CN102689000B - 制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法，屏蔽罩安放在位于水冷结晶器上表面的绝缘板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感应器位于所述定位板的上表面；保温套位于所述成形感应器的内环中；卡子固定在成形感应器的外圆周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感应器的中心孔与保温套的中心孔同轴；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔内，该籽晶的下端与真空室内的抽拉杆连接，母材位于保温套内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接，并且所述籽晶与母材合金均与成形感应器的中心孔同轴。本发明能够彻底消除坩埚污染对合金成分和组织的影响，制备出较理想的定向全片层组织，并提高了成形感应器的定位精度。

Description

制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术，具体是一种制备钛铝基合金试样的电磁成形装置以及利用该装置获得钛铝基合金定向全片层组织的方法。

背景技术

TiAl基金属间化合物密度低，比强度和比弹性模量高，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等，是一种用于航天、航空及汽车用发动机耐热结构件的新型结构材料。与γ单相组织和双态组织相比，钛铝基合金定向全片层组织具有更好的高温强度和室温韧性，是有望近期应用于工业生产的高温轻质结构材料，从而成为近年来研究的热点。由M.Yamaguchi等对钛铝基合金PST晶体的研究表明，当外加载荷平行于片层方向时，屈服强度和延伸率达到最佳组合，此时室温延伸率可以达到5-10％。

然而，由于凝固过程中的包晶相变对组成相的生长与取向有不同的影响。γ相不仅可以由液相析出的α母相形成，还可以由液相中析出的β相转变为α相的母体中形成，而且还可以由液相中直接析出。另外，在定向凝固包晶反应过程中相的竞争与选择及界面形态的演化也对钛铝基合金的凝固组织有着重要的影响。当高温α相以择优生长方向生长时，经过固态相变最终获得垂直于生长方向的片层组织。当β相以择优生长方向生长时，经过固态最终获得平行于生长方向或者与生长方向成45°的片层组织。因此，常规的定向凝固方法难以获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。

为了制备出片层方向平行于生长方向的定向全片层组织，人们利用籽晶通过定向凝固方法控制高温α相以非择优生长方向生长，从而获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。该技术的核心思想是选用具有一定成分和组织的籽晶作为初熔区，然后以一定的抽拉速度进行定向凝固，从而控制母材合金从生长初始阶段就以α相的非择优方向生长，最终经过固态相变获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。然而，由于钛铝基合金中的Ti元素有很高的化学活性，几乎与包括Al₂O₃、CaO、Y₂O₃在内的所有坩埚发生界面反应，严重影响了钛铝基合金定向全片层组织的定向生长及其力学性能。

由西北工业大学研发的电磁成形技术作为一种新型的材料电磁加工技术，特别适合于高熔点、易氧化、高活性金属试样的无污染制备。其基本原理是根据Maxwall理论，在成形感应器中加载高频电流，使放入成形感应器中的金属试样产生感应电流，使得试样熔化。与此同时，感应磁场和感应电流共同作用在熔体表面，产生一个指向熔体内部的电磁压力。当作用在熔体表面的电磁压力、熔体表面张力形成的压力与静压力达到动态平衡时，即可稳定约束成形一定直径的金属试样。此时，将下端浸入液态金属冷却液中的金属试样以一定的速度向下抽拉，即可获得电磁成形定向凝固试样。另外，通过改变成形感应器和屏蔽罩等相关参数，可以获得不同直径的电磁成形定向凝固试样。

研究表明，电磁成形过程是一个线圈加热能力与约束成形能力相互耦合作用的动态稳定过程，其中，成形感应器参数、热力比和固/液界面位置等是决定电磁成形成功与否的重要依据。这就涉及到电磁成形过程中材料性状、成形感应器形状、屏蔽罩插入深度及抽拉速度等之间的相互关系，调节其中一个参数，其他的参数也要做相应的变化，才能保证电磁成形过程的顺利进行。这就决定了电磁成形过程中液态熔区维持动态稳定的参数范围较窄，无法在较大范围内独立调节熔体温度和抽拉速度这两个定向凝固过程中所关注的关键参数，这也是电磁成形技术长期停留在实验研究阶段的主要原因。另外，由于电磁成形过程中成形感应器受到电磁力的作用而剧烈晃动，且在反复装卸过程中感应线圈容易松动，不利于电磁成形过程的控制和稳定成形，同时增加了等轴晶形核的可能，不利于柱状晶的定向生长。

