CN101112716A - 制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置 - Google Patents

Abstract

制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，本发明涉及一种制备TiAl基合金坯的定向凝固装置。它解决了现有技术无法制造横截面为正方形的TiAl基合金方坯的问题。它包括封闭的炉体、炉体内的母料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，母料棒的下端部伸在水冷铜坩埚内，终料棒设置在水冷铜坩埚下方的结晶器内且终料棒与结晶器之间填充有冷却剂材料，移料杆承接在终料棒的下端，水冷铜坩埚的外部环绕有感应线圈用于激发交变磁场并通过水冷铜坩埚向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，所述水冷铜坩埚内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡。

Description

制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置

技术领域

本发明涉及一种制备TiAl基合金坯的定向凝固装置。

背景技术

对于工作温度低于900℃的发动机叶片而言，目前已经开始用TiAl基合金研制先进航空发动机的低压涡轮叶片或者高压压气机叶片，这不但提高了发动机燃烧室的工作温度，获得了高的燃烧效率，而且减轻了发动机的自身重量，降低了旋转工作时高强度离心力所带来的高应力，还减轻了发动机支撑件的重量，提高了零部件的整体工作寿命。

但是TiAl基合金的机械加工比较困难，成本较高。为了降低加工成本，节省大量的加工工时，目前TiAl基合金采用的主要加工成形工艺路线包括变形加工、铸造成形和粉末冶金成型等，但合金在铸造时容易产生收缩和孔洞等缺陷，不能保证其在重要部位的使用性能；粉末冶金还不易控制其氧、氮等间隙元素的含量，且抗蠕变性能差；变形加工后合金的综合力学性能匹配差，高温变形不均匀，动态再结晶不完全，表现出明显的力学各向异性。因此如何能达到TiAl基合金高性能化的加工要求，对其在航空航天等工业上的应用具有重要意义。

已授权的专利号为ZL200410043791的《钛基合金的水冷电磁铜型定向凝固方法》专利，公开了一种金属定向凝固方法。它具有冷却速率均匀、生产效率高、生产过程连续和流程短等优点，尤其是在适当控制传热和传质及流动的加工条件下可以有目的调整构件的组织形态，减少了加工缺陷，有利于提高合金的综合力学性能。但该方法加工出的是圆柱形坯件，为了减少零件的加工流程，为后续的零件加工提供近乎于最终尺度的坯件，需要横截面为正方形的TiAl基合金方坯，但现有技术还无法做到。

发明内容

本发明的目的是提供制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，以解决现有技术无法制造横截面为正方形的TiAl基合金方坯的问题。它包括封闭的炉体22、送料杆21、水冷铜坩埚12、结晶器6、移料杆4、感应线圈11、冷却剂材料7、母料棒14和终料棒8，位于炉体22内的母料棒14的上端部固定在送料杆21的下端部上，母料棒14的下端部伸在水冷铜坩埚12中，终料棒8设置在水冷铜坩埚12下方的结晶器6内且终料棒8与结晶器6之间涂敷有冷却剂材料7，移料杆4承接在终料棒8的下端，水冷铜坩埚12的外部环绕有感应线圈11用于激发交变磁场并通过水冷铜坩埚12向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区23，所述水冷铜坩埚12内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡。

