大尺寸無孔洞缺陷的TiAl基合金錠的熔鑄方法技術

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。本發明專利技術解決了現有的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。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種TiAl基合金錠的熔鑄方法，具體涉及一種。
技術介紹
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。
技術實現思路
本專利技術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。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。本專利技術具有以下有益效果一、本專利技術利用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％；采用本專利技術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、本專利技術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。附圖說明圖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5～10m本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇彥慶，郭景杰，丁宏升，吳士平，賈均，傅恒志，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]