CN102935506B - 连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置 - Google Patents

Abstract

运载和能源工业中迫切需要耐热轻量的钛铝合金叶片，但采用传统的定向凝固装置会造成严重的杂质污染，损害叶片的塑性和韧性。为了提高现有冷坩埚定向凝固装置的效率，又能克服不能铸造形状复杂叶片的缺陷，本发明提供了一种悬浮式冷坩埚连续充填定向凝固铸造装置。水冷铜坩埚内壁环向设置一梯形凸台，坩埚外部缠绕有上感应线圈，并使凸台置于线圈内，所激发的交变磁场通过坩埚开缝向内扩散产生热区，实现料棒悬浮给液。装置中还包括置于结晶器内的抽拉杆，所述抽拉杆上端面固定有横截面为叶片形状的模壳，模壳由外部感应石墨套加热。本发明实现了金属液的悬浮熔化给液，顺序充填和定向凝固，不但避免了钛铝合金熔体与模壳的化学反应，而且提高了钛铝合金定向凝固加工效率。

Description

连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置

技术领域

本发明涉及一种冷坩埚定向凝固装置。

背景技术

一.发明的背景和意义

随着社会经济的快速发展，对具有更高性能和特殊功能的材料及加工技术提出了迫切的需求，作为时代标志的航天航空、石油化工和电力等工业部门非常需要耐高温、低密度、超高强和高弹性模量的轻质新型材料。TiAl基合金由于其低密度，良好的抗氧化性和优异的高温性能，是一种极具潜力的高温部件用材。特别是全片层组织的TiAl基合金(室温组织为γ-TiAl+α-Ti₃Al双相组织)显示了良好的综合力学性能，受到了人们的关注。

对于发动机用材，在低于760℃的工作温度下，目前TiAl基合金已被研制成先进航空发动机的涡轮叶片和导向叶片，这一方面提高了燃烧室的工作温度，可获得高的燃烧效率，另一方面减轻了发动机的自重，以降低强大的旋转离心力所带来的高工作应力，减轻了支撑件的重量，提高了零部件的整体工作寿命，最重导致飞行器自重减少。鉴于TiAl基合金在各类先进推进系统中广泛的应用前景，近年来对这类金属间化合物型合金材料的制备与加工工艺及其与组织和性能之间的关系开展了大量的研究，在改善这类合金的室温塑性、韧性，高温强度和抗高温蠕变性能等方面均有了长足进展。

但TiAl基合金叶片机械加工比较困难，成本比较高。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。因此如何能达到合金高性能化的加工要求，对TiAl基合金在航空航天等工业上的应用具有重要作用。

在长期的实验中，经研究人员仔细地观察发现合金的晶界在高温条件下是受力薄弱的地方，这是由于晶界处原子排列一般不规则，且杂质含量高，扩散较容易。这样就设想通过定向结晶和凝固的方法消除沿晶粒受力方向的横向晶界，以提高性能；进一步研究后又发现定向结晶的柱状晶，在其晶界处是裂纹容易萌生的部位，如果进一步消除晶界，将合金制成单晶，则会极大提高合金的性能，而这些必须通过定向凝固技术才能实现，因此开发新型的TiAl基合金定向凝固技术对提高TiAl基合金零部件的使用性能，加速其在航天航空、石油化工和电力等领域的应用着实具有实践意义。

目前对于TiAl基合金进行定向凝固大多采用在石墨或者Al₂O₃、Y₂O₃以及CaO等陶瓷材料制成的坩埚容器中进行，由于液态下钛金属极为活泼，几乎与所有的金属或者陶瓷材料发生反应，因此合金的杂质含量高，定向凝固组织不稳定，反而有违于改善力学性能的初衷。因此对TiAl基合金进行定向凝固的主要障碍就是如何减少合金液的污染、控制合金成分的准确性和有效的控制凝固过程。

