CN101941066A - 用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型及采用其浇铸钛铝基合金的方法 - Google Patents

Abstract

用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型及采用其浇铸钛铝基合金的方法，涉及陶瓷铸型及用其浇铸合金方法。解决现有电场处理浇铸金属中的电极接法的电场有效作用区域小、电流密度分布不均、电极污染金属液及定向凝固钛铝基合金中的柱晶组织粗大、固相析出片层取向难以控制的问题。陶瓷铸型型腔的相对侧面上设与型腔侧面形状一致的同质复合电极，电极由紫铜板、合金板和紫铜接线柱组成。浇铸方法：将陶瓷铸型放入真空感应熔炼炉，将接线柱接电极电源正负极；称取合金原料，抽真空后启动熔炼炉熔炼得熔体；将熔体注至陶瓷铸型，电场处理后冷却即可。同质复合电极使电场有效作用区域变大、电流密度分布均匀；钛铝基合金晶粒细化效果明显。

Description

用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型及采用其浇铸钛铝基合金的方法

技术领域

本发明涉及一种浇铸金属的陶瓷铸型及用其浇铸钛铝基合金的方法。

背景技术

在材料工程领域中，控制合金的凝固过程已成为提高传统铸件性能和开发新型铸造材料的重要途径。随着现代科学技术及应用领域对铸件性能要求的提高，对传统铸造方法提出了新的要求和挑战。如何创造各种外部条件，例如压力、温度梯度、微重力、超声波、磁场、电场等等来改善铸件的凝固组织，组成相分布，消除溶质偏析、缩孔缩松、气体和夹杂等铸造缺陷，挖掘铸件的性能潜力，使铸件获得优异的使用性能，发挥铸造之净或近净成形的技术优势，是目前国内外铸造和凝固科学工作者普遍关心的问题。因此，出现了诸如高梯度定向凝固、快速凝固、超强磁场凝固、电场和模拟空间微重力铸造等新型的凝固和铸造技术。其中电场凝固技术是指在液态金属凝固过程中施以电流来控制材料凝固组织和性能的方法，它包括在金属凝固前或者凝固过程中施加选定的电流，如直流电流、交流电流或者脉冲电流(电脉冲)，目的是实现对铸造凝固过程的控制、组织的改善和性能的提高。但是目前，电场处理多局限于柱状工件，这决定了电极引入形式限于Jianhong Ma，Jie Li，Yulai Gao，Qijie Zhai.Grain refinement of pure Al with different electric current pulsemodesMaterials Letters，2009，63：142-144(翟启杰等人在2009年第63期的材料快报第142-144页上刊登的)中记载的图1中所示的几种方式。可见，这样的电极接法势必带来了2个问题：1.电场有效作用区域小；2.电场有效作用区域内电流密度不均匀。另外就是，电极污染液态金属的问题。

当前，高新技术产业尤其是航空、航天及车辆工业对材料的使用性要求越来越苛刻，不断要求性能优异的新材料予以辅助，如各类高强轻质耐热材料。其中，TiAl由于密度小(＜4000kg/m3)、比强度大(＞0.15×106N·m/kg)、耐热温度较高(750℃-900℃)可以替代耐热温度较低的钛合金和密度相对较大的镍基高温合金，是新型高温结构材料的候选者，例如美国GE公司将TiAl合金试用于波音787的GEnx发动机低压涡轮叶片。然而本征脆性大、韧性低仍然是这一类材料的典型缺陷，也是其不能稳定应用的重要原因。定向凝固可以控制晶体的生长取向，使组织按照特定方向排列，获得单向及单晶结构，明显改善材料的力学性能。理论分析表明，全片层组织的定向凝固TiAl，当片层方向与加载轴完全平行时具有最佳的综合力学性能，尤其是室温拉伸延长率可由0.2％左右提高至10％左右。然而，TiAl是一种典型的包晶体系，凝固路径复杂，凝固行为异常，对其所开展的定向凝固仍有几个难点问题没有很好解决：(1)定向凝固柱晶组织的细化；(2)初生相与包晶相的竞争生长关系(直接影响对固相析出片层取向的控制)。因此认为这是目前定向凝固TiAl合金在性能方面与理论值相差较大的重要原因。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有用于电场处理下的浇铸金属的铸型中的电极接法存在电场有效作用区域小、电流密度分布不均匀、电极污染金属液，以及现有定向凝固钛铝基合金过程中存在柱晶组织粗大、固相析出片层取向难以很好控制的问题，本发明提供了一种用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型及采用其浇铸钛铝基合金的方法。

