CN100497716C - 一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，它属于钛合金近单晶锭的制备方法。它解决了现有定向凝固方法在制备单晶时容器材料易对合金造成污染，影响单晶合金的物理和力学性能的问题。本发明的步骤为：一、炉体(4)内抽真空，后返充氩气；二、水冷铜坩埚(2)的外部设有感应线圈(3)，感应线圈(3)分布在水冷铜坩埚(2)的外表面上；三、钛合金料棒(1)进入感应线圈(3)，钛合金底料进入水冷铜坩埚(2)腔体内，底料上部分直径小；四、加热后，进行抽拉，送料速度严格与抽拉匹配，棒进入结晶器(9)内，料棒抽拉后形成近单晶，将外层加工后即得单晶锭。本发明实现了对钛合金材料的优质、高效、安全、特殊和低成本单晶的制备。

Description

一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法

技术领域

本发明涉及钛合金单晶锭的制备方法。

背景技术

单晶是指一个晶粒组成的物质，是适当控制晶粒的生长，最终生长成有一个晶粒组成的结晶组织。由于整个组织为一个晶粒，无晶界，因而较定向凝固组织和多晶组织具有更好的综合性能或某一单向性能。目前，单晶材料广泛用于航空叶片、半导体硅电子材料、磁致伸缩材料、GaAs晶体发光材料、金属间化合物及各种金属基及无机复合材料等。镍基单晶材料是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。镍基单晶高温合金在高温恒载荷作用下，除了位错的滑移和攀移等变形外，晶界通过滑移和迁移也会参与变形。单晶高温合金不含有晶界，因而其变形只能通过位错的运动来实现，这也正是其具有优异蠕变性能的原因之一。单晶高温合金是各向异性的。取向对合金的持久性能有明显的影响。目前，制备单晶的方法有两种：P.w.Bridgman在1925年的论文中提出了坩埚移动法，1936年Stockbarger对炉体进行了设计，并在1949年进一步完善。此方法设计成由2个分开的加热炉，保持高于和低于生长晶体熔点温度，这个特点具有非加热的绝热区或梯度温区，炉内的温度分布容易控制，这种传统的垂直生长的方法叫做Bridgman-Stockbarger method。1928年，Kapitza首先应用水平定向单晶炉系统采用了定向凝固法对单晶Bi进行生长，直到2O世纪5O年代，才对金属的定向凝固进行研究，如Al、Ag、Au、Bi、CA、Cu。在这期间，这项技术的发展主要是由Chalmers完成的，水平定向凝固法(Hori—zontalBridgman method，HB)利用可移动加热炉和固定坩埚，被称为Chalmers法，开始主要用来生长高掺杂硅的GaAs，这种系统可以防止易挥发成分的挥发。垂直定向法和水平定向凝固法是相对容易生长单晶CdTe和CdZnTe的方法。钛及其合金是一类在高温状态尤其是熔融条件下极为活泼的材料，自从二次世界大战以后，钛合金逐步进入实用化阶段。但钛的化学活性大，加工、成形和制备较为困难，所以制约着该材料的发展和应用。当前用于钛及其合金的加工方式主要包括：变形轧制、机械加工、粉末冶金和铸锭冶金几大类。制备单晶的方法基本都是在定向凝固的方法的基础上发展起来的，定向凝固技术的方法有很多种，可分为传统定向凝固技术和新兴定向凝固技术。传统的定向凝固技术主要是依据定向凝固设备或装置所能实现温度梯度的不同，被划分为功率降低法、快速凝固法和液态金属冷却法。液态金属冷却法(LMC法)在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法，能提高冷却速度和温度梯度，且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到较长的单向柱晶。常用液态金属有Ga-In和Ga-In-Sn合金。传统定向凝固技术虽然有应用，但是存在一些问题，主要缺点是冷却速度慢，使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，产生严重偏析，致使材料的性能较低。造成冷却速度慢的主要原因是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大。为进一步细化材料组织结构，减轻甚至消除元素的微观偏析，有效地提高材料的性能，就需采用新工艺、新方法实现高温度梯度和大生长速率。因此，发展了新型定向凝固技术，主要有ZMLMC法区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法，是将区域熔化与液态金属冷却相结合)，深过冷定向凝固(DUDS)，电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS)，激光超高温度梯度快速定向凝固等方法。上述定向凝固方法均不适用于制备钛合金单晶，这是由于钛合金自身的高活泼性，在制备单晶时容器材料(坩埚和铸型)易对合金的污染，合金化学成分的准确性差，化学夹杂物易对单晶组织的侵蚀，影响其单晶合金的物理和力学性能。

发明内容

本发明为了解决现有定向凝固方法均不适用于制备钛合金单晶，这是由于钛合金自身的高活泼性，加工、成形和制备较为困难，在制备单晶时容器材料易对合金造成污染，合金化学成分的准确性差，化学夹杂物易对单晶组织的侵蚀，影响单晶合金的物理和力学性能，而且冷却速度慢，使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，产生严重偏析，致使材料的性能较低的问题，为解决上述问题，现提供一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法。

