區(qū)。在定向凝固的初始階段，初始凝固區(qū)內(nèi)的晶粒基本以等軸晶粒為主，隨著抽拉的不斷進行，凝固組織進入穩(wěn)態(tài)生長階段，此時等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹В捎诶溘釄鍌?cè)向散熱作用的存在，部分柱狀晶生長的起始端會與鑄錠軸線呈傾斜角度，但是隨著生長的進行，晶粒的生長方向重新接近軸線方向。還可以清楚地看出采用懸浮式冷坩堝定向凝固制得的定向凝固組織與過去使用的不設(shè)置凸臺的冷坩堝相比具有更小的凝殼區(qū)域，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)域的少量在初始生長階段偏離鑄錠軸線方向的柱狀晶，會隨著生長的進行逐漸朝著豎直的方向生長。


圖1是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、70mm參數(shù)下
的固液界面宏觀形貌圖。圖2是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、10min、70mm參數(shù)
下的固液界面宏觀形貌圖。圖3是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、15min、70mm參數(shù)
下的固液界面宏觀形貌圖。圖4是功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、40mm參數(shù)下
的固液界面宏觀形貌圖。圖5為50kW功率下，O. 5mm/min抽拉速度下界面前沿的樹枝晶形貌圖。
圖6為50kW功率下，O. 7mm/min抽拉速度下界面前沿的樹枝晶形貌圖。圖7是采用本發(fā)明方法所得鑄件宏觀組織形貌圖。圖8是本發(fā)明所使用的定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是冷坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是圖9的A-A剖視圖。其中，1-料棒，2-感應(yīng)線圈，3-水冷銅坩堝的開縫處，31 -梯形凸臺，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)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細闡述本發(fā)明優(yōu)選的實施方式。實施例一鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置于封閉的爐體內(nèi)，參照圖8、圖9，水冷銅坩堝3的外面設(shè)置有電磁感應(yīng)線圈2，水冷銅坩堝3的內(nèi)壁上設(shè)有一圈梯形凸臺31，所述梯形凸臺31置于感應(yīng)線圈2的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結(jié)構(gòu)；梯形凸臺31的上方設(shè)置有料棒1，梯形凸臺31的下方設(shè)置有底料4，開始工作時，料棒I的底端和底料4的頂端都置于水冷銅坩堝3內(nèi)；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45 55kW，抽拉速度為O. 3 1. 5mm/min,保溫時間10 20min,抽拉距離60 100mm。凝固界面形貌在一定程度上反映著鑄錠凝固組織的形成規(guī)律，在不同的工藝參數(shù)的條件下，凝固界面的形貌也不盡相同，隨著保溫時間的變化，在5min, IOmin, 15min, 20min不同的保溫時間下，固液界面逐漸由凹形向凸形轉(zhuǎn)變，在較短的保溫時間下，熔體加熱還不夠完全，由于側(cè)向散熱的作用，靠近冷坩堝壁的熔體熱量會大量散失，因此靠近坩堝壁的熔體溫度較低，最先凝固，并在凝固界面上顯示為側(cè)向生長。當保溫時間逐漸增長，熔體過熱度進一步上升，熔體在洛侖茲電磁力的作用下逐漸實現(xiàn)了不與冷坩堝壁接觸的狀態(tài)，使側(cè)向散熱的作用逐漸減弱，由于感應(yīng)加熱具有集膚效應(yīng)，感應(yīng)渦流主要產(chǎn)生在鑄錠表面，熱量通過傳導和對流向中心部位傳遞，中心部位的合金熔體最先凝固，因此凝固界面表現(xiàn)為中間部位存在有凸起的現(xiàn)象。圖1-4為不同工藝參數(shù)下的固液界面宏觀形貌，其中，圖1的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、70mm ;圖2的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、10min、70mm ;圖3的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、