发明内容

为克服现有技术中存在的钛铝基合金中的Ti元素与坩埚发生的界面反应的不足，获得无坩埚污染的钛铝基合金定向全片层组织，本发明提出了一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法。

本发明提出的制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置包括保温套、成形感应器、定位板、屏蔽罩、绝缘板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷结晶器上表面的绝缘板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感应器位于所述定位板的上表面；保温套位于所述成形感应器的内环中；卡子固定在成形感应器的外圆周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感应器的中心孔与保温套的中心孔同轴；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔内，该籽晶的下端与真空室内的抽拉杆连接，母材位于保温套内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接，并且所述籽晶与母材合金均与成形感应器的中心孔同轴。

所述成形感应器包括成形感应器内环、感应线圈和感应线圈固定架；感应线圈固定在感应线圈固定架的内表面，并被套装在所述成形感应器内环的外圆表面。

所述保温套为锥形圆环；该保温套外表面的斜度与成形感应器内环的内表面的斜度相同。

本发明还提出了一种利用所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备钛铝基合金定向全片层组织的方法，所述的钛铝基合金是指利用籽晶通过常规的定向凝固方法能够获得定向全片层组织的钛铝基合金，包括以下步骤，

第一步，安装籽晶；将籽晶固定于真空室内的抽拉杆上；

第二步，安装母材；将母材固定于真空室内的同步杆上，并使母材下端面与籽晶上端面的间隙为1～3mm；

第三步，调节籽晶和母材的高度；通过调节籽晶和母材的高度，使籽晶上端面距成形感应器内环顶端的距离为成形感应器内环高度的1/3～1/2，使籽晶和母材在加热过程中同时熔化；当调节好籽晶和母材的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体；

第四步，加热熔化并约束成形；将10KHz～50KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从0V开始，以20V/5min的阶梯方式增加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点；当所述交变电流的电压达到240V后停止增加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温；继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式增加至位于成形感应器中的籽晶和母材同时熔化，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为10mm～20mm的圆柱状熔区；

第五步，抽拉；待熔区高度稳定后保温10-30分钟，以5μm/s～50μm/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，实现钛铝基合金的电磁成形定向凝固，从而获得钛铝基合金定向全片层组织。

为了防止成形感应器的反复装卸造成感应线圈松动，降低电磁成形过程中成形感应器受到电磁力的作用而剧烈晃动，本发明在原有成形感应器外增加了感应线圈固定架，即在感应线圈外侧用牙托粉和牙托水制成感应线圈固定架将感应线圈固定在一起，同时使感应线圈固定架包裹形成的成形感应器外径与水冷结晶器外径相同，并用螺钉将四个卡子呈十字对称安装，同时将成形感应器、定位板、屏蔽罩和绝缘板从上到下依次固定安装于水冷结晶器的固定底座上。该感应线圈固定架提高了成形感应器的定位精度，同时降低了电磁成形过程中成形感应器的晃动所造成的成形的不稳定，避免了成形感应器反复装卸造成感应线圈的松动，从而使得电磁成形过程的控制更加精确。降低了因线圈晃动使等轴晶形核的可能，有利于柱状晶的定向生长。

另外，在成形感应器内，增加了保温套。其中，保温套的外形尺寸根据需要进行加工，即在保证保温套外表面倾角与成形感应器内壁相吻合的前提下，使保温套具有不同的下端外径、高度和壁厚。高度和壁厚可以调节保温套的保温能力。下端外径可以调节保温套相对于成形感应器的高度，通过调节保温套的下端外径和高度能够改变熔体中温度场峰值的位置。由于保温套不影响成形感应器内磁场的强度和分布，因此，增加不同型号的保温套能够在不影响电磁力的前提下，较大范围内的调节线圈的加热能力。