本发明一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法步骤如下：

步骤一、在冷坩埚电磁约束成形与定向凝固装置的炉体内抽真空，真空度为0.05～1Pa，后返充氩气到300～400Pa；

步骤二、钛合金近单晶锭成形定向凝固装置内的水冷铜坩埚2的腔体内部设有钛合金料棒1，水冷铜坩埚2的外部设有感应线圈3，感应线圈3的线径为8mm，感应线圈3的匝数为四匝，分布在水冷铜坩埚2的外表面上，感应线圈3向水冷铜坩埚2不分缝区域以上延伸2～3mm距离；

步骤三、钛合金料棒1在定向凝固装置的控制下进入感应线圈3内2～5mm处，抽拉棒37上端设有钛合金底料35，钛合金底料上平面伸入水冷铜坩埚2腔体内48～49mm处，，感应线圈3通入单相交流电，电源功率为50～56KW，通电时间为20～30分钟；

步骤四、进行抽拉，在定向凝固装置的控制下抽拉棒37以2～8μm/s，上料棒36以2.2～10μm/s的速度都向下运动，钛合金料棒1的直径为23～28mm，送料速度＝抽拉速度×新形成料棒半径的平方÷送料棒半径的平方，当结晶体(抽拉棒)全部进入结晶器9内，结晶器9内装有低熔点合金冷却液，冷却液10为三元合金液，新制备料棒抽拉20mm后，开始形成单晶，直到钛合金料棒1全部用完，新制备的为钛合金近单晶锭，近单晶锭组织为外层有1～2mm的多晶区，内部为一个晶粒，将外层加工后即得单晶锭。

本发明的方法与适用于钛合金的单晶制备方法相比较具有能连续制备钛合金单晶的特点，提高了合金的综合力学性能，尤其是高温力学性能。单晶合金较铸态的抗拉强度变化不大，但延伸率提高了135％；较锻态抗拉强度变化不大，但延伸率提高了55％；铸态和锻态的断面收缩率分别为7.5％和10.81，而单晶的断面收缩率为6.24％。本发明实现了对钛合金材料的优质、高效、安全、特殊和低成本单晶的制备技术，此制备方法适应了当前经济、科技和国防事业发展对高性能材料的需求。

附图说明

图1是本发明方法所用装置的结构示意图，图2是水冷铜坩埚2与水管8的连接结构示意图，图3是图2的A-A剖视图，图4是上送料杆21与上料棒1的连接结构示意图。图中6是支撑框架，38是地脚螺栓，7是循环水通道，8是水管，11是下抽拉杆，12是底座，13是电机，14是螺纹杆，15是同步杆，16是底座，17是旋角电机，18是热区，19是绝缘盘，20是电极接头，21是上送料杆，22是同步杆，23是电机，24是支架，34是缝隙，35是底料。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式钛合金近单晶锭制备方法的步骤如下：

步骤一、在冷坩埚电磁约束成形与定向凝固装置的炉体内抽真空，真空度为0.05～1Pa，后返充氩气到300～400Pa；

步骤二、定向凝固装置内的水冷铜坩埚2的腔体内部设有钛合金料棒1，水冷铜坩埚2的外部设有感应线圈3，感应线圈3的匝数为四匝，线径为8mm，分布在水冷铜坩埚2的外表面上；

步骤三、钛合金料棒1在定向凝固装置的控制下进入感应线圈3的2～5mm处，抽拉棒37的上端设有钛合金底料35，钛合金底料直径26～28mm，高度为20～23mm，钛合金底料上平面伸入水冷铜坩埚2腔体内48～49mm处，感应线圈3通入单相交流电，电源功率为50～56KW，通电时间为20～30分钟；

步骤四、进行抽拉，在定向凝固装置的控制下抽拉棒37以2～8μm/s、上料棒36以2.2～10μm/s的速度都向下运动，钛合金料棒1的直径为23～28mm，送料速度＝抽拉速度×新形成料棒半径的平方÷送料棒半径的平方，当结晶体(抽拉棒)全部进入结晶器9内，结晶器9内装有低熔点合金冷却液，冷却液10为三元合金液，新制备料棒抽拉20mm后，开始形成单晶，直到钛合金料棒1全部用完，新制备的为钛合金近单晶锭，近单晶锭组织为外层有1～2mm的多晶区，内部为一个晶粒，将外层加工后即单晶锭。

通过定向凝固装置设有的感应加热功能的感应线圈3对钛合金进行熔化、过热、约束形状、成形，以及底部液态金属的强烈冷却进行凝固，形成近钛合金单晶。近单晶锭组织为外层有1～2mm的多晶区，内部为一个晶粒，将外层加工后即为单晶锭。

具体实施方式二：本实施方式的抽拉棒上端设有钛合金底料35，钛合金底料35直径上部分为25～26mm，高度为20mm，钛合金底料35下部分直径为29～29.5mm，高度为15～18mm。上述数据范围内便于熔化、防漏和凝固。