二.本发明所涉及技术领域的发展

(一)定向凝固技术的发展

所谓定向凝固是在控制坯件内部传热、传质和流动的条件下，控制金属或晶体类材料沿固定生长方向进行凝固或者结晶的技术手段。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向相平行的一组平行柱状晶，如果能够适当控制晶粒的生长过程，例如抑制外来生核，则晶体可以长成只有一个晶粒的结晶组织，称为单晶体。由此可见定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前这种限制性凝固技术的发展，一方面为现代凝固技术的发展提供强有力的理论支撑，例如关于许多凝固现象都要依赖于定向凝固方法来系统研究，另一方面为工程上提供大量性能优异和可实用化的结构和功能材料，如定向或单晶的高温合金航空叶片、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等。定向凝固技术的优越性直接表现在可以大范围控制凝固速率，即定向凝固时材料的冷却速率可由10^-4K/·S到10⁴K/·S大范围变化，因此能实现在极慢速条件下制备平衡凝固组织到在极快条件下制备非平衡的超细或者亚稳态凝固组织的组织状态的大范围调整，又由于材料的组织状态与性能指标密切相关，所以定向凝固为材料加工过程提供了广泛的空间。当前世界上几乎所有的民用及军用先进发动机的高温合金涡轮及导向叶片，均采用定向凝固技术将其加工成柱晶或者单晶组织状态来使用，这极大地提高了其高温使用性能，这一事实体现了定向凝固技术的突出贡献，而且定向凝固是一个非常活跃的技术领域，许多新型的定向技术正处于快速发展中。

1.炉外结晶法(EP法)

炉外结晶法又叫发热剂法,是定向凝固工艺中最原始的方法之一,Versnyder等早在20世纪50年代就应用于试验中。其原理是水冷模底部采用水冷铜底座，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，浇入金属液后，在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，使铸件自下而上，实现定向凝固。由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小，而且很难控制。因此，该法只可用于制造要求不高的零件。

2.功率降低法(PD法)

在20世纪60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。采用水冷底盘，上面放一个底部开放的模壳，外面套有石墨罩，石墨上套有中间抽头的两组感应线圈，在模壳上安有热电偶，在加入熔化好的金属液前，建立所要的温度场。自下而上顺序关闭加热线圈，调节功率，使金属建立一个自下而上的温度梯度场，实现定向凝固。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。由于其生长长度受到限制，并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。

3.快速凝固法(HRS法)

快速凝固法是Erickson等于1971年提出的，其装置和功率降低法相似，不过多了一个拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点，在炉子底部设有一个挡板，上面有一个略大于铸件形状的开口，把炉子和外部分开。抽拉装置将铸件以一定的速度从炉子的开口中移出或炉子移离铸件，在空气中冷却，而炉子始终保持加热状态。这种方法避免了炉膛对已凝固层的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶较长，组织细密挺直均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。但HRS法是靠辐射换热来冷却的，获得的温度梯度和冷却速度都很有限。

4.液态金属冷却法(LMC法)

为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法的基础上，采用液态金属冷却以增大冷却效果。该方法是Giamei等于1976年提出的。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，即液态金属冷却法。模壳直接进入液态金属冷却，散热增强冷却剂与模壳迅速达到热平衡，得到很大的温度梯度。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而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，能得到比较长的单向柱晶。常用的液态金属有Ga2In合金和Ga2I n2 Sn合金，以及Sn液和Al液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产。

5.区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法)

上个世纪90年代，西北工业大学李建国等在LMC法的基础上发展了一种新型的定向凝固技术-区域熔化液态金属冷却法。该方法改变LMC法的加热方式，利用电子束或高频感应电场集中对凝固界面前沿液相进行加热，充分发挥过热度对温度梯度的贡献，从而有效地提高了固液界面前沿温度梯度，其值可达1270K/cm，所允许的抽拉速度也大为提高。用ZMLMC法可在较快的生长速率下进行定向凝固，获得一种侧向分枝生长受到抑制、一次枝晶间距超细化的定向凝固组织，即超细柱晶组织。但是，单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速度提高有限，一般很难达到亚快速凝固。

6.电磁约束成形定向凝固(EMCS)