本发明的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，在陶瓷铸型型腔的两个相对侧面上分别设置与型腔的侧面形状一致的同质复合电极，设置的两个同质复合电极均由紫铜板、合金板和紫铜接线柱组成，其中紫铜接线柱设置在紫铜板的一侧，紫铜板的另一侧与合金板焊接结合，在其中之一个同质复合电极上设置有浇注口，浇注口与直浇道连通；设置紫铜接线柱的紫铜板的一侧与铸型型腔的侧面连接，紫铜接线柱横穿铸型壁并裸露在铸型外壁上。

本发明的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型在未设置同质复合电极的另外两个内侧面上设有钨铼热电阻测温孔；本发明的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型中合金板的种类由陶瓷铸型处理的金属熔液成分而定，若陶瓷铸型用于处理钛铝合金，则合金板为钛合金板或钛铝合金板；若陶瓷铸型用于处理铝合金，则合金板为铝合金板；若陶瓷铸型用于处理铸铁，则合金板为铸铁板等等，依此类推。

本发明的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型的紫铜接线柱在紫铜板上的最佳位置可以通过ANSYS电磁场有限元计算软件进行计算得到，通过紫铜板的厚度D、紫铜板电阻率ρ₁、紫铜板高度W(即铸型侧面高度)、两侧紫铜接线柱距离铸型上开口壁沿的距离D1和D2、两个同质复合电极间的距离L以及浇铸的金属的电阻率ρ₂，计算得到两个同质复合电极间的电流密度分布，并得到最大电流密度J_max和最小电流密度J_min，则电流密度均匀性(J_AVER)以最小电流密度J_min与最大电流密度J_max的比值表示，即J_AVER＝J_min/J_max，根据实际生产质量需要，可以定义J_AVER的最小值，当大于此最小值时即可认为两个同质复合电极间的电流密度分布均匀；比如要求J_AVER大于0.95时，认为两个同质复合电极间的电流密度分布均匀，从而可以得出最佳的两侧紫铜接线柱距离铸型上开口壁沿的距离D1和D2，从而确定紫铜接线柱的位置。同时还可以得到紫铜板的厚度D的最佳值。总之，当所浇铸的金属或合金确定下来时，其相应的物性参数包括电阻率便可确定，即可通过ANSYS电磁场有限元计算软件能够计算得到最佳的D1和D2值，以及紫铜板的厚度D。

本发明的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型中同质复合电极的设置使得电场有效作用区域变大、电位线走势均衡，电流密度分布均匀，同时同质复合电极与金属熔液接触的部分为与金属熔液同质的合金板，解决了异质电极对金属熔液的污染，避免了在铸造过程中杂质金属的引入，提高了合金铸件的质量。

本发明采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸钛铝基合金的方法，是通过以下步骤实现的：一、将用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型置于真空感应熔炼炉内，将陶瓷铸型外壁上的两个紫铜接线柱中的一个通过电缆接电极电源正极，另一个紫铜接线柱通过电缆接电极电源负极，其中陶瓷铸型内的两个同质复合电极中的合金板均为钛铝合金板或者钛合金板；二、按钛铝基合金成分配比称取合金原料，其中按原子百分比包含46％～50％的铝，然后将合金原料放入真空感应熔炼炉内的水冷坩埚中，然后将水冷铜坩埚真空感应熔炼炉炉门关闭保持密闭；三、启动抽真空系统，将真空感应熔炼炉的炉腔抽真空至压力低于0.1Pa，然后启动真空感应熔炼炉电源，对水冷坩埚中的合金原料进行加热熔炼0.2h～0.5h，得熔体；四、启动电极电源，然后将步骤三处理得的熔体浇注至用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型中，然后电场处理10s～30min，关闭电极电源，冷却后将铸件取出，即得钛铝基合金。