本发明将籽晶装在真空室的抽拉杆上，将相同直径的母材装在同步杆上，并保证籽晶、母材、保温套、成形感应器、屏蔽罩和真空室内的抽拉杆同轴，同时保证母材下端面与籽晶上端面的间隙为1-3mm。调节籽晶和母材的高度，使籽晶上端面距成形感应器内环顶端的距离为成形感应器内环高度的1/3～1/2，使在加热过程中籽晶和母材同时熔化。当调节好籽晶和母材的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体。将10KHz-50KHz的交变电流通入成形感应器中，以阶梯增加电压的方式增加交变电流的电压，至籽晶和母材同时熔化，并使熔体在电磁力的作用下约束成高度为10-20mm的圆柱状熔区。待熔区高度稳定后保温10-30分钟，然后以5-50μm/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，最终实现钛铝基合金的电磁成形定向凝固，从而获得钛铝基合金的定向全片层组织。所述利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备钛铝基合金定向全片层组织时，使用的籽晶和母材的合金成分如表1所示。

表1中所示的籽晶成分(at％)为利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备钛铝基合金定向全片层组织时，所使用的籽晶的名义成分，所述的籽晶成分必须满足以下要求：

1、α相必须是初生相。

2、加热至α₂+γ→α共析温度，片层组织是稳定的。

3、加热时，α相是热力学稳定的，且α相体积分数的增加时通过增厚α相片层而不是形核为新的α片层。这样可使高温α相有与原始片层组织中的α片层相同的取向。

4、冷却时，此过程是可逆的，片层组织原来的取向可保存。

同时，利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备TiAl基合金定向全片层组织时，所用籽晶的片层方向须与定向凝固时的抽拉方向平行。

表1中所示的母材成分(at％)为能够由所对应的籽晶成功引晶的母材合金的名义成分。所述适于利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备TiAl基合金定向全片层组织的母材合金是指利用籽晶通过常规的定向凝固能够获得定向全片层组织的钛铝基合金。

表1

图9所示为电源频率为20KHz、籽晶和母材直径为12mm和抽拉速度为10μm/s时，利用本发明中的电磁成形装置在Ti-43Al-3Si籽晶的引晶作用下，制备得到无污染、片层方向平行于生长方向的Ti-47Al定向全片层组织。图10中，图10a、图10b和图10c所示均为与图9中标识所对应的不同阶段的微观组织图。从图中可以得出，在籽晶的引晶作用下，该合金在凝固过程中沿非择优取向[11

方向生长，并经过随后的固态相变生成片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。

图11所示为使用50KHz电源，在电源电压分别为100V、150V和190V时，保温套对试样温度的影响。由图可以看出，电源电压越高，保温套对试样的温度影响越明显。

本发明对现有的电磁成形技术进行了改进，在现有的成形感应器外增加了线圈固定装置，较大程度上消除了电磁成形过程中由于成形感应器的晃动所造成的不稳定因素，从而使得电磁成形过程的控制更加精确，降低了因线圈晃动使等轴晶形核的可能，有利于柱状晶的定向生长。同时避免了成形感应器反复装卸引起感应线圈的松动，并提高了成形感应器的定位精度。另外，在成形感应器内环内增加不同外形尺寸的保温套，由于保温材料不影响成形感应器内磁场的强度和分布，所以，增加保温套可以在不改变电磁力的前提下，较大范围的调节线圈的加热能力。然后，利用改进后的电磁成形定向凝固技术，选用如表1中所示的母材以及相应的籽晶，在5μm/s-50μm/s的抽拉速度下制备出无污染的钛铝基合金定向全片层组织。利用本发明可以彻底消除坩埚污染对合金成分和组织的影响，制备出较理想的定向全片层组织。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是成形感应器的示意图。

图3是成形感应器内环的主视图。

图4是成形感应器内环的俯视图。

图5是保温套的示意图。

图6是屏蔽罩的示意图。

图7是卡子的主视图。

图8是卡子的俯视图。

图9是电源频率为20KHz、籽晶和母材直径为12mm和抽拉速度为10μm/s时，获得的无污染、片层方向平行于生长方向的Ti-47Al定向全片层组织。

图10是与图11中标识所对应的不同阶段的微观组织图。其中，图10a为籽晶段微观组织图，图10b为过渡区微观组织图，图10c为稳定凝固阶段微观组织图。

图11所示为使用50KHz电源，在不同电压下加保温套后对试样温度的影响。图中：

1.母材合金    2.熔区        3.保温套    4.卡子    5.成形感应器

6.定位板      7.屏蔽罩      8.绝缘板    9.螺钉    10.法兰

11.籽晶       12.水冷结晶器 13.高频电源 14.成形感应器内环

15.感应线圈   16.感应线圈固定架

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置，包括保温套3、成形感应器5、定位板6、屏蔽罩7、绝缘板8和卡子4。