傅恒志等人将电磁成形技术与超高梯度定向凝固技术相结合，开发出一项新型定向凝固技术-电磁约束成形定向凝固技术。得到具有柱状晶组织的铸件，同时还可实现复杂形状零件的近终成形。电磁约束成形定向凝固技术是利用感应线圈代替传统的结晶器，依靠电磁力与金属熔体的表面张力约束成形的无模连续铸造技术，由于金属熔体与铸模几乎无任何物理接触，在保持自由表面状态下逐渐凝固，从而大大改善了铸坯的表面质量，提高了成材率。同时，由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能差的陶瓷模壳，实现无接触铸造，使冷却介质可以直接作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度用于生产无(少)偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及合金。在研究中发现，电磁约束成形定向凝固虽具有十分显著的优越性，但也存在一定的难点，如:对某些比重大、电导率小的金属，实现完全无接触约束时，约束力小，不容易实现稳定的连续的凝固。对简单、对称截面的试件，感应线圈的设计相对容易，而对于复杂截面的试件，如何设计线圈，使电磁场分布合理，以得到尺寸精度合乎要求的近终形试件，比较困难。针对以上的难点，有人进一步提出了液态金属电磁软接触成形定向凝固工艺。该工艺的基本原理为:利用交变电磁场将金属在结晶器内熔化，将试样直接拉出结晶器，同时在结晶器下部冷却试样的已拉出部分以形成一维温度场，得到内部组织为柱状晶的试样。与电磁自约束定向凝固技术相比，该工艺继承了其加热密度高、冷却强度大、温度梯度高、有利于形成细密状晶的特点。同时又吸取了定向凝固技术截面形状可控、尺寸精度高的优点。但与电磁约束定向凝固相比，由于结晶器与熔体接触，试样的二次污染有所增加。

7.深过冷定向凝固技术(SDS)

液态金属深过冷技术即通过采取人为措施，最大限度地消除器壁和熔体中非自发形核质点的异质形核作用，使熔体的形核过冷度大幅度提高。深过冷快速凝固严重偏离热力学平衡状态，从而使晶体的形核、生长以及最终的凝固组织和力学性能均发生较大的变化。20世纪80年代初，国外学者通过改进冷却条件获得了近100K的动力学过冷熔体，在施加很小温度梯度后，最终获得了的MAR-M-200高温合金试棒，并分别测试了动力学过冷定向凝固试样与传统定向凝固试样的拉伸、蠕变强度等。结果显示动力学过冷定向凝固试样的室温、高温力学性能相似或优于传统试样的拉伸、蠕变强度等。不久后，西北工业大学李德林等开展了深过冷激发快速定向凝固技术研究，并且取得了较为满意的实验结果。深过冷熔体凝固速度很快，凝固时间很短，达到了快速凝固范围，可大幅度提高生产效率，改善组织和性能。但深过冷熔体激发快速定向凝固技术能否成为一种实用的凝固技术(或工艺)，还需解决两个问题。一是研究不同过冷度条件下，过冷熔体激发形核后晶体生长方式和组织形成规律。确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。其次是在上述研究结果的基础上最终解决大体积深过冷熔体激发快速定向凝固技术，使之实用化。

(二)电磁冷坩埚技术原理和特点

冷坩埚由数个分瓣状的金属块组成(金属块通常为铜，因为其导热效果好并且价格低廉)，块与块之间用陶瓷材料填充，把冷坩埚置于交变磁场中，每个分瓣由于彼此之间绝缘不构成回路，因此每个分瓣都产生感应电流，当施加的交变电流I为顺时针方向时，在分瓣中就会产生一个与之方向相反的电流回路I’，在相邻的两个分瓣处，电流方向是相反的，因此各个分瓣产生的磁场会彼此增强。这个增强的磁场就会对置于坩埚内部的金属产生感应作用使其熔化，与此同时分瓣内的电磁场，和金属熔体表面的涡流产生的磁场会对金属有个推力的作用，使其向内部靠拢，从而很大程度上降低了其与坩埚壁接触的面积，甚至完全不接触。当分瓣瓣数达到一定个数以后，坩埚内部的磁场就会达到最佳效果，这时对金属的感应加热效果最好，并且由于上述两个地方地电磁场对熔体的推力使其剧烈搅动，因此金属熔体内部的溶质成分非常均匀，温度也比较均匀，过热度一致。

电磁冷坩埚技术在熔炼和约束成型方面有如下特点：

(1)由于熔体与冷坩埚壁呈软接触或非接触，形成一个厚度很薄的凝壳，在凝壳内部的熔体凝固后可以无污染或少污染。

(2)由于电磁力的强力搅拌作用，熔体成分均匀程度很高。

(3)坩埚在使用过程中始终是处于冷态，在熔炼高熔点和高活性金属时又不和坩埚壁接触或少接触，减少了对坩埚的腐蚀，因此使坩埚使用寿命大大延长。

(4)适合熔炼难熔金属、活泼金属、放射性材料等[10]。

(三)TiAl基合金的定向凝固

由于钛铝合金属于金属间化合物，在熔融状态下合金中的高活性元素钛可以与目前市场上常用的绝大多数材质如氧化铝、石墨、氮化硼等的坩埚发生化学反应，因此当钛铝合金重熔、铸造、尤其是保持长时间的熔融状态时，需要用惰性极高的材料将其与盛放它的铸模、坩埚等隔绝开来，以防止高温化学反应引起的熔体不纯甚至产生的危险。钛铝合金的普通定向凝固过程中不可避免要使用坩埚，如果坩埚材料与定向凝固钛铝合金重熔时发生化学反应，势必会造成定向凝固钛铝合金化学成分偏离原合金成分，严重时还会烧穿坩埚，使定向凝固工艺失败。要将定向凝固钛铝合金推向航空发动机叶片等的应用，定向凝固用坩埚还必须满足不规则外形的钛铝合金进行定向凝固工艺处理的需要。