O.5mm/min、15min、70mm ;圖4的功率、拉速、保溫時間、抽拉距離分別為50kW、0. 5mm/min、5min、40mmo不同的鑄錠抽拉距離對固液界面的微觀組織形態(tài)有一定影響。當抽拉距離為70mm時，界面樹枝晶呈六重對稱形態(tài)，表明定向凝固進行到此距離時，大量的α相作為初生相從液相中析出，而當抽拉距離為30mm時，固液界面前沿的樹枝晶形態(tài)絕大多數(shù)呈四重對稱結(jié)構(gòu)，為β相從液相中首先析出。根據(jù)能譜分析結(jié)果，隨著生長長度的不斷增加，鋁元素源源不斷的被新形成的固相排出，固液界面前沿的溶質(zhì)富集程度不斷增大，在抽拉距離較短時，溶質(zhì)富集程度低，成分過冷的傾向小，首先生長出胞狀晶，繼而轉(zhuǎn)化為整齊的柱狀樹枝晶組織，當抽拉距離較長時，溶質(zhì)富集程度高，成分過冷的傾向增大，前沿生長出大量的發(fā)達柱狀樹枝晶。不同的抽拉速度對界面前沿樹枝晶的形貌也產(chǎn)生影響。圖5、圖6分別為50kW功率下，O. 5mm/min和O. 7mm/min抽拉速度下界面前沿的樹枝晶形貌,從圖中可以看出，在
O.5mm/min的抽拉速度下，凝固界面前沿的數(shù)枝晶呈四重對稱結(jié)構(gòu)，此時的初生相幾乎全部為β相，這主要是由于定向凝固的抽拉速度較低，晶體的生長速度較慢，作為溶質(zhì)的鋁元素有足夠的時間自凝固界面前沿擴散到液相當中。當拉速為O. 7mm/min時，凝固界面前沿的數(shù)枝晶形態(tài)一部分呈現(xiàn)為四重對稱結(jié)構(gòu)，另一部分呈現(xiàn)為六重對稱結(jié)構(gòu)，說明此時在凝固界面前沿存在著大量的初生α相，說明隨著生長速度的增大，界面前沿的鋁元素的擴散受到抑制，合金的凝固路徑朝著先析出α相的方向發(fā)展。即便在凝固的最后時刻，合金熔體的駝峰仍然與坩堝保持著無接觸或軟接觸，類 似原有冷坩堝設(shè)計出現(xiàn)的大量的側(cè)向散熱所導致的斷電后側(cè)向柱狀晶的生長的情況沒有出現(xiàn)，這也從另一個方面表明了坩堝優(yōu)化設(shè)計后，在熔化區(qū)域的磁場強度得到了加強，更加有利于獲得優(yōu)良的凝固組織。底料的高度是冷坩堝定向凝固的一個重要工藝參數(shù)，不同的底料高度會在定向凝固時產(chǎn)生不同的合金熔體駝峰形態(tài)，底料放置過高，熔化時熔體駝峰的高度過高，擾動嚴重會干擾固液界面前沿的穩(wěn)定性。當?shù)琢细叨冗^低，底料會熔化不充分或者難以被熔化，這會導致坩堝內(nèi)發(fā)生嚴重的熔體堆積現(xiàn)象。當?shù)琢戏胖镁嚯x坩堝底部30mm時，將功率加至50kW，底料未被熔化，溫度場計算結(jié)果顯示此時的底料頂部溫度剛剛達到1000°C，遠遠達不到鈦鋁的熔化溫度；當?shù)琢戏胖镁嚯x坩堝底部33mm時，底料頂部的大部分區(qū)域溫度超過1400°C，底料頂部局部開始熔化，但是熔化的高度較低，熔融金屬與坩堝壁接觸；當將底料高度提升至35 40mm時，結(jié)果表明此時底料頂部的溫度超過1500°C，底料頂部全部熔化，整個熔化過程與坩堝壁呈無接觸狀態(tài)。因此，本發(fā)明將水冷銅坩堝的高度設(shè)置為100_，梯形凸臺置于水冷銅坩堝內(nèi)高度上的居中位置，底料頂端距水冷銅 甘禍底部的距離為35 40mm,可以是36mm、37mm或38mm。冷坩堝內(nèi)部凸臺傾斜角度的選擇是決定連續(xù)熔鑄的關(guān)鍵。坩堝內(nèi)部軸向磁感應(yīng)強度的大小與坩堝內(nèi)部錐角角度有關(guān)(參照圖9，包括梯形凸臺的上傾斜表面與水平面間的夾角α，梯形凸臺的下傾斜表面與水平面間的夾角β)，將不同的冷坩堝施加相同的電流強度，對比發(fā)現(xiàn)內(nèi)部帶有凸臺的坩堝其磁感應(yīng)強度大于內(nèi)部為直筒形(即呈90°角)坩堝內(nèi)部的磁感應(yīng)強度，且隨著傾角的增大而逐漸增大，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°、40°、45°、50°、55°、60°，優(yōu)選為45°。從距坩堝底部15mm處開設(shè)長縫，開縫長度為65mm。坩堝的開縫形狀會對坩堝內(nèi)的磁場產(chǎn)生影響。在使用矩形開縫形式，線圈上載荷100A電流時，坩堝中心線處的軸向磁感應(yīng)強度Bz最大值為1. 4mT左右，而當將矩形縫與三角形縫組合使用時，同樣的載荷條件下，中心線的軸向磁感應(yīng)強度Bz最大值超過3. 5mT,是原有開縫形式時的2. 5倍，相對應(yīng)的磁感應(yīng)強度B值也有大幅的增加。可見通過改變坩堝開縫的形狀，適當擴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邊呈90°夾角，參照圖10。感應(yīng)線圈的確定米用外徑9. 5 10. 5mm、內(nèi)徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈繞制半徑為67 70mm，共4 5匝。在真空感應(yīng)熔煉過程中，爐內(nèi)處于高溫電磁環(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，當真空室內(nèi)壓力為數(shù)百帕時，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。對坩堝和感應(yīng)線圈進行絕緣處理，采用環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯帶進行包裹，高溫部分再包裹陶瓷纖維帶進行隔熱處理，經(jīng)過絕緣處理后，電壓可提高到500-2000V。