CN102642013A - 施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的方法和装置，在奥氏体不锈钢锭模的外侧上下部位依次设置两个电磁场发生器，上部为稳恒直流电磁场发生器，下部为双向低频交流旋转电磁场发生器。下部双向低频交流旋转电磁场发生器输入低频交流电流后产生双向旋转电磁场，其在金属液中产生的双向旋转电磁搅拌作用可以使高温合金母合金锭的中心缩孔带减小并上移、夹杂物含量减少，枝晶偏析减轻，凝固组织细小且均匀性。上部稳恒直流电磁场发生器输入直流电流后产生均匀的直流电磁场，其在金属液面处产生的电磁制动力抑制了因型内电磁搅拌引起的金属液面的剧烈波动，消除了金属液面的波动对高温合金母合金锭凝固过程中夹杂物上浮、缩孔补缩的不利影响。

Description

施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的方法和装置

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，特别涉及到高温合金母合金锭的制备。

背景技术

高温合金能够在600℃～1100℃的高温氧化气氛和燃气腐蚀条件下长时间承受较大的工作载荷，是航空航天、舰船、发电和石油化工等工业的重要结构材料。高温合金按生产工艺可分为变形、铸造、粉末冶金和机械合金化四类。20世纪70年代以后，随着真空熔铸、熔模精密铸造、定向凝固、单晶铸造、细晶铸造等熔炼及铸造技术的发展和应用，出现了一系列性能更高的铸造高温合金，这些高性能铸造高温合金的发展和应用满足了航空喷气发动机和工业燃气涡轮机等热端部件性能方面的发展需求，从而使铸造高温合金的应用变得越发重要和广泛。

铸造高温合金因成分中活性元素较多，对杂质含量要求严格，故多采用双真空熔铸工艺，即将原材料先在真空感应炉内熔炼并铸造成母合金锭，然后再在真空感应炉内将母合金锭重熔并浇注成铸件。因此最初的高温合金母合金锭的质量对高温合金铸件的质量有很大影响。目前随着科技的进步、航空航天发动机以及工业燃气轮机等性能的提高，对高温合金材料的品质提出了越来越高的要求。然而，由于我国目前的技术水平和设备能力有限，高温合金材料的生产水平与美国、俄罗斯等国存在较大的差距。我国采用传统真空熔铸工艺预制的高温合金母合金的质量较差，母合金锭中夹杂物、元素偏析和缩孔等铸造缺陷比较严重，高温合金母合金的质量以及高温合金铸件的合格率远远低于国外技术发达国家同类高温合金母合金的质量以及高温合金铸件的合格率。高品质高温合金材料的供应已严重制约了我国国防工业和电力、汽车、医疗等领域的发展，提高我国高温合金母合金的纯净度和均匀性、改善高温合金铸件的质量已成为当前我国冶金工作者一项重要而迫切的任务。

2008年申请人在《稀有金属材料与工程》刊登的文章“K417高温合金母合金锭的真空电磁铸造技术研究”中提出了在高温合金金属液凝固过程中施加旋转电磁搅拌的方法来高温合金母合金锭质量的方法，该方法能够细化高温合金母合金锭的晶粒组织、改善中心缩孔和夹杂物的数量和分布、减轻枝晶偏析，但该方法通过延迟电磁搅拌的开始时间来解决金属液刚浇入铸型内就进行旋转电磁搅拌会导致未形成表面凝壳的金属液面波动比较大、金属液在电磁力的作用下会沿着模壁攀升后凝固形成大飞边从而恶化铸件凝固过程中缩孔的补缩条件这一问题，这就导致在金属液凝固过程中电磁搅拌时间的减少，因此电磁搅拌在母合金锭中的作用范围和效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善高温合金母合金锭质量的方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的装置，包括真空中频感应熔炼炉，在真空中频感应熔炼炉内部中心处设有奥氏体不锈钢锭模，在奥氏体不锈钢锭模外侧设有直流电磁场发生器和双向低频交流旋转电磁场发生器，在奥氏体不锈钢锭模上方设有浇冒口系统和泡沫陶瓷过滤器。