屏蔽罩7安放在位于水冷结晶器12上表面的绝缘板8上。在屏蔽罩7的上表面安放有定位板6，成形感应器5位于所述定位板6的上表面。保温套3位于所述成形感应器5的内环中。四个卡子4呈十字对称置于成形感应器的外圆周表面，同时使该卡子水平板的下表面与成形感应器的上表面贴紧，并通过螺钉9与水冷结晶器12的法兰10连接。所述屏蔽罩7的中心孔、成形感应器5的中心孔与保温套3的中心孔同轴。籽晶11位于所述屏蔽罩7的中心孔内，该籽晶11的下端与真空室内的抽拉杆连接，母材1位于保温套3内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接，并且所述籽晶11与母材合金1均与成形感应器5的中心孔同轴。

如图2所示。所述成形感应器5包括成形感应器内环14、感应线圈15和感应线圈固定架16。感应线圈15固定在感应线圈固定架16的内表面，并被套装在所述成形感应器内环14的外圆表面。所述成形感应器5中，成形感应器内环14为锥形圆环，采用紫铜制成；所述成形感应器内环14最小内径比籽晶11的直径大8mm。成形感应器内环14内壁的倾角为6°，高度为20mm，壁厚为3mm。在所述成形感应器内环14外圆周表面中部，沿该成形感应器内环14外圆周有半径为7mm的弧形凹槽，用于固定感应线圈15的内匝，并在该成形感应器内环14一侧有一宽度为2mm并贯通成形感应器内环14环壁的切缝，并在切缝内填有云母带，防止成形感应器内环14中的电流构成回路而造成短路。

感应线圈15由外径为6mm的紫铜管绕制而成。所述感应线圈15共绕制5匝，其中由内匝线圈所形成的感应线圈内径与所述成形感应器内环14外圆周上的弧形凹槽槽底处的外径相同。所述感应线圈15的其余4匝线圈均位于感应线圈内匝的外侧，并分为上下两排。所述的内匝线圈焊接固定在所述成形感应器内环14外圆周上的弧形凹槽内，所述的感应线圈15的其余4匝线圈均嵌装并固定在感应线圈固定架16的内表面中。

用紫铜加工而成的屏蔽罩7为现有技术。如图6所示，该屏蔽罩7的表面有径向凸出的环形凸沿，该环形凸沿的高度为3mm，所述环形凸沿装入成形感应器内环14中心孔中并位于保温套3的下表面。所述环形凸沿与成形感应器内环14之间间隙配合，以避免该环形凸沿使成形感应器内环14短路。所述屏蔽罩7可使得成形感应器5内产生的磁场的下峰面迅速衰减，有利于电磁成形过程的进行。屏蔽罩7的内径与籽晶之间的距离为2mm，外径与水冷结晶器12外径相同，屏蔽罩7为中空夹层结构，壁厚为2mm，中空夹层能够通冷却水，确保在成形感应器5中通入高频电流时屏蔽罩7不会因感应加热而使得温度太高。

保温套3为锥形圆环，采用耐火砖制成。该保温套3外表面的斜度与成形感应器内环的内表面的斜度吻合，亦为6°；该保温套3的最小内径与籽晶11相距2mm，厚度为2mm，高度为20mm。

所述的卡子4有四个，均由水平板和竖直板构成，使该卡子的外形呈有L形。所述水平板位于所述竖直板一端的端面，所述卡子4竖直板另一端的端头有连接通孔。使用时，将所述的四个卡子4呈十字对称置于成形感应器的外圆周表面，同时使该卡子水平板的下表面与成形感应器的上表面贴紧。所述卡子竖直板上的连接通孔固定在水冷结晶器12的法兰上。