水冷銅樹禍的外徑為64mm, 甘禍的壁厚為13 15mm。所述水冷銅坩堝上下端頭設(shè)置有屏敝環(huán)。實施例二本實施例與實施例一的區(qū)別在于，工作時，線圈電流為150A，電源 輸出功率為55kW,抽拉速度為1. 5mm/min,保溫時間20min,抽拉距離60mm。實施例三本實施例與實施例一的區(qū)別在于，工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為52kW,抽拉速度為1. 2mm/min,保溫時間16min,抽拉距離100mm。實施例四本實施例與實施例一的區(qū)別在于，工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為48kW,抽拉速度為1. Omm/min,保溫時間12min,抽拉距離80mm。實施例五本實施例與實施例一的區(qū)別在于，工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為46kW,抽拉速度為O. 4mm/min,保溫時間14min,抽拉距離90mm。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范圍，本領(lǐng)域人員還可以對其進行局部改變，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，都在本專利的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置于封閉的爐體內(nèi)，水冷銅坩堝外設(shè)置有電磁感應(yīng)線圈，其特征在于水冷銅坩堝的內(nèi)壁上設(shè)有一圈梯形凸臺，所述梯形凸臺置于感應(yīng)線圈的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結(jié)構(gòu)；梯形凸臺上方設(shè)置有料棒，梯形凸臺下方設(shè)置有底料，料棒底端和底料頂端都置于水冷銅坩堝內(nèi)；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45 55kW,抽拉速度為O. 3 1. 5mm/min,保溫時間10 20min,抽拉距離60 100mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，其特征在于水冷銅坩堝的高度為100mm，梯形凸臺置于水冷銅坩堝內(nèi)高度上的居中位置，底料頂端距水冷銅坩堝底部的距離為35 40mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，其特征在于所述梯形凸臺具有上傾斜表面，所述上傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，其特征在于所述梯形凸臺具有下傾斜表面，所述下傾斜表面與水平面間的夾角為30 60°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，其特征在于坩堝從距底部15mm開設(shè)長縫，開縫長度為65mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，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，三角形開縫處呈90°夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，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。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，其特征在于水冷銅坩堝的外徑為64mm，坩堝的壁厚為13 15mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，其特征在于所述水冷銅坩堝上下端頭設(shè)置有屏敝環(huán)。
全文摘要
針對冷坩堝定向凝固技術(shù)存在著側(cè)向散熱的問題，本發(fā)明提供一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固方法，可較好地解決上述問題。將電磁冷坩堝定向凝固裝置中的水冷銅坩堝置于封閉的爐體內(nèi)，水冷銅坩堝外設(shè)置有電磁感應(yīng)線圈，水冷銅坩堝的內(nèi)壁上設(shè)有一圈梯形凸臺；工作時，線圈電流為150A，電源輸出功率為45～55kW，抽拉速度為0.3～1.5mm/min，保溫時間10～20min，抽拉距離60～100mm。本發(fā)明使坩堝內(nèi)部的磁場分布更趨合理，內(nèi)部的磁場強度也進一步增強，從而上料棒熔化后會獲得更大的電磁懸浮力，這種冷坩堝設(shè)計可確保鈦鋁的懸浮熔化、連續(xù)澆注利定向凝固三者有機結(jié)合起來，對于獲得方向性和形態(tài)良好的鈦鋁合金定向凝固組織起到了積極的促進作用。
文檔編號B22D11/00GK103008579SQ20121058369
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者丁宏升, 王永喆, 李明亮, 張海龍, 陳瑞潤, 郭景杰, 傅恒志 申請人:哈爾濱工業(yè)大學