在奥氏体不锈钢锭模外侧，距其上端面10-100 mm处设置一个磁感应强度为100-300mT的直流电磁场发生器。

在奥氏体不锈钢锭模外侧，距其下端面20-250 mm处设置一个频率为3-60 Hz、输入电流为60-200A的双向低频交流旋转电磁场发生器。

本发明的施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的方法，该方法包括以下步骤：

（1）将高温合金炉料加入真空中频感应熔炼炉的坩埚中，通电加热、熔化和精炼；

（2） 将金属液经泡沫陶瓷过滤后通过浇冒口系统浇注到奥氏体不锈钢锭模中，当金属液液面和直流电磁场发生器中心面平齐时停止浇注；

（3）分别接通直流电磁场发生器、双向低频交流旋转电磁场发生器的电源，30-240秒钟后，当金属液完全凝固时，分别断开直流电磁场发生器、双向低频交流旋转电磁场发生器的电源。

本发明的基本构思是锭模采用透磁性好的奥氏体不锈钢制作，在奥氏体不锈钢锭模的外侧上、下部位依次设置两个电磁场发生器，上部为稳恒直流电磁场发生器，其中心面与型壳中的金属液面平齐，下部为双向低频交流旋转电磁场发生器。当金属液刚被浇入奥氏体不锈钢锭模中就接通稳恒直流电磁场发生器和双向低频交流旋转电磁场发生器的电源。

下部的双向低频交流旋转电磁场发生器输入双向低频交流电后产生双向旋转电磁场，当其以一定的速度切割金属液时，便在金属液内产生频率相同的感生电流，液态金属作为载流导体，在外加电磁场的作用下产生电磁力(                                               

)，电磁力确切的说是其周向分力驱动锭模中的液态金属与夹杂物沿旋转磁场方向一起进行旋转运动，在旋转磁场作用下的旋转运动中，高温合金液态金属和夹杂物在同一半径上的径向速度差不仅与两者的密度差有关，还和两者很大的切向速度差有关。由于高温合金液态金属的电导率比非金属夹杂物的电导率要大的多，液态金属受到的电磁力比夹杂物也大的多，因而在同一半径上液态金属的切向速度要比夹杂物的切向速度大的多。此外，高温合金液态金属的密度也远远大于非金属夹杂物的密度。因此高温合金液态金属和夹杂物在同一半径上的径向速度差值很大。这将导致密度和电导率都大的高温合金液态金属向外快速运动，密度和电导率都小的夹杂物向母合金锭的中心快速运动，从而实现高温合金液态金属与夹杂物的快速分离，大幅提高了高温合金母锭的纯净度。此外在高温合金真空熔铸的凝固过程中旋加旋转电磁场，其在金属液中产生的电磁搅拌作用还能细化晶粒、减轻元素偏析，最终得到均匀性和纯净度大幅提高的优质高温合金母合金锭。

上部的稳恒直流电磁场发生器输入直流电后产生稳恒的直流电磁场，金属液在此稳恒电磁场中流动时便产生感生电流，金属液作为载流导体，在外加电磁场的作用下会受到与其流动方向相反的电磁力的作用。因此在金属液面处施加直流稳恒电磁场，其在金属液面处产生的电磁制动力能够抑制因型内电磁搅拌引起的为形成凝壳的金属液面的剧烈波动，从而消除金属液面的波动对高温合金铸件凝固过程中缩孔补缩的不利影响。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：1、在奥氏体不锈钢砂箱的外侧下部设置的双向低频交流旋转电磁场发生器，输入双向低频交流电后产生双向旋转电磁场，其在金属液中产生的双向旋转电磁搅拌作用能够细化晶粒、减轻元素偏析，减少非金属夹杂物，得到均匀性和纯净度大幅提高的优质高温合金母合金锭。2、在奥氏体不锈钢砂箱的外侧上部设置的稳恒直流电磁场发生器，输入直流电后产生稳恒的直流电磁场，其在金属液面处产生的电磁制动力能够抑制因型内电磁搅拌引起的为形成凝壳的金属液面的剧烈波动，从而消除金属液面的波动对高温合金铸件凝固过程中缩孔补缩的不利影响。3、本方法工艺原理可靠，可适用于各种高温合金母合金锭的生产。