定位板6为有中心孔的圆形板，用厚度为2mm的云母板加工而成。定位板6的内径比屏蔽罩7上环形凸沿的外径大1mm。

绝缘板8由厚度为1mm的云母板加工而成，该绝缘板8的内径与定位板的内径相同。

安装时：

将屏蔽罩7安装在水冷结晶器12正上方，并在屏蔽罩7和水冷结晶器12之间放置绝缘板8；将定位板6置于屏蔽罩7上方；将成形感应器5置于屏蔽罩7上方，并将感应线圈15接入真空室的同轴电极上，安装时确保成形感应器5与屏蔽罩7不直接接触，并使得成形感应器5、屏蔽罩7、绝缘板8和定位板6与水冷结晶器12及抽拉杆同轴；四个卡子4呈十字对称置于成形感应器的外圆周表面，同时使该卡子水平板的下表面与成形感应器的上表面贴紧。所述卡子竖直板上的连接通孔固定在水冷结晶器12的法兰上。同时将成形感应器5、屏蔽罩7、绝缘板8和定位板6同时固定在水冷结晶器上，确保感应器5和屏蔽罩7、绝缘板8和定位板6之间紧密接触，使其在成形过程中相对位置不会移动；最后将保温套3置入成形感应器5内。

本发明还提出了一种利用所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备钛铝基合金定向全片层组织的方法，是利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法得到钛铝基合金定向全片层组织。所使用的籽晶和母材的合金成分如表1所示。

表1中所示的籽晶成分(at％)为利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备钛铝基合金定向全片层组织时，所使用的籽晶的名义成分，所述的籽晶成分必须满足以下要求：

1、α相必须是初生相。

2、加热至α₂+γ→α共析温度，片层组织是稳定的。

3、加热时，α相是热力学稳定的，且α相体积分数的增加时通过增厚α相片层而不是形核为新的α片层。这样可使高温α相有与原始片层组织中的α片层相同的取向。

4、冷却时，此过程是可逆的，片层组织原来的取向可保存。

同时，利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备TiAl基合金定向全片层组织时，所用籽晶的片层方向须与定向凝固时的抽拉方向平行。

表1中所示的母材成分(at％)为能够由所对应的籽晶成功引晶的母材合金的名义成分。所述适于利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备TiAl基合金定向全片层组织的母材合金是指利用籽晶通过常规的定向凝固能够获得定向全片层组织的钛铝基合金。

本发明仅以其中四种母材和与其对应的三种籽晶为例，说明本发明的实施过程。

实施例二

本实施例是一种利用所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备Ti-47Al试样定向全片层组织的方法。

第一步，安装籽晶。将成分为Ti-43Al-3Si，直径为12mm的籽晶11固定于真空室内的抽拉杆上。

第二步，安装母材。将成分为Ti-47Al、直径为12mm的母材1固定于真空室内的同步杆上，并保证籽晶11、母材1、保温套3、成形感应器5、屏蔽罩7和抽拉杆同轴，同时保证母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为1～3mm，本实施例中母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为3mm。

第三步，调节籽晶11和母材1的高度。通过调节籽晶11和母材1的高度，使籽晶11上端面距成形感应器内环14顶端的距离为成形感应器内环14高度的1/3，使籽晶11和母材1在加热过程中同时熔化。当调节好籽晶11和母材1的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体。

第四步，加热熔化并约束成形。将50KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从0V开始，以20V/5min的阶梯方式增加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点，本实施例中，籽晶的熔点为1430℃，母材的熔点为1491℃，故使所述籽晶和母材的温度逐步加热至1300℃。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由0V增加至20V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由20V增加至40V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到240V，并且所述籽晶和母材的温度加热至1300℃。

当所述交变电流的电压达到240V后停止增加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温。继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式增加至位于成形感应器中的籽晶和母材熔化为一体，本实施例中，所述交变电流的电压从240V开始，以阶梯方式增加至265V。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由240V增加至245V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由245V增加至250V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到265V，并且所述籽晶和母材的温度加热至籽晶和母材的熔点，使该籽晶和母材熔化为一体，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为20mm的圆柱状熔区。

第五步，抽拉。待熔区高度稳定后保温10分钟，以10μm/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，，实现Ti-47Al合金的电磁成形定向凝固，从而获得成分为Ti-47Al的γ-TiAl合金定向全片层组织。