本发明的工作过程如下：把母料棒14和终料棒8送入感应线圈11的感应范围内，感应线圈11通电加热伸入其内的母料棒14和终料棒8至熔化，电磁力保持熔化后的液体形状为水冷铜坩埚12的截面形状并堆积在终料棒8上，母料棒14和终料棒8始终匀速向下运动，熔化后的液体逐渐凝固，进入设置在其下方的结晶器6内最终结晶后形成TiAl基合金方坯。本发明针对TiAl基合金，在水冷铜坩埚12中通过电磁连续约束成形与定向凝固后成为方形坯料。本发明利用方形水冷铜坩埚12制造TiAl基方形坯料，解决了现有技术无法制造横截面为正方形的TiAl基合金方坯的问题。坩埚拐角部分曲率半径是影响方形坯料均匀熔化和约束的重要因素。因为在整个正方形区域内电磁场分布是不均匀的，尤其在拐角部分是被屏蔽的，该处被熔铸材料的温度较低，电磁约束力弱，不利于被熔铸材料的质量。所以在拐角部分设置为圆角过渡。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是水冷铜坩埚12与感应线圈11的位置关系结构示意图，图3是水冷铜坩埚12的俯视图，图4是图3的A-A剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由封闭的炉体22、送料杆21、水冷铜坩埚12、结晶器6、移料杆4、感应线圈11、冷却剂材料7、母料棒14和终料棒8组成，位于炉体22内的母料棒14的上端部固定在送料杆21的下端部上，母料棒14的下端部伸在水冷铜坩埚12中，终料棒8设置在水冷铜坩埚12下方的结晶器6内且终料棒8与结晶器6之间填充有冷却剂材料7，移料杆4承接在终料棒8的下端，水冷铜坩埚12的外部环绕有感应线圈11用于激发交变磁场并通过水冷铜坩埚12向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区23，所述水冷铜坩埚12内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡。

圆角过渡处的曲率半径为

$R=\frac{2d^2}{H_0}\sqrt{s{q}_0},$ 式中  q₀——单位体积被熔铸材料吸收的感应加热功率；

R——曲率半径；H₀——单位体积被熔铸材料的磁场强度；s——被熔铸材料电导率；d——电流透入被熔铸材料深度。

在具体选取结构参数时：可以把水冷铜坩埚12的高度定为110mm，宽度尺寸为26mm×26mm，水冷铜坩埚12的壁厚定为15mm，取R的值为6毫米。

冷却剂材料7为二元合金液或三元合金液，按质量百分比计，二元合金液为Ga-24.5％和In-75.5％；三元合金液为Ga-25％、In-13％和Sn-62％。冷却剂材料7实现结晶器6的冷却作用。

如图1所示，将炉体22通过螺栓连接，安装在支撑框架5和25上，支撑框架25呈水平设置并用地脚螺栓连接稳定地固定于地面之上；在炉体22内的底部有两组循环水通道9，通过密封圈和螺帽螺纹连接的共同作用，可以和水冷铜坩埚12通过带有法兰的铜管10共同构成水冷铜坩埚12所需的水冷却系统；通过铜管10和循环水通道9的连接，还可以对水冷铜坩埚12起到支撑作用。移料杆4的上下运动依靠固定在底座28上的伺服电机27提供动力，由螺纹杆26带动固定其上的同步杆3完成；移料杆4的小角度转动可通过固定在底座1上的旋角电机2，调整靠模角度和靠模形状来完成运动；炉体22的法兰口15为炉室抽真空和反充保护气体提供通道，炉体22顶部有观察窗口16，通过密封连接，内部夹持耐高温透明石英玻璃17可观察炉内加热情况。送料杆21固定在同步杆20上，在送料速度可调的数字式伺服电机19的带动下完成送料运动，送料杆21与炉体22之间用动密封连接，电机19由已经焊接到炉体上的支架18固定；

具体实施方式二：下面结合图2至图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：水冷铜坩埚12上的透磁通道12-3沿水冷铜坩埚12的高度方向设置，多条透磁通道12-3互相平行且沿水冷铜坩埚12的周向外表面均匀分布，透磁通道12-3由贯通于水冷铜坩埚12内表面和外表面之间的长孔12-3-1和填入在长孔12-3-1中的云母片12-3-2组成，长孔12-3-1的横断面形状为外宽内窄的“三角形”。

因为磁力线的缘故，透磁通道12-3的横截面形状变化会影响坩埚的透磁性，开缝宽度要求适当。宽度的扩大可使透过的电磁场增加，提高加热熔化和电磁约束成形能力，但是宽度的扩大应保证不能发生金属熔体的泄漏或缝间材料不被烧蚀。因此选择了外宽内窄的“三角形”。长孔12-3-1内填入天然云母片后在槽内灌入玻璃胶封死，防止高温下坩埚内的金属液外漏；外面用聚四氟乙烯薄片和玻璃丝布绝缘并涂玻璃胶。