本发明浇铸钛铝基合金的方法步骤一中电缆通过真空感应熔炼炉的炉门将紫铜接线柱和电极电源连接，为了保证炉门关闭后，真空感应熔炼炉炉腔的密闭，在炉门封口处设置两片铜箔，使得真空感应熔炼炉内接紫铜接线柱的电缆与真空感应熔炼炉外电源引出的电源在炉门处用铜箔进行导通，同时用绝缘材料对铜箔和电缆与铜箔导通接触部分进行绝缘保护。本发明步骤一中电极电源正极与紫铜接线柱之间的电缆上接入一个负载箱，以避免工作期间短路而冲击电极电源造成损坏。

本发明的浇铸钛铝基合金的方法浇铸得到的钛铝基合金的晶粒组织明显细化；枝晶间距减小，枝晶干趋于电场方向生长。本发明在定向凝固钛铝基合金过程中能够很好地对柱晶组织进行细化，固相析出片层取向得到一定程度的控制。

本发明对用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型中的同质复合电极进行了电极板发热分析，电极上有电流流过时由Joule定律可知，在电极上单位时间内产生的Joule热如公式(1)所述：

$Q=\frac{J^2}{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

其中，Q——Joule热；J——电流密度；σ-电导率。

根据本发明所涉及的电极板尺寸及紫铜的电导率可知。当处理钛铝合金时，固定电极的几何尺寸为0.075m×0.015m×0.01m，在该面积的极板上通过300A电流时，1秒内产生的Joule热为：

产生的Joule热与TiAl合金液浇铸时所释放的热量相比可以被忽略，并不影响电极板间金属液的凝固过程。因为产生的Joule热与所充填的金属熔体的凝固潜热释放及熔体与外界的热交换相比，一般来讲本发明涉及的几何参数中，在实际操作中电极的几何参数不可能很大，所处理的熔体出于应用需要不可能体积很小，所以这些默认的几何参数导致电极产生的Joule热不可能与所处理熔体的凝固潜热及热交换在数量级上相当，所以产生的Joule热可以被忽略。

附图说明

图1是本发明的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型的剖面示意图；图2是具体实施方式三中设置有浇注口2-4的同质复合电极2的正视图；图3是具体实施方式三中设置有浇注口2-4的同质复合电极2的右视图；图4是具体实施方式十六的步骤一中将用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型置于真空感应熔炼炉内后组成的装置示意图；图5是具体实施方式十六中记载的对比实验的步骤一采用的具有两个型腔陶瓷铸型剖面示意图；图6是具体实施方式十六中对比实验得到的未经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金的显微组织图；图7是具体实施方式十六中对比实验得到的经电场处理的Ti47Al0.5W0.5Si0.3Y合金的显微组织图，其中“●”表示电场处理过程中电流J的方向是垂直于Ti47Al合金试样测试表面向外的；图8是具体实施方式十七中对比实验得到的未经电场处理的Ti47Al合金的显微组织图；图9是具体实施方式十七中对比实验得到的经电场处理的Ti47Al合金的显微组织图，其中“●”表示电场处理过程中电流J的方向是垂直于Ti47Al合金试样测试表面向外的；图10是具体实施方式十八中对比实验得到的未经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si合金的显微组织图；图11是具体实施方式十八中对比实验得到的经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si合金的显微组织图，其中“●”表示电场处理过程中电流J的方向是垂直于Ti46Al0.5W0.5Si合金试样测试表面向外的；图12是具体实施方式十六中的陶瓷铸型中两个同质复合电极间的电流密度分布图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式结合说明书附图1对用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型进行说明，用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型在陶瓷铸型型腔1的两个相对侧面上分别设置与型腔1的侧面形状一致的同质复合电极2，设置的两个同质复合电极2均由紫铜板2-1、合金板2-2和紫铜接线柱2-3组成，其中紫铜接线柱2-3设置在紫铜板2-1的一侧，紫铜板2-1的另一侧与合金板2-2焊接结合，在其中之一个同质复合电极2上设置有浇注口2-4，浇注口2-4与直浇道连通；设置紫铜接线柱2-3的紫铜板2-1的一侧与铸型型腔1的侧面连接，紫铜接线柱2-3横穿铸型壁并裸露在铸型外壁上。