实施例三

本实施例是一种利用所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备Ti-48Al-8Nb试样定向全片层组织的方法。

第一步，安装籽晶。将成分为Ti-43Al-3Si，直径为12mm的籽晶11固定于真空室内的抽拉杆上。

第二步，安装母材。将成分为Ti-48Al-8Nb、直径为12mm的母材1固定于真空室内的同步杆上，并保证籽晶11、母材1、保温套3、成形感应器5、屏蔽罩7和抽拉杆同轴，同时保证母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为1～3mm，本实施例中母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为1mm。

第三步，调节籽晶11和母材1的高度。通过调节籽晶11和母材1的高度，使籽晶11上端面距成形感应器内环14顶端的距离为成形感应器内环14高度的1/2，使籽晶11和母材1在加热过程中同时熔化。当调节好籽晶11和母材1的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体。

第四步，加热熔化并约束成形。将10KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从0V开始，以20V/5min的阶梯方式增加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点，本实施例中，籽晶的熔点为1430℃，母材的熔点为1504℃，故使所述籽晶和母材的温度逐步加热至1300℃。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由0V增加至20V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由20V增加至40V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到240V，并且所述籽晶和母材的温度加热至1300℃。

当所述交变电流的电压达到240V后停止增加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温。继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式增加至位于成形感应器中的籽晶和母材熔化为一体，本实施例中，所述交变电流的电压从240V以阶梯方式增加至270V。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由240V增加至245V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由245V增加至250V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到270V，并且所述籽晶和母材的温度加热至籽晶和母材的熔点，使该籽晶和母材熔化为一体，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为10mm的圆柱状熔区。

第五步，抽拉。待熔区高度稳定后保温30分钟，以50μm/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，实现Ti-48Al-8Nb合金的电磁成形定向凝固，从而获得成分为Ti-48Al-8Nb的γ-TiAl合金定向全片层组织。

实施例四

本实施例是一种利用所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备Ti-46Al-3Nb-0.6Si-0.2C试样定向全片层组织的方法。

第一步，安装籽晶。将成分为Ti-46Al-3Nb-0.6Si-0.2C，直径为12mm的籽晶11固定于真空室内的抽拉杆上。

第二步，安装母材。将成分为Ti-46Al-3Nb-0.6Si-0.2C、直径为12mm的母材1固定于真空室内的同步杆上，并保证籽晶11、母材1、保温套3、成形感应器5、屏蔽罩7和抽拉杆同轴，同时保证母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为1～3mm，本实施例中母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为2mm。

第三步，调节籽晶11和母材1的高度。通过调节籽晶11和母材1的高度，使籽晶11上端面距成形感应器内环14顶端的距离为成形感应器内环14高度的5/12，使籽晶11和母材1在加热过程中同时熔化。当调节好籽晶11和母材1的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体。

第四步，加热熔化并约束成形。将20KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从0V开始，以20V/5min的阶梯方式增加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点，本实施例中，籽晶和母材的熔点约为1500℃，故使所述籽晶和母材的温度逐步加热至1300℃。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由0V增加至20V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由20V增加至40V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到240V，并且所述籽晶和母材的温度加热至1300℃。

当所述交变电流的电压达到240V后停止增加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温。继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式增加至位于成形感应器中的籽晶和母材熔化为一体，本实施例中，所述交变电流的电压从240V以阶梯方式增加至270V。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由240V增加至245V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由245V增加至250V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到270V，并且所述籽晶和母材的温度加热至籽晶和母材的熔点，使该籽晶和母材熔化为一体，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为15mm的圆柱状熔区。

第五步，抽拉。待熔区高度稳定后保温20分钟，以5μm/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，最终实现Ti-46Al-3Nb-0.6Si-0.2C合金的电磁成形定向凝固，从而获得成分为Ti-46Al-3Nb-0.6Si-0.2C的γ-TiAl合金定向全片层组织。

实施例五

本实施例是一种利用所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备Ti-46Al-1.5Mo-1.0Si试样定向全片层组织的方法。

