專利名稱：制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制備TiAl基合金坯的定向凝固裝置。
技術背景對于工作溫度低于90(TC的發動機葉片而言，目前已經開始用TiAl基合金 研制先進航空發動機的低壓渦輪葉片或者高壓壓氣機葉片，這不但提高了發動 機燃燒室的工作溫度，獲得了高的燃燒效率，而且減輕了發動機的自身重量， 降低了旋轉工作時高強度離心力所帶來的高應力，還減輕了發動機支撐件的重 量，提高了零部件的整體工作壽命。但是TiAl基合金的機械加工比較困難，成本較高。為了降低加工成本，節省 大量的加工工時，目前TiAl基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性能匹配差，高溫變形不均勻，動 態再結晶不完全，表現出明顯的力學各向異性。因此如何能達到TiAl基合金高性 能化的加工要求，對其在航空航天等工業上的應用具有重要意義。已授權的專利號為ZL200410043791的《鈦基合金的水冷電磁銅型定向凝固方 法》專利，公開了一種金屬定向凝固方法。它具有冷卻速率均勻、生產效率高、 生產過程連續和流程短等優點，尤其是在適當控制傳熱和傳質及流動的加工條件 下可以有目的調整構件的組織形態，減少了加工缺陷，有利于提高合金的綜合力 學性能。但該方法加工出的是圓柱形坯件，為了減少零件的加工流程，為后續 的零件加工提供近乎于最終尺度的坯件，需要橫截面為正方形的TiAl基合金方坯， 但現有技術還無法做到。發明內容本發明的目的是提供制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，以解決現有 技術無法制造橫截面為正方形的TiAl基合金方坯的問題。它包括封閉的爐體22、 送料桿21、水冷銅坩堝12、結晶器6、移料桿4、感應線圈ll、冷卻劑材料7、母
料棒14和終料棒8，位于爐體22內的母料棒14的上端部固定在送料桿21的下端部 上，母料棒14的下端部伸在水冷銅坩堝12中，終料棒8設置在水冷銅坩堝12下方 的結晶器6內且終料棒8與結晶器6之間涂敷有冷卻劑材料7，移料桿4承接在終料 棒8的下端，水冷銅坩堝12的外部環繞有感應線圈11用于激發交變磁場并通過水 冷銅坩堝12向其內部擴散從而產生加工過程所需要的熱區23，所述水冷銅坩堝12內腔的水平橫截面為正方形，正方形的任意兩條邊之間設置為圓角過渡。本發明的工作過程如下把母料棒14和終料棒8送入感應線圈11的感應范 圍內，感應線圈11通電加熱伸入其內的母料棒14和終料棒8至熔化，電磁力 保持熔化后的液體形狀為水冷銅坩堝12的截面形狀并堆積在終料棒8上，母料 棒14和終料棒8始終勻速向下運動，熔化后的液體逐漸凝固，進入設置在其下 方的結晶器6內最終結晶后形成TiAl基合金方坯。本發明針對TiAl基合金，在 水冷銅坩堝12中通過電磁連續約束成形%定向凝固后成為方形坯料。本發明 利用方形水冷銅坩堝12制造TiAl基方形坯料，解決了現有技術無法制造橫截 面為正方形的TiAl基合金方坯的問題。坩堝拐角部分曲率半徑是影響方形坯料 均勻熔化和約束的重要因素。因為在整個正方形區域內電磁場分布是不均勻的， 尤其在拐角部分是被屏蔽的，該處被熔鑄材料的溫度較低，電磁約束力弱，不 利于被熔鑄材料的質量。所以在拐角部分設置為圓角過渡。


圖1是本發明的結構示意圖，圖2是水冷銅坩堝12與感應線圈11的位置 關系結構示意圖，圖3是水冷銅坩堝12的俯視圖，圖4是圖3的A-A剖視圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結合圖l具體說明本實施方式。本實施方式由封閉的 爐體22、送料桿21、水冷銅坩堝12、結晶器6、移料桿4、感應線圈ll、冷卻劑材 料7、母料棒M和終料棒8組成，位于爐體22內的母料棒14的上端部固定在送料桿 21的下端部上，母料棒14的下端部伸在水冷銅坩堝12中，終料棒8設置在水冷銅 坩堝12下方的結晶器6內且終料棒8與結晶器6之間填充有冷卻劑材料7，移料桿4 承接在終料棒8的下端，水冷銅坩堝12的外部環繞有感應線圈ll用于激發交變磁 場并通過水冷銅坩堝12向其內部擴散從而產生加工過程所需要的熱區23，所述水 冷銅坩堝12內腔的水平橫截面為正方形，正方形的任意兩條邊之間設置為圓角過 渡。