本实施方式的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型中同质复合电极的设置使得电场有效作用区域变大、电位线走势均衡，电流密度分布均匀，同时同质复合电极与金属液接触的部分为与金属液同质的合金板，解决了异质电极对金属液的污染，避免了在铸造过程中杂质金属的引入，提高了合金铸件的质量。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是合金板2-2为钛合金板、钛铝合金板、铝合金或者铸铁板等金属材质板。其它参数与具体实施方式一相同。

本实施方式中合金板2-2的具体种类依据陶瓷铸型浇铸的金属种类而定，即合金板2-2的具体种类与陶瓷铸型浇铸的金属种类相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是紫铜接线柱2-3设置在紫铜板2-1的一侧，其中设置有浇注口2-4的同质复合电极2上的紫铜接线柱2-3设置在紫铜板2-1上的浇注口2-4的下方。其它参数与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的设置有浇注口2-4的同质复合电极2的正视图如图2所示，右视图如图3所示。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是紫铜板2-1的厚度D与陶瓷铸型型腔1侧面高度W的比值为D∶W＝1∶1～7，浇铸金属的金属电阻率为1.75×10^-6Ω·m。其它参数与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式中浇铸金属的电阻率为1.75×10^-6Ω·m时，只要保证D∶W＝1∶1～7、两个同质复合电极间的距离L在10m以内，两个同质复合电极间的电流密度分布均匀(J_AVER大于0.95)。

本实施方式中浇铸的金属为TiAl材料(TiAl材料的电阻率ρ_TiAl＝1.75×10^-6Ω·m)时，控制紫铜板高度W为0.075m，两侧紫铜接线柱距离铸型上开口壁沿的距离D1和D2均为0.05m，两个同质复合电极间的距离L为0.11米，电极接线柱半径R＝0.01m，利用ANSYS电磁场有限元计算软件进行计算得到：

当紫铜板的厚度D＝W时，J_AVER＝1.00/1.00＝1

当D＝W/2时，J_AVER＝1.00/1.01＝0.99

当D＝W/3时，J_AVER＝1.00/1.02＝0.980

当D＝W/5时，J_AVER＝0.995/1.02＝0.975

当D＝W/6时，J_AVER＝0.992/1.03＝0.963

当D＝W/7时，J_AVER＝0.988/1.03＝0.959

当D＝W/10时，J_AVER＝0.978/1.04＝0.940

当D＝W/15时，J_AVER＝0.960/1.05＝0.914

当D＝W/75时，J_AVER＝0.792/1.19＝0.665

当D＝W/5，D1＝0.05m，D2＝0.02m时，

J_AVER＝0.993/1.02＝0.973

D＝W/5，D1＝0.06m，D2＝0.06m时，

J_AVER＝0.988/1.02＝0.968

当L＝0.31m，D＝W/5，D1＝0.06m，D2＝0.06m时，

J_AVER＝0.358/0.372＝0.962

当L＝2m，D＝W/5，D1＝0.06m，D2＝0.06m时，

J_AVER＝0.560/0.582＝0.962

当L＝10m，D＝W/5，D1＝0.06m，D2＝0.06m时，

J_AVER＝112/116＝0.965

当D＝W/7，L＝10m，D1＝0.06m，D2＝0.06m时，

J_AVER＝111/117＝0.948

如果生产实践证明，当J_AVER＞0.95时电场作用区内的电流密度是均匀的。则由以上分析可得出TiAl合金的电极尺寸结构关系的经验公式：

D＞W/7时，J_AVER＞0.95(R≥0.01m，L≤10m)