附图说明：

    附图1是施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的方法和装置的结构示意图

图中，1.泡沫陶瓷过滤器，2.直流电磁场发生器， 3.浇冒口系统，4.双向低频交流旋转电磁场发生器，5.奥氏体不锈钢锭模，6. 金属液，7.真空中频感应熔炼炉。

具体实施方式

以下结合附图，详细叙述本发明的具体实施方案。

本发明的施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的装置，包括真空中频感应熔炼炉7，在真空中频感应熔炼炉7内部中心处设有奥氏体不锈钢锭模5，在奥氏体不锈钢锭模5外侧，距其上端面10-100 mm处设置一个磁感应强度为100-300mT的直流电磁场发生器2。在奥氏体不锈钢锭模5外侧，距其下端面20-250 mm处设置一个频率为3-60 Hz、输入电流为60-200A的双向低频交流旋转电磁场发生器4。在奥氏体不锈钢锭模5上方设有浇冒口系统3和泡沫陶瓷过滤器1。

本发明的施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的装置设有相应的电源系统及水冷系统，电源系统及水冷系统的设置采用现有技术。

利用所发明的施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的方法和装置制备K417高温合金母合金锭，具体步骤如下：

步骤1：复合电磁场发生器的准备

将奥氏体不锈钢锭模5放入真空中频感应熔炼炉7的浇注工位。然后在奥氏体不锈钢锭模5外侧，距其上端面10-100 mm处设置一个磁感应强度为100-300mT的直流电磁场发生器2。在奥氏体不锈钢砂箱5外侧，距其下端面20-250 mm处设置一个频率为3-60 Hz、输入电流为60-200A的双向低频交流旋转电磁场发生器4。

步骤2：K417高温合金金属液的熔炼和浇注

将K417高温合金炉料加入真空中频感应熔炼炉7的坩埚中，通电加热、熔化和精炼。将金属液6经泡沫陶瓷过滤1后通过浇冒口系统3浇注到奥氏体不锈钢锭模5中，当金属液1液面和直流电磁场发生器2中心面平齐时停止浇注。

步骤3：复合电磁场作用下K417高温合金的细晶铸造

分别接通直流电磁场发生器2、双向低频交流旋转电磁场发生器4的电源，并使直流电磁场发生器2的输入电流达到120A、磁场强度达到240mT，双向低频交流旋转电磁场发生器4的输入电流达到160A、磁场强度达到110mT。30-240秒钟后，当金属液6完全凝固时分别断开直流电磁场发生器2、双向低频交流旋转电磁场发生器4的电源。

步骤4：质量检查

观察K417高温合金母合金锭，与不施加复合电磁场的铸锭相比，可以观察到冒口上表面没有出现飞边，对母合金锭进行凝固组织、元素偏析和夹杂物分析，结果为母合金锭晶粒细化到0.12mm、断面等轴晶比例达到96％，缩孔和夹杂物较少，元素偏析较轻，母合金锭的质量得到明显改善。

Claims (4)

1.一种施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的装置，包括真空中频感应熔炼炉（7），在真空中频感应熔炼炉（7）内部中心处设有奥氏体不锈钢锭模（5），在奥氏体不锈钢锭模（5）外侧设有直流电磁场发生器（2）和双向低频交流旋转电磁场发生器（4），在奥氏体不锈钢锭模（5）上方设有浇冒口系统（3）和泡沫陶瓷过滤器（1）。

2.根据权利要求1所述的一种施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的装置，其特征是：在奥氏体不锈钢锭模（5）外侧，距其上端面10-100 mm处设置一个磁感应强度为100-300mT的直流电磁场发生器（2）。

3.根据权利要求1所述的一种施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的装置，其特征是：在奥氏体不锈钢锭模（5）外侧，距其下端面20-250 mm处设置一个频率为3-60 Hz、输入电流为60-200A的双向低频交流旋转电磁场发生器（4）。

4.一种施加复合电磁场改善高温合金母合金锭质量的方法，采用如权利要求1所述的装置，该方法包括以下步骤：

（1）将高温合金炉料加入真空中频感应熔炼炉（7）的坩埚中，通电加热、熔化和精炼；

（2） 将金属液（6）经泡沫陶瓷过滤（1）后通过浇冒口系统（3）浇注到奥氏体不锈钢锭模（5）中，当金属液（1）液面和直流电磁场发生器（2）中心面平齐时停止浇注；

（3） 分别接通直流电磁场发生器（2）、双向低频交流旋转电磁场发生器（4）的电源，30-240秒钟后，当金属液（1）完全凝固时，分别断开直流电磁场发生器（2）、双向低频交流旋转电磁场发生器（4）的电源。

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