CN103562663B - 用于铸造金属材料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种熔化和铸造设备的特定实施例包括熔化炉膛；与所述熔化炉膛流体连通的精炼炉膛；与所述精炼炉膛流体连通的接收容器，所述接收容器包括限定出第一熔融材料路径的第一流出区域和限定出第二熔融材料路径的第二流出区域；以及至少一个熔化电源，取向成将能量导向所述接收容器，并调节熔融材料沿所述第一熔融材料路径和所述第二熔融材料路径的流动方向。还公开了用于铸造金属材料的方法。

Description

用于铸造金属材料的系统和方法
技术领域
本发明涉及冶金学领域。具体地说，本发明涉及用于制造钛合金和其它金属材料的改进的铸造系统和方法。
背景技术
钛及其合金是在许多高要求应用(包括军事承包、海军构造、飞机构造和其它航空应用)中使用的相当重要的高性能材料。鉴于这些应用的重要性和所述应用中使用的制品所经受的极端条件，制成物品的金属和金属合金(本文中统称为“金属材料”)的机械特性和其它特性具有相当高的重要性。通常几乎不允许改变这些应用中所使用的金属材料的特性。例如，由高性能钛合金制造铸锭的传统实践包括用于检测铸锭的夹杂物和特定其它铸造缺陷并将其从铸锭移除的耗时且昂贵的技术。
一般来说，夹杂物为悬浮在铸造金属材料的金属基质中的隔离颗粒。在许多情况下，夹杂物的密度不同于周围材料的密度并且可对铸造材料的整体完整性产生有害影响。这继而可导致由所述材料组成的部件龟裂或断裂并且可能导致灾难性故障。不幸的是，铸造金属材料中的夹杂物一般不为人类肉眼所见，且因此在制造过程期间且在最终部件中难以检测到。一旦检测到夹杂物，夹杂物的性质和/或最终部件的机械要求即可确定废弃铸造材料的全部或相当大的一部分。在其它情况下，夹杂物的不连续区域可通过研磨或其它加工操作来移除，或材料可被降格到要求较低的应用中。检测铸造高性能钛合金和其它铸造金属材料中的夹杂物并将其移除的过程需要大量时间，成本可能很高，并且可能大大降低产出。
铸锭中夹杂物的存在受铸造材料的方式的影响。例如，夹杂物可能由制造期间合金的不充分或不适当加热或混合而引起。因此，改进钛合金和其它金属材料锭的铸造方法和设备可减少或消除有问题的夹杂物在铸件中的存在率。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种熔化和铸造设备，包括熔化炉膛、与熔化炉膛流体连通的精炼炉膛以及与精炼炉膛流体连通的接收容器。接收容器包括限定出第一熔融材料路径的第一流出区域以及限定出第二熔融材料路径的第二流出区域。至少一把电子束枪取向成将电子导向接收容器，并调节熔融材料沿第一熔融材料路径和第二熔融材料路径的流动方向。
本公开的另一方面涉及一种熔化和铸造设备，包括熔化炉膛、与熔化炉膛流体连通的精炼炉膛以及与精炼炉膛流体连通的接收容器。接收容器包括限定出第一熔融材料路径的第一流出区域以及限定出第二熔融材料路径的第二流出区域。至少一个熔化电源取成来将能量导向接收容器，并调节熔融材料沿第一熔融材料路径和第二熔融材料路径的流动方向。
本公开的其它方面涉及一种铸造金属