透磁通道12-3从水冷铜坩埚12底部5mm处开始，取长度为85mm，将每条边上透磁通道12-3的数目定为3条，总数为3×4＝12条。当然具体结构参数的选取不受此限制，上述参数仅供参考。

具体实施方式三：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是：长孔12-3-1的横断面形状为“三角形连通矩形”，“三角形”设置在坩埚体1的外表面处且“三角形”的顶角连通“矩形”的短边。本实施方式适用于水冷铜坩埚12的壁厚较大时。

具体实施方式四：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括电阻加热预热器13，电阻加热预热器13设置在水冷铜坩埚12的上端且环绕在母料棒14的下端上。本实施方式给母料棒14预热。所述电阻加热预热器13由耐火陶瓷材质的套管外表面缠绕电阻丝构成，耐火陶瓷材质的套管还可起到为母料棒14进入水冷铜坩埚12起导向的作用。

具体实施方式五：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括圆筒状的不锈钢反射屏24，不锈钢反射屏24设置在水冷铜坩埚12的下端与结晶器6的上端之间且环绕终料棒8的上端。本实施方式为控制终料棒8在水冷铜坩埚12出口端的固相散热，降低凝固界面位置，增大温度梯度，提高定向凝固效率。

Claims (7)

1.制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，它包括封闭的炉体(22)、送料杆(21)、水冷铜坩埚(12)、结晶器(6)、移料杆(4)、感应线圈(11)、冷却剂材料(7)、母料棒(14)和终料棒(8)，位于炉体(22)内的母料棒(14)的上端部固定在送料杆(21)的下端部上，母料棒(14)的下端部伸在水冷铜坩埚(12)中，终料棒(8)设置在水冷铜坩埚(12)下方的结晶器(6)内且终料棒(8)与结晶器(6)之间填充有冷却剂材料(7)，移料杆(4)承接在终料棒(8)的下端，水冷铜坩埚(12)的外部环绕有感应线圈(11)用于激发交变磁场并通过水冷铜坩埚(12)向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区(23)，其特征在于所述水冷铜坩埚(12)内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡。

2.根据权利要求1所述的制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，其特征在于圆角过渡处的曲率半径为

$R=\frac{2d^2}{H_0}\sqrt{s{q}_0}$ ，式中  q₀——单位体积被熔铸材料吸收的感应加热功率；

R——曲率半径；H₀——单位体积被熔铸材料的磁场强度；s——被熔铸材料电导率；d——电流透入被熔铸材料深度。

3.根据权利要求1所述的制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，其特征在于冷却剂材料(7)为二元合金液或三元合金液，按质量百分比计，二元合金液为Ga-24.5％和In-75.5％；三元合金液为Ga-25％、In-13％和Sn-62％。

4.根据权利要求1所述的制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，其特征在于水冷铜坩埚(12)上的过磁通道(12-3)沿水冷铜坩埚(12)的高度方向设置，多条过磁通道(12-3)互相平行且沿水冷铜坩埚(12)的周向外表面均匀分布，过磁通道(12-3)由贯通于水冷铜坩埚(12)内表面和外边面之间的长孔(12-3-1)和填入在长孔(12-3-1)中的云母片(12-3-2)组成，长孔(12-3-1)的横断面形状为外宽内窄的“三角形”。

5.根据权利要求4所述的制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，其特征在于长孔(12-3-1)的横断面形状为“三角形连通矩形”，“三角形”设置在坩埚体(1)的外表面处且“三角形”的顶角连通“矩形”的短边。

6.根据权利要求1所述的制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，其特征在于它还包括电阻加热预热器(14)，电阻加热预热器(14)设置在水冷铜坩埚(12)的上端且环绕在母料棒(14)的下端上。

7.根据权利要求1所述的制备TiAl基合金方坯的一种定向凝固装置，其特征在于它还包括圆筒状的不锈钢反射屏(24)，不锈钢反射屏(24)设置在水冷铜坩埚(12)的下端与结晶器6的上端之间且环绕终料棒(8)的上端。

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