此上述经验公式满足时，J_AVER将不受电极接线柱位置变化即D1及D2的影响，同时也不受电极作用区长度L大小的影响。依据此判据，可根据实际应用的需要方便地制定电极的几何尺寸，并达到最大的电场有效作用区，充分利用电场所提供的最大能量。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是紫铜板2-1的厚度D与陶瓷铸型型腔1侧面高度W的比值为D∶W＝1∶1～55，浇铸金属的金属电阻率为1.78×10^-5Ω·m。其它参数与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式中浇铸金属的电阻率(/Ω·m)为1.78×10^-5Ω·m时，只要保证D∶W＝1∶1～55、两个同质复合电极间的距离L在10m以内，两个同质复合电极间的电流密度分布均匀(J_AVER大于0.95)。

本实施方式中浇铸的金属材料的电阻率ρ＝1.78×10^-6Ω·m)时，依据具体实施方式四中所述的方法可以得到如下经验公式：D＞W/55时，J_AVER＞0.95(R≥0.01m，L≤10m)。

此上述经验公式满足时，J_AVER将不受电极接线柱位置变化即D1及D2的影响，同时也不受电极作用区长度L大小的影响。依据此判据，可根据实际应用的需要方便地制定电极的几何尺寸，并达到最大的电场有效作用区，充分利用电场所提供的最大能量。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是紫铜板2-1的厚度D与陶瓷铸型型腔1侧面高度W的比值为D∶W＝1∶1～1.35，浇铸金属的金属电阻率为1.75×10^-7Ω·m。其它参数与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式中浇铸金属的电阻率为1.75×10^-7Ω·m数量级时，只要保证D∶W＝1∶1～1.35、两个同质复合电极间的距离L在10m以内，两个同质复合电极间的电流密度分布均匀(J_AVER大于0.95)。

本实施方式中浇铸的金属材料的电阻率ρ＝1.75×10^-7Ω·m时，依据具体实施方式四中所述的方法可以得到如下经验公式：D＞W/1.35时，J_AVER＞0.95(R≥0.01m，L≤10m)。

此上述经验公式满足时，J_AVER将不受电极接线柱位置变化即D1及D2的影响，同时也不受电极作用区长度L大小的影响。依据此判据，可根据实际应用的需要方便地制定电极的几何尺寸，并达到最大的电场有效作用区，充分利用电场所提供的最大能量。

根据上述具体实施方式四至具体实施方式五中记载可知，当我们确定用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型用于浇铸的金属种类之后，利用ANSYS电磁场有限元计算软件，通过改变不同的陶瓷铸型的各个参数值，能够得到关于D与W的经验公式，在满足经验公式中D与W的关系下，则电极紫铜接线柱的位置D1及D2、及铸型长度L均不影响J_AVER值。

具体实施方式七：本实施方式是采用如具体实施方式一所述的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸钛铝基合金的方法，结合附图4进行说明浇铸钛铝基合金的方法是通过以下步骤实现的：一、将用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型3置于真空感应熔炼炉4内的固定耐火板13上，将陶瓷铸型3外壁上的两个紫铜接线柱2-3中的一个通过电缆5接电极电源6正极，另一个紫铜接线柱2-3通过电缆5接电极电源6负极，其中陶瓷铸型3内的两个同质复合电极2中的合金板2-2均为钛铝合金板或者钛合金板，固定耐火板13固定在支架14上；二、按钛铝基合金成分配比称取合金原料，其中按原子百分比包含46％～50％的铝，然后将合金原料放入真空感应熔炼炉4内的水冷坩埚11中，然后将真空感应熔炼炉4炉门关闭保持密闭；三、启动抽真空系统12，将真空感应熔炼炉4的炉腔抽真空至压力低于0.1Pa，然后启动真空感应熔炼炉4电源，对水冷坩埚11中的合金原料进行加热熔炼0.2h～0.5h，得熔体；四、启动电极电源6，然后将步骤三处理得的熔体浇注至用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型3中，然后电场处理10s～30min，关闭电极电源6，冷却后将铸件取出，即得钛铝基合金坯锭。