第一步，安装籽晶。将成分为Ti-46Al-1.5Mo-1.0Si，直径为12mm的籽晶11固定于真空室内的抽拉杆上。

第二步，安装母材。将成分为Ti-46Al-1.5Mo-1.0Si、直径为12mm的母材1固定于真空室内的同步杆上，并保证籽晶11、母材1、保温套3、成形感应器5、屏蔽罩7和抽拉杆同轴，同时保证母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为1～3mm，本实施例中母材1下端面与籽晶11上端面的间隙为1.5mm。

第三步，调节籽晶11和母材1的高度。通过调节籽晶11和母材1的高度，使籽晶11上端面距成形感应器内环14顶端的距离为成形感应器内环14高度的1/3，使籽晶11和母材1在加热过程中同时熔化。当调节好籽晶11和母材1的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体。

第四步，加热熔化并约束成形。将30KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从0V开始，以20V/5min的阶梯方式增加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点，本实施例中，籽晶和母材的熔点约为1491℃，故使所述籽晶和母材的温度逐步加热至1300℃。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由0V增加至20V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由20V增加至40V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到240V，并且所述籽晶和母材的温度加热至1300℃。

当所述交变电流的电压达到240V后停止增加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温。继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式增加至位于成形感应器中的籽晶和母材熔化为一体，本实施例中，所述交变电流的电压从240V以阶梯方式增加至270V。所述以阶梯方式增加交变电流是将交变电流的电压由240V增加至245V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；继续将交变电流的电压由245V增加至250V并停止增加电压5min，以对逐步加热的籽晶和母材保温；重复上述增加交变电流的电压的过程，直至所述交变电流的电压达到270V，并且所述籽晶和母材的温度加热至籽晶和母材的熔点，使该籽晶和母材熔化为一体，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为18mm的圆柱状熔区。

第五步，抽拉。待熔区高度稳定后保温15分钟，以25μm/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，最终实现Ti-46Al-1.5Mo-1.0Si合金的电磁成形定向凝固，从而获得成分为Ti-46Al-1.5Mo-1.0Si的γ-TiAl合金定向全片层组织。

Claims (3)

1.一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置，其特征在于，包括保温套、成形感应器、定位板、屏蔽罩、绝缘板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷结晶器上表面的绝缘板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感应器位于所述定位板的上表面；保温套位于所述成形感应器的内环中；卡子固定在成形感应器的外圆周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感应器的中心孔与保温套的中心孔同轴；所述成形感应器包括成形感应器内环、感应线圈和感应线圈固定架；感应线圈固定在感应线圈固定架的内表面，并被套装在所述成形感应器内环的外圆表面；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔内，该籽晶的下端与真空室内的抽拉杆连接，母材位于保温套内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接，并且所述籽晶与母材合金均与成形感应器的中心孔同轴。

2.如权利要求1所述一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置，其特征在于，所述保温套为锥形圆环；该保温套外表面的斜度与成形感应器内环的内表面的斜度相同。

3.一种利用权利要求1所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备钛铝基合金定向全片层组织的方法，所述的籽晶是指利用籽晶通过常规的定向凝固方法能够获得定向全片层组织时所用的籽晶，所述的钛铝基合金是指利用籽晶通过常规的定向凝固方法能够获得定向全片层组织的钛铝基合金；其特征在于，包括以下步骤，

第一步，安装籽晶；将籽晶固定于真空室内的抽拉杆上；

第二步，安装母材；将母材固定于真空室内的同步杆上，并使母材下端面与籽晶上端面的间隙为1～3mm；

第三步，调节籽晶和母材的高度；通过调节籽晶和母材的高度，使籽晶上端面距成形感应器内环顶端的距离为成形感应器内环高度的1/3～1/2，使籽晶和母材在加热过程中同时熔化；当调节好籽晶和母材的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体；

第四步，加热熔化并约束成形；将10KHz～50KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从0V开始，以20V/5min的阶梯方式增加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点；当所述交变电流的电压达到240V后停止增加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温；继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式增加至位于成形感应器中的籽晶和母材同时熔化，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为10mm～20mm的圆柱状熔区；

第五步，抽拉；待熔区高度稳定后保温10-30分钟，以5μm/s～50μm/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，实现钛铝基合金的电磁成形定向凝固，从而获得钛铝基合金定向全片层组织。

Images