圓角過渡處的曲率半徑為=^^;，式中《。——單位體積被熔鑄材料吸收的感應加熱功率；i ——曲率半徑；仏——單位體積被熔鑄材料的磁場強度；s——被熔鑄材料電導率；^——電流透入被熔鑄材料深度。在具體選取結構參數時可以把水冷銅坩堝12的高度定為U0mm，寬度尺 寸為26mraX26mm，水冷銅坩堝12的壁厚定為15咖，取W的值為6毫米。冷卻劑材料7為二元合金液或三元合金液，按質量百分比計，二元合金液為 Ga-24.5。/。和In-75.5。/。；三元合金液為Ga-25。/。、 In-13。/。和Sn-62。/。。冷卻劑材料7實 現結晶器6的冷卻作用。如圖1所示，將爐體22通過螺栓連接，安裝在支撐框架5和25上，支撐框架25 呈水平設置并用地腳螺栓連接穩定地固定于地面之上；在爐體22內的底部有兩 組循環水通道9，通過密封圈和螺帽螺紋連接的共同作用，可以和水冷銅坩堝12 通過帶有法蘭的銅管10共同構成水冷銅坩堝12所需的水冷卻系統；通過銅管IO 和循環水通道9的連接，還可以對水冷銅坩堝12起到支撐作用。移料桿4的上下運 動依靠固定在底座28上的伺服電機27提供動力，由螺紋桿26帶動固定其上的同步 桿3完成；移料桿4的小角度轉動可通過固定在底座1上的旋角電機2，調整靠模 角度和靠模形狀來完成運動；爐體22的法蘭口 15為;l:盧室抽真空和反充保護氣體提 供通道，爐體22頂部有觀察窗口16，通過密封連接，內部夾持耐高溫透明石英 玻璃17可觀察爐內加熱情況。送料桿21固定在同歩桿20上，在送料速度可調的數 字式伺服電機19的帶動下完成送料運動，送料桿21與爐體22之間用動密封連接， 電機19由己經焊接到爐體上的支架18固定；具體實施方式
二下面結合圖2至圖3具體說明本實施方式。本實施方式 與實施方式一的不同點是水冷銅坩堝12上的透磁通道12-3沿水冷銅柑堝12 的高度方向設置，多條透磁通道12-3互相平行且沿水冷銅坩堝12的周向外表 面均勻分布，透磁通道12-3由貫通于水冷銅坩堝12內表面和外表面之間的長 孔12-3-1和填入在長孔12-3-1中的云母片12-3-2組成，長孔12-3-1的橫斷
面形狀為外寬內窄的"三角形"。因為磁力線的緣故，透磁通道12-3的橫截面形狀變化會影響坩堝的透磁 性，開縫寬度要求適當。寬度的擴大可使透過的電磁場增加，提高加熱熔化和 電磁約束成形能力，但是寬度的擴大應保證不能發生金屬熔體的泄漏或縫間材 料不被燒蝕。因此選擇了外寬內窄的"三角形"。長孔12-3-1內填入天然云母 片后在槽內灌入玻璃膠封死，防止高溫下坩堝內的金屬液外漏；外面用聚四氟 乙烯薄片和玻璃絲布絕緣并涂玻璃膠。透磁通道12-3從水冷銅坩堝12底部5mm處開始，取長度為85咖，將每條 邊上透磁通道12-3的數目定為3條，總數為3X4 = 12條。當然具體結構參數 的選取不受此限制，上述參數僅供參考。
具體實施方式
三下面結合圖3具體說明本實施方式。本實施方式與實施 方式二的不同點是長孔12-3-1的橫斷面形狀為"三角形連通矩形"，"三角形" 設置在坩堝體1的外表面處且"三角形"的頂角連通"矩形"的短邊。本實施 方式適用于水冷銅坩堝12的壁厚較大時。
具體實施方式
四下面結合圖l具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是它還包括電阻加熱預熱器13，電阻加熱預熱器13設置在水冷銅坩堝12的上端且環繞在母料棒14的下端上。本實施方式給母料棒14預熱。所述電 阻加熱預熱器13由耐火陶瓷材質的套管外表面纏繞電阻絲構成，耐火陶瓷材質的 套管還可起到為母料棒14進入水冷銅坩堝12起導向的作用。
具體實施方式
五下面結合圖l具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是它還包括圓筒狀的不銹鋼反射屏24，不銹鋼反射屏24設置在水 冷銅坩堝12的下端與結晶器6的上端之間且環繞終料棒8的上端。本實施方式為控 制終料棒8在水冷銅坩堝12出口端的固相散熱，降低凝固界面位置，增大溫度梯 度，提高定向凝固效率。
權利要求