电磁冷坩埚定向凝固技术非常适用于TiAl基合金定向凝固组织的制备。水冷铜坩埚外部环绕高频感应线圈，坩埚内放有原料底托和送料棒，底托与抽拉系统相连，并且浸入GaIn合金冷却液中。在感应线圈上施加高频电流后在坩埚内产生高频电磁场，原料底托与上送料棒表面产生感应涡流生成大量焦耳热熔化。电磁推力将熔体推向坩埚中心形成驼峰。保温一定时间，驼峰熔体过热度到达一定要求后，即可调节底托与上送料棒的速度进行抽拉。抽拉过程中，上送料速度与底托抽拉速度保持固定的比例，从而保证凝固的金属部分源源不断的得到下落金属熔体的补充，从而保证固液界面位置相对稳定。合金在GaIn合金的冷却作用下获得自上而下的热流，合金沿热流反向不断凝固，最终获得稳定的定向凝固组织。但是这种方法的缺点在于受到坩埚形状的限制，难以成型复杂形状的定向凝固组织。

综上，传统的定向凝固装置，金属熔体与陶瓷模壳之间需要长时间的接触，使用冷坩埚定向凝固的装置虽然避免了模壳材料对金属熔体的污染，但是无法成形出复杂形状的铸件，另外，传统的定向凝固冷坩埚采用的是上下直通式结构，无法获得悬浮熔炼的效果。

发明内容

运载和能源工业中迫切需要耐热轻量的钛铝合金叶片，但采用传统的定向凝固装置会造成严重的杂质污染，损害叶片的塑性和韧性。为了提高现有冷坩埚定向凝固装置的效率，又能克服不能铸造形状复杂叶片的缺陷，本发明提供了一种悬浮式冷坩埚连续充填定向凝固铸造装置，可较好地解决上述问题。

所述目的是通过如下方案实现的：

连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，包括封闭的炉体、送料杆、料棒、水冷铜坩埚、感应线圈、抽拉杆、结晶器、冷却剂材料，位于炉体内的料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，料棒的下端部伸在水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚为开缝结构，水冷铜坩埚外部缠绕有上感应线圈用于激发交变磁场并通过开缝向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，抽拉杆置于结晶器内，所述水冷铜坩埚内壁环向设置梯形凸台，所述梯形凸台置于上感应线圈的感应区内；所述抽拉杆上端固定有横截面为叶片坯件形状的模壳，所述模壳外面设置有石墨发热体，所述石墨发热体外面包裹有隔热保温层，所述隔热保温层外面设置有下感应线圈，所述模壳置于水冷铜坩埚的正下方。

所述梯形凸台具有上倾斜表面，所述上倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

所述梯形凸台还具有下倾斜表面，所述下倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

水冷铜坩埚外部的上感应线圈环绕成为内径67～70mm的线圈4匝，隔热保温层外面的下感应线圈环绕成为内径108～112mm的线圈4匝。

水冷铜坩埚的高度为100mm，从距坩埚底部15mm开设开缝，开缝长度为65mm。

水冷铜坩埚的外径为64mm，坩埚的壁厚为13～15mm。

所述开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。

所述石墨发热体和隔热保温层的上下表面固定有防止热量散失的隔热档板。

感应线圈采用外径9.5～10.5mm、内径5.5～6.5mm的T3铜管制成，铜管外面包裹环氧树脂和聚四氟乙烯带，高温部分再包裹陶瓷纤维带进行隔热处理。

所述模壳为上下通透的环状型壳，环状型壳的下端边缘通过连接杆固定于抽拉杆上，位于抽拉杆上端的环状型壳内预先设置了底料。

本发明在坩埚内腔设置梯形凸台，在凸台上部熔化料棒，下部制备定向凝固组织，凸台的加入可以增大熔化金属时在轴向方向上的悬浮力。在冷坩埚熔炼过程中，悬浮力起着很重要的作用，当熔体熔化时，在表面张力和悬浮力的共同作用下，并不是立即下落，而是继续悬浮于坩埚内，这样就可以进一步的增加过热时间，提高熔体下落时的温度，此外悬浮力的存在还在一定程度上减小了熔体下落过程中带来的冲击，有利于界面前沿的稳定，有效地减轻金属熔体与坩埚壁接触的程度。