本实施方式的浇铸钛铝基合金的方法浇铸得到的钛铝基合金的晶粒组织明显细化；枝晶间距减小。本发明在定向凝固钛铝基合金过程中能够很好地对柱晶组织进行细化，固相析出片层取向得到一定程度的控制。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤一中电缆5通过真空感应熔炼炉4的炉门将紫铜接线柱2-3和电极电源6连接，在炉门封口处设置两片紫铜箔8，使得真空感应熔炼炉4内接紫铜接线柱2-3的电缆5与真空感应熔炼炉4外电极电源6引出的电缆5在炉门处用紫铜箔8进行导通，同时用绝缘材料9对紫铜箔8以及电缆5与紫铜箔8导通接触部分进行绝缘保护，再用真空密封圈10对炉门处进行密封。其它步骤及参数与具体实施方式七相同。

本实施方式能够保证炉门关闭后真空感应熔炼炉炉腔的密闭，

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是用绝缘材料对铜箔以及电缆与铜箔导通接触部分进行绝缘保护中使用的绝缘材料9为聚四氟乙烯薄膜。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七、八或九不同的是步骤一中电极电源6正极与紫铜接线柱2-3之间的电缆5上接入一个负载箱7。其它步骤及参数与具体实施方式七、八或九相同。本实施方式接入负载箱的目的是避免工作期间短路而冲击电极电源造成损坏。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是步骤二中钛铝基合金为Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y、Ti46Al0.5W0.5Si、Ti47Al、Ti47Al5Nb、Ti47Al1Nb或者Ti47Al3Nb等γ-TiAl基合金。其它步骤及参数与具体实施方式七至十之一相同。

本实施方式中记载的钛铝基合金中的数字为其后的金属元素所占的原子个数百分比，余量为Ti。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七至十一之一不同的是步骤三中对水冷坩埚11中的合金原料进行加热熔炼0.3h。其它步骤及参数与具体实施方式七至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式七至十二之一不同的是步骤四中电场处理1min～20min。其它步骤及参数与具体实施方式七至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式七至十二之一不同的是步骤四中电场处理8min～15min。其它步骤及参数与具体实施方式七至十二之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式七至十二之一不同的是步骤四中电场处理12min。其它步骤及参数与具体实施方式七至十二之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式是采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金的方法，结合附图4进行说明浇铸钛铝基合金的方法是通过以下步骤实现的：一、将用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型3置于真空感应熔炼炉4内的固定耐火板13上，将陶瓷铸型3外壁上的两个紫铜接线柱2-3中的一个通过电缆5接电极电源6正极，另一个紫铜接线柱2-3通过电缆5接电极电源6负极，其中电极电源6正极与紫铜接线柱2-3之间的电缆5上接入一个负载箱7，在炉门封口处设置两片紫铜箔8，使得真空感应熔炼炉内接紫铜接线柱的电缆5与真空感应熔炼炉外电极电源引出的电缆5在炉门处用紫铜箔8进行导通，同时用绝缘材料9对紫铜箔8以及电缆5与紫铜箔8导通接触部分进行绝缘保护，再用真空密封圈10对炉门处进行密封，其中陶瓷铸型3内的两个同质复合电极2中的合金板2-2均为钛合金板，固定耐火板13固定在支架14上；二、按Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金成分的原子个数百分比配比称取合金原料，然后将合金原料放入真空感应熔炼炉内的水冷坩埚11中，然后将真空感应熔炼炉炉门关闭保持密闭；三、启动抽真空系统12，将真空感应熔炼炉4的炉腔抽真空至压力低于0.1Pa，然后启动真空感应熔炼炉电源，对水冷坩埚11中的合金原料进行加热熔炼0.3h～0.4h，得熔体；四、启动电极电源6，然后将步骤三处理得的熔体浇注至用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型3中，然后电场处理5min，关闭电极电源，冷却后将铸件取出，即得Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金。

