鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法技術

針對冷坩堝定向凝固技術存在著側向散熱的問題，本發明專利技術提供一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續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，水冷銅坩堝外設置有電磁感應線圈，水冷銅坩堝的內壁上設有一圈梯形凸臺；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。本發明專利技術使坩堝內部的磁場分布更趨合理，內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，這種冷坩堝設計可確保鈦鋁的懸浮熔化、連續澆注利定向凝固三者有機結合起來，對于獲得方向性和形態良好的鈦鋁合金定向凝固組織起到了積極的促進作用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種定向凝固方法。
技術介紹
隨著航空、航天和能源等工業的蓬勃發展，傳統材料與材料加工技術已經不能滿足需求，對新型材料與新型材料加工技術的重視程度日益提高。其中減輕發動機結構零部件的自重和提高發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、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。近年來有關金屬間化合物合金的研究越來越引起國內外的重視，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、耐高溫以及優異的抗氧化性，可滿足7500C -8500C的耐熱使用溫度，是高性能發動機耐熱結構的優秀候選金屬間化合物合金之一。特別是采用定向凝固技術制備的鈦鋁合金，由于消除了與受力主應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等傳統陶瓷材料發生物理化學反應，引入的雜質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的問題，鈦鋁合金的制備與加工技術已經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作為一種新型的定向凝固技術，采用感應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壁分離，保證了合金熔體不與坩堝發生反應，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始終存在著側向散熱的問題，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生的熔體貼附坩堝冷壁造成的側向散熱問題，是提高鈦鋁合金定向凝固技術方法先進性的首要選擇。
技術實現思路
針對冷坩堝定向凝固技術存在著側向散熱的問題，本專利技術提供一種，可較好地解決上述問題。所述目的是通過如下方案實現的，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，水冷銅坩堝外設置有電磁感應線圈，水冷銅坩堝的內壁上設有一圈梯形凸臺，所述梯形凸臺置于感應線圈的感應區內，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結構；梯形凸臺上方設置有料棒，梯形凸臺下方設置有底料，料棒底端和底料頂端都置于水冷銅坩堝內；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開設長縫，開縫長度為65mm。所述開縫形狀從內到外為矩形連接三角形的縫，三角形開縫處呈90°夾角。感應線圈米用外徑9. 5 10. 5mm、內徑5. 5 6. 5mm的T3銅管制成，銅管外面包裹環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置有屏敝環。本專利技術設置的帶有斜度的內部凸臺使坩堝的內部結構得到優化，導致坩堝內部的磁場分布更趨合理，內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，這種冷坩堝設計可確保鈦鋁的懸浮熔化、連續澆注和定向凝固三者有機結合起來，對于獲得方向性和形態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是采用本專利技術方法所得鈦鋁合金連續鑄錠的宏觀組織形貌，它存在四個區域，包括初始凝固區、定向組織穩態生長區、糊狀區和液相冷卻區。在定向凝固的初始階段，初始凝固區內的晶粒基本以等軸晶粒為主，隨著抽拉的不斷進行，凝固組織進入穩態生長階段，此時等軸晶轉變為柱狀晶，但由于冷坩堝側向散熱作用的存在，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置凸臺的冷坩堝相比具有更小的凝殼區域，側向散熱的現象得到了明顯的改善，柱狀晶生長方向與軸線方向呈現平行生長，靠近凝殼區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。附圖說明圖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是采用本專利技術方法所得鑄件宏觀組織形貌圖。圖8是本專利技術所使用的定向凝固裝置結構示意圖。圖9是冷坩堝的結構示意圖。圖10是圖9的A-A剖視圖。其中，1-料棒，2-感應線圈，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。具體實施例方式下面結合附圖詳細闡述本專利技術優選的實施方式。實施例一，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，參照圖8、圖9，水冷銅坩堝3的外面設置有電磁感應線圈2，水冷銅坩堝3的內壁上設有一圈梯形凸臺31，所述梯形凸臺31置于感應線圈2的感應區內，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結構；梯形凸臺31的上方設置有料棒1，梯形凸臺31的下方設置有底料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；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律，在不同的工藝參數的條件下，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變，在較短的保溫時間下，熔體加熱還不夠完全，由于側向散熱的作用，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向生長。當保溫時間逐本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續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，水冷銅坩堝外設置有電磁感應線圈，其特征在于：水冷銅坩堝的內壁上設有一圈梯形凸臺，所述梯形凸臺置于感應線圈的感應區內，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結構；梯形凸臺上方設置有料棒，梯形凸臺下方設置有底料，料棒底端和底料頂端都置于水冷銅坩堝內；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。

【技術特征摘要】
1.一種鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續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，水冷銅坩堝外設置有電磁感應線圈，其特征在于水冷銅坩堝的內壁上設有一圈梯形凸臺，所述梯形凸臺置于感應線圈的感應區內，梯形凸臺具有與水冷銅坩堝相同的開縫結構；梯形凸臺上方設置有料棒，梯形凸臺下方設置有底料，料棒底端和底料頂端都置于水冷銅坩堝內；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.根據權利要求1所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續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.根據權利要求2所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續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.根據權利要求3所述的鈦鋁合金懸浮式冷坩堝連續熔鑄與定向凝固方法，其特征在于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁宏升，王永喆，李明亮，張海龍，陳瑞潤，郭景杰，傅恒志，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：