具体实施方式三：本实施方式的钛合金料棒1的直径小于水冷铜坩埚2的腔体直径。

具体实施方式四：本实施方式的水冷铜坩埚2为内外通缝式分瓣结构，相邻两瓣之间的缝隙34的宽度L为0.3～0.8mm，缝隙34中填充绝缘材料，缝隙34的高度K为水冷铜坩埚高度H的三分之二至四分之三。

具体实施方式五：本实施方式的感应线圈3与水冷铜坩埚2之间的安装位置为；感应线圈3向水冷铜坩埚2不分缝区域以上延伸2～3mm距离处。

具体实施方式六：本实施方式的钛合金成分为Ti6Al4V合金。

具体实施方式七：本实施方式的冷却液10为三元合金液，三元合金液由Ga、In和Sn组成，按重量Ga为25％、In为13％和Sn为62％。

具体实施方式八：本实施方式采用钛合金成分为Ti6Al4V合金，在速度为8μm/s，功率为56KW的条件下进行抽拉后，即获得钛合金单晶组织。单晶合金较铸态的抗拉强度变化不大，但延伸率提高了135％；较锻态抗拉强度变化不大，但延伸率提高了55％；铸态的断面收缩率为7.5％，锻态的断面收缩率为10.81，而单晶的断面收缩率为6.24％。

本发明的工作原理：

本发明是由电磁约束和单晶生长两个过程实现的，在电磁约束方面，高频磁场将原料感应熔化，并形成驼峰，通过送料杆速度控制驼峰高度，增大功率使熔体过热度增大，且与铜坩埚内壁接触面积减小，减小凝壳效应，使熔体处于稳定形态；在单晶生长方面，由于液态金属的超高强度冷却，形成大的温度梯度分布，电磁场搅拌使熔质分布均匀，电磁约束的软接触效应，使得侧向散热得到抑制，感应加热使得料棒表面受热，通过长时间的预热使初始晶粒慢慢长大，最后形成上凸界面的固液界面，晶粒的竞争生长，最后获得水冷铜坩埚的无污染单晶。

Claims (8)

1、一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤一、在冷坩埚电磁约束成形与定向凝固装置的炉体内抽真空，真空度为0.05～1Pa，后返充氩气到300～400Pa；

步骤二、定向凝固装置内的水冷铜坩埚(2)的腔体内部设有钛合金料棒(1)，水冷铜坩埚(2)的外部设有感应线圈(3)，感应线圈(3)的匝数为四匝，线径为8mm，分布在水冷铜坩埚(2)的外表面上；

步骤三、钛合金料棒(1)在定向凝固装置的控制下进入感应线圈(3)的2～5mm处，抽拉棒(37)伸入水冷铜坩埚(2)腔体内48～49mm处，抽拉棒上端设有钛合金底料(35)，感应线圈(3)通入单相交流电，电源功率为50～56KW，通电时间20～30分钟；

步骤四、进行抽拉，在定向凝固装置的控制下抽拉棒(37)以2～8μm/s、上料棒(36)以2.2～10μm/s的速度都向下运动，钛合金料棒(1)的直径为23～28mm，送料速度＝抽拉速度×新形成料棒半径的平方÷送料棒半径的平方，当结晶体抽拉棒全部进入结晶器(9)内，结晶器(9)内装有低熔点合金冷却液(10)，冷却液(10)为三元合金液，新制备料棒抽拉20mm后，开始形成单晶，直到钛合金料棒(1)全部用完，新制备的为钛合金近单晶锭，近单晶锭组织为外层有1～2mm的多晶区，内部为一个晶粒，将外层加工后即得单晶锭。

2、根据权利要求1所述的一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于钛合金底料(35)直径小于水冷铜坩埚(2)腔体直径，且钛合金底料(35)直径上部分为25～26mm，高度为20mm，下部分直径为29～29.5mm，高度为15～18mm。

3、根据权利要求1所述的一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于钛合金料棒(1)直径小于水冷铜坩埚(2)的腔体直径，送料速度与抽拉速度严格匹配。

4、根据权利要求1所述的一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于水冷铜坩埚(2)为内外通缝式分瓣结构，相邻两瓣之间的缝隙(34)的宽度L为0.3～0.8mm，缝隙(34)中填充绝缘材料，缝隙(34)的高度K为水冷铜坩埚高度H的三分之二至四分之三。

5、根据权利要求1所述的一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于感应线圈(3)与水冷铜坩埚(2)之间的安装位置为：感应线圈(3)向水冷铜坩埚(2)不分缝区域以上延伸2～3mm距离处。

6、根据权利要求1所述的一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于钛合金成分为Ti6Al4V。

7、根据权利要求1所述的一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于冷却液(10)为三元合金液由Ga、In和Sn组成，按重量Ga为25％、In为13％和Sn为62％。

8、根据权利要求1所述的一种采用电磁冷坩埚连续熔铸钛合金近单晶锭的方法，其特征在于钛合金成分为Ti6Al4V，在速度为8μm/s，功率为56KW的条件下20分钟进行抽拉，新制备料棒抽拉20mm后，开始形成近单晶。

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