本实施方式步骤一采用的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型3的结构与具体实施方式一所述的陶瓷铸型的结构一样，其中紫铜板的厚度D为11mm(D＞W/7)，采用ANSYS电磁场有限元计算软件分析得到的陶瓷铸型中两个同质复合电极间的电流密度分布如图12所示，由图12可见，两个同质复合电极间的电流密度分布线均匀。

本实施方式步骤一中将用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型置于真空感应熔炼炉内后组成的装置示意图，如图4所示。

作为对比，进行如下对比实验：与上述具体实施方式十六的步骤不同的是：将步骤一中采用的陶瓷铸型为具有两个型腔的铸型，其中之一型腔I与具体实施方式十六步骤一的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型一样，另一个型腔II为与型腔I的几何尺寸一样的普通陶瓷铸型，两个型腔共用一个浇注口，如图5所示。其余步骤及参数与具体实施方式十六相同。对比实验得到经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金(与具体实施方式十六得到的Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金一样)和未经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金，对比实验得到的两种合金的显微组织图如图6和图7，图6是未经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金的显微组织图，图7是经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金的显微组织图，其中取样位置均选在垂直于两端同质复合电极连线的中垂线上。对比图6和图7可知，将电场处理后的Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y合金晶粒明显细化，由原来的300μm降为200μm。

具体实施方式十七：本实施方式是采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸Ti47Al合金的方法，与具体实施方式十六不同的是：步骤二中按Ti47Al合金成分的原子个数百分比配比称取合金原料；步骤四中然后电场处理5min。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。

本实施方式得到经电场处理的Ti47Al合金。

本实施方式同样采用具体实施十六中记载的对比实验中采用的具有两个型腔的铸型进行对比实验，得到经电场处理的Ti47Al合金(与具体实施方式十七得到的Ti47Al合金一样)和未经电场处理的Ti47Al合金，对比实验得到的两种合金的显微组织图如图8和图9，图8是未经电场处理的Ti47Al合金的显微组织图，图9是经电场处理的Ti47Al合金的显微组织图，其中取样位置均选在垂直于两端同质复合电极连线的中垂线上。对比图8和图9可知，Ti47Al合金的显微组织，众所周知其室温组织为γ+(α₂/γ)双相组织，在经电场处理后，晶粒明显细化，由未处理的400μm-500μm降为50μm-100μm。

具体实施方式十八：本实施方式是采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸Ti46Al0.5W0.5Si合金的方法，与具体实施方式十六不同的是：步骤二中按Ti46Al0.5W0.5Si合金成分的原子个数百分比配比称取合金原料；步骤四中然后电场处理4min。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。

本实施方式得到经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si合金。

本实施方式同样采用具体实施十六中记载的对比实验中采用的具有两个型腔的铸型进行对比实验，得到经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si合金(与具体实施方式十八得到的Ti46Al0.5W0.5Si合金一样)和未经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si合金，对比实验得到的两种合金的显微组织图如图10和图11，图10是未经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si合金的显微组织图，图11是经电场处理的Ti46Al0.5W0.5Si合金的显微组织图，其中取样位置均选在垂直于两端同质复合电极连线的中垂线上。对比图10和图11可知，Ti46Al0.5W0.5Si合金在电场作用下，发达的树枝晶组织消失，变为细小等轴晶。电场细化效果显著。

Claims (10)

1.用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，其特征在于用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，在陶瓷铸型型腔(1)的两个相对侧面上分别设置与型腔(1)的侧面形状一致的同质复合电极(2)，设置的两个同质复合电极(2)均由紫铜板(2-1)、合金板(2-2)和紫铜接线柱(2-3)组成，其中紫铜接线柱(2-3)设置在紫铜板(2-1)的一侧，紫铜板(2-1)的另一侧与合金板(2-2)焊接结合，在其中之一个同质复合电极(2)上设置有浇注口(2-4)，浇注口(2-4)与直浇道连通；设置紫铜接线柱(2-3)的紫铜板(2-1)的一侧与铸型型腔(1)的侧面连接，紫铜接线柱(2-3)横穿铸型壁并裸露在铸型外壁上。