综上，本发明实现了金属液的悬浮熔化给液，顺序充填和定向凝固，不但避免了钛铝合金熔体与模壳的化学反应，而且提高了钛铝合金定向凝固加工效率。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构示意图。

图3是冷坩埚的结构示意图。

图4是图3的A-A剖视图。

其中，1-送料杆，2-真空系统，3-棒料，4-冷坩埚开缝，51-上感应线圈，52-下感应线圈，6-隔热挡板，7-接线盘，8-补偿导线，9-测温巡检仪，10-紧固螺栓，11-热电偶，12-模壳，13-连接杆，14-冷却出水口，15-冷却剂材料，16-结晶器，17-抽拉杆，18-坩埚屏蔽环，20-真空室，21-固定电极，22-隔热保温层，23-石墨发热体，25-冷却水入口，26-液态TiAl基合金，27-定向凝固组织，28-凸台，281-凸台上倾斜表面，282-下倾斜表面，29-底料。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。

实施例一

连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，包括封闭的炉体、送料杆、料棒、水冷铜坩埚、感应线圈、抽拉杆、结晶器、冷却剂材料，位于炉体内的料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，料棒的下端部伸在水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚为开缝结构，水冷铜坩埚外部缠绕有上感应线圈用于激发交变磁场并通过开缝向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，抽拉杆置于结晶器内，所述水冷铜坩埚内壁环向设置梯形凸台，所述梯形凸台置于上感应线圈的感应区内；所述抽拉杆上端固定有横截面为叶片坯件形状的模壳，模壳为上下通透的环状型壳，环状型壳的下端边缘通过连接杆固定于抽拉杆上，位于抽拉杆上端的环状型壳内预先设置了底料。所述模壳外面设置有石墨发热体，所述石墨发热体外面包裹有隔热保温层，所述隔热保温层外面设置有下感应线圈，所述模壳置于水冷铜坩埚的正下方。

所述梯形凸台具有上倾斜表面和下倾斜表面，所述上下倾斜表面与水平面间的夹角都为30～60°。坩埚内部Z向磁感应强度的大小与坩埚内部锥角角度(梯形凸台的上下倾斜表面分别与水平面间的夹角)有关，将内部不同锥角的坩埚施加相同的电流，通过对比发现，内部带有锥角的坩埚的磁感应强度大于内部直筒形(即呈90°角)坩埚内部的磁感应强度，且随着锥角的增大有着逐渐增大的趋势，因此最终确定上下倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°，可以是35度、40度、45度、50度、55度、60度，优选45度。

水冷铜坩埚外部的上感应线圈环绕成为内径67～70mm的线圈4匝，隔热保温层外面的下感应线圈环绕成为内径108～112mm的线圈4匝。上感应线圈和下感应线圈都采用外径9.5～10.5mm、内径5.5～6.5mm的T3铜管制成，铜管外面包裹环氧树脂和聚四氟乙烯带，高温部分再包裹陶瓷纤维带进行隔热处理。

在考虑坩埚高度设计时要注意两点，一要保证坩埚内熔体顺利熔化，由于坩埚顶部设置了屏蔽环，大大减弱了坩埚内上部的磁场强度，如果坩埚的高度过低会影响内部金属的熔化。二要尽量使金属在靠近梯形台的位置最先熔化，通过设置合理的坩埚高度和线圈高度确保坩埚内熔体在梯形台附近获得最大的悬浮推力。综合以上两点考虑最终将坩埚设计高度为100mm，如图3所示，从距坩埚底部15mm开设开缝，开缝长度为65mm。

由于感应线圈的功率有限，为了尽可能的提高作用在坩埚内料棒的有效功率，在确保能够实现加工制造的前提下应尽可能的减小坩埚的半径，同时考虑到将来制造零件的尺寸，将冷坩埚的外径设计为64mm，在确定坩埚壁厚的时，应考虑到坩埚内冷却水道的大小，壁厚太大会减弱坩埚内部的磁场，壁厚太小会给加工增大难度，水道与坩埚壁之间的间隙过小甚至会导致在熔炼过程中坩埚壁的烧穿，使坩埚损坏，将坩埚的壁厚设为13～15mm，优选14mm。