1、制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，它包括封閉的爐體(22)、送料桿(21)、水冷銅坩堝(12)、結晶器(6)、移料桿(4)、感應線圈(11)、冷卻劑材料(7)、母料棒(14)和終料棒(8)，位于爐體(22)內的母料棒(14)的上端部固定在送料桿(21)的下端部上，母料棒(14)的下端部伸在水冷銅坩堝(12)中，終料棒(8)設置在水冷銅坩堝(12)下方的結晶器(6)內且終料棒(8)與結晶器(6)之間填充有冷卻劑材料(7)，移料桿(4)承接在終料棒(8)的下端，水冷銅坩堝(12)的外部環繞有感應線圈(11)用于激發交變磁場并通過水冷銅坩堝(12)向其內部擴散從而產生加工過程所需要的熱區(23)，其特征在于所述水冷銅坩堝(12)內腔的水平橫截面為正方形，正方形的任意兩條邊之間設置為圓角過渡。
2、 根據權利要求1所述的制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，其特征在于圓角過渡處的曲率半徑為及二:^H，式中％——單位體積被熔鑄材料吸收的感應加熱功率；i ——曲率半徑；仏——單位體積被熔鑄材料的磁場強度；s——被熔鑄材 料電導率；"——電流透入被熔鑄材料深度。
3、 根據權利要求1所述的制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，其 特征在于冷卻劑材料(7)為二元合金液或三元合金液，按質量百分比計，二元合 金液為Ga-24.5。/。和In-75.5%;三元合金液為Ga-25%、 In-13。/。和Sn-62%。
4、 根據權利要求1所述的制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，其特 征在于水冷銅坩堝(12)上的過磁通道(12-3)沿水冷銅坩堝(12)的高度方向設置， 多條過磁通道(12-3)互相平行且沿水冷銅坩堝(12)的周向外表面均勻分布，過磁 通道(12-3)由貫通于水冷銅坩堝(12)內表面和外邊面之間的長孔(12-3-l)和填 入在長孔(12-3-l)中的云母片(12-3-2)組成，長孔(12-3-l)的橫斷面形狀為外 寬內窄的"三角形"。
5、 根據權利要求4所述的制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，其 特征在于長孔(12-3-l)的橫斷面形狀為"三角形連通矩形"，"三角形"設置在 坩堝體(l)的外表面處且"三角形"的頂角連通"矩形"的短邊。
6、 根據權利要求1所述的制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，其 特征在于它還包括電阻加熱預熱器(14)，電阻加熱預熱器(14)設置在水冷銅鉗 堝(12)的上端且環繞在母料棒(14)的下端上。
7、根據權利要求1所述的制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，其 特征在于它還包括圓筒狀的不銹鋼反射屏(24)，不銹鋼反射屏(24)設置在水冷銅 坩堝(12)的下端與結晶器6的上端之間且環繞終料棒(8)的上端。
全文摘要
制備TiAl基合金方坯的一種定向凝固裝置，本發明涉及一種制備TiAl基合金坯的定向凝固裝置。它解決了現有技術無法制造橫截面為正方形的TiAl基合金方坯的問題。它包括封閉的爐體、爐體內的母料棒的上端部固定在送料桿的下端部上，母料棒的下端部伸在水冷銅坩堝內，終料棒設置在水冷銅坩堝下方的結晶器內且終料棒與結晶器之間填充有冷卻劑材料，移料桿承接在終料棒的下端，水冷銅坩堝的外部環繞有感應線圈用于激發交變磁場并通過水冷銅坩堝向其內部擴散從而產生加工過程所需要的熱區，所述水冷銅坩堝內腔的水平橫截面為正方形，正方形的任意兩條邊之間設置為圓角過渡。
文檔編號F27B14/00GK101112716SQ20071007271
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月29日 優先權日2007年8月29日
發明者丁宏升, 傅恒志, 畢維生, 郭景杰, 陳瑞潤 申請人:哈爾濱工業大學