2.根据权利要求1所述的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，其特征在于合金板(2-2)为钛合金板、钛铝合金板、铝合金或者铸铁板。

3.根据权利要求1或2所述的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，其特征在于紫铜接线柱(2-3)设置在紫铜板(2-1)的一侧，其中设置有浇注口(2-4)的同质复合电极(2)上的紫铜接线柱(2-3)设置在紫铜板(2-1)上的浇注口(2-4)的下方。

4.根据权利要求1或2所述的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，其特征在于紫铜板(2-1)的厚度D与陶瓷铸型型腔(1)侧面高度W的比值为D∶W＝1∶1～55，浇铸金属的金属电阻率为1.78×10^-5Ω·m。

5.根据权利要求1或2所述的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，其特征在于紫铜板(2-1)的厚度D与陶瓷铸型型腔(1)侧面高度W的比值为D∶W＝1∶1～7，浇铸金属的金属电阻率为1.75×10^-6Ω·m。

6.根据权利要求1或2所述的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型，其特征在于紫铜板(2-1)的厚度D与陶瓷铸型型腔(1)侧面高度W的比值为D∶W＝1∶1～1.35，浇铸金属的金属电阻率为1.75×10^-7Ω·m。

7.采用如权利要求1所述的用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸钛铝基合金的方法，其特征在于采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸钛铝基合金的方法是通过以下步骤实现的：一、将用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型(3)置于真空感应熔炼炉(4)内的固定耐火板(13)上，将陶瓷铸型(3)外壁上的两个紫铜接线柱(2-3)中的一个通过电缆(5)接电极电源(6)正极，另一个紫铜接线柱(2-3)通过电缆(5)接电极电源(6)负极，其中陶瓷铸型(3)内的两个同质复合电极(2)中的合金板(2-2)均为钛铝合金板或者钛合金板，固定耐火板(13)固定在支架(14)上；二、按钛铝基合金成分配比称取合金原料，其中按原子百分比包含46％～50％的铝，然后将合金原料放入真空感应熔炼炉(4)内的水冷坩埚(11)中，然后将真空感应熔炼炉(4)炉门关闭保持密闭；三、启动抽真空系统(12)，将真空感应熔炼炉(4)的炉腔抽真空至压力低于0.1Pa，然后启动真空感应熔炼炉(4)电源，对水冷坩埚(11)中的合金原料进行加热熔炼0.2h～0.5h，得熔体；四、启动电极电源(6)，然后将步骤三处理得的熔体浇注至用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型(3)中，然后电场处理10s～30min，关闭电极电源(6)，冷却后将铸件取出，即得钛铝基合金坯锭。

8.根据权利要求7所述的采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸钛铝基合金的方法，其特征在于步骤一中电缆(5)通过真空感应熔炼炉(4)的炉门将紫铜接线柱(2-3)和电极电源(6)连接，在炉门封口处设置两片紫铜箔(8)，使得真空感应熔炼炉(4)内接紫铜接线柱(2-3)的电缆(5)与真空感应熔炼炉(4)外电极电源(6)引出的电缆(5)在炉门处用紫铜箔(8)进行导通，同时用绝缘材料(9)对紫铜箔(8)以及电缆(5)与紫铜箔(8)导通接触部分进行绝缘保护，再用真空密封圈(10)对炉门处进行密封。

9.根据权利要求7或8所述的采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸钛铝基合金的方法，其特征在于步骤一中电极电源正极(6)与紫铜接线柱(2-3)之间的电缆(5)上接入一个负载箱(7)。

10.根据权利要求7或8所述的采用用于电场处理下浇铸金属的陶瓷铸型浇铸钛铝基合金的方法，其特征在于步骤二中钛铝基合金为Ti46Al0.5W0.5Si0.3Y、Ti46Al0.5W0.5Si、Ti47Al、Ti47Al5Nb、Ti47Al1Nb或者Ti47Al3Nb。

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