坩埚的开缝形状会对坩埚内的磁场产生影响，通过试验发现，在使用矩形开缝形式，线圈上载荷100A电流时，坩埚中心线处的轴向磁感应强度BZ最大值为1.4mT左右，而当将矩形缝与三角形缝组合使用时(如图4所示)，同样的载荷条件下，中心线的轴向磁感应强度BZ最大值超过3.5mT，是原有开缝形式下的2.5倍，相对应的磁感应强度B也有大幅的增加。可见通过改变坩埚开缝的形状，适当扩大坩埚的开缝间距也是一种提高坩埚效率的有效手段，因此本发明要求开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。

所述石墨发热体和隔热保温层的上下表面固定有防止热量散失的隔热档板。

工作时，先将Φ20mm的Ti46Al2Cr2Nb合金棒料连接在上送料杆上，将模壳使用连接杆与抽拉杆连接，并将模壳高度调整至合适位置，在盛有GaIn液态合金的结晶器上部放置隔热挡板，在隔热挡板上放置感应石墨发热体，在发热体外包覆保温材料，在石墨顶部同样放置隔热挡板。将感应线圈与固定电极相连，安放冷坩埚至合适位置，将冷坩埚的冷却水管与炉体上的进出水管使用紧固螺栓相连，将用于测量温度的热电偶使用补偿导线。检查料棒坩埚线圈的相对位置，确定无误后，关闭真空室炉门，启动真空系统，将真空室内气压抽至0.5Pa，然后充入高纯氩气至300Pa，反复数次。启动水泵，向冷坩埚的进水管与感应线圈中通入冷却水，接通电源，在感应线圈上通入频率为50KHz电流。注意观察炉内温度变化，缓慢增大电流。当电流增大至120A时，炉内温度稳定在1500°C左右，启动抽拉送料系统电机，将上送料速度定为1mm/min，抽拉速度定为1.78mm/min，下拉40mm距离后停止抽拉，关闭电源，待完全冷却后，打开炉门敲碎模壳取出铸件。图3为进行实验时的图片。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于，如图2所示，所述梯形凸台只具有上倾斜表面。其它与实施例一相同。

Claims (7)

1.连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，包括封闭的炉体、送料杆、料棒、水冷铜坩埚、感应线圈、抽拉杆、结晶器、冷却剂材料，位于炉体内的料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，料棒的下端部伸在水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚为开缝结构，水冷铜坩埚外部缠绕有上感应线圈用于激发交变磁场并通过开缝向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，抽拉杆置于结晶器内，其特征在于：所述水冷铜坩埚内壁环向设置梯形凸台，所述梯形凸台置于上感应线圈的感应区内；所述抽拉杆上端固定有横截面为叶片坯件形状的模壳，所述模壳外面设置有石墨发热体，所述石墨发热体外面包裹有隔热保温层，所述隔热保温层外面设置有下感应线圈，所述模壳置于水冷铜坩埚的正下方；水冷铜坩埚外部的上感应线圈环绕成为内径67～70mm的线圈4匝，隔热保温层外面的下感应线圈环绕成为内径108～112mm的线圈4匝；所述石墨发热体和隔热保温层的上下表面固定有防止热量散失的隔热档板；感应线圈采用外径9.5～10.5mm、内径5.5～6.5mm的T3铜管制成，铜管外面包裹环氧树脂和聚四氟乙烯带，高温部分再包裹陶瓷纤维带进行隔热处理。

2.根据权利要求1所述的连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，其特征在于所述梯形凸台具有上倾斜表面，所述上倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

3.根据权利要求2所述的连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，其特征在于所述梯形凸台还具有下倾斜表面，所述下倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

4.根据权利要求1所述的连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，其特征在于水冷铜坩埚的高度为100mm，从距坩埚底部15mm开设开缝，开缝长度为65mm。

5.根据权利要求1所述的连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，其特征在于水冷铜坩埚的外径为64mm，坩埚的壁厚为13～15mm。

6.根据权利要求1所述的连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，其特征在于所述开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。

7.根据权利要求1所述的连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，其特征在于所述模壳为上下通透的环状型壳，环状型壳的下端边缘通过连接杆固定于抽拉杆上，位于抽拉杆上端的环状型壳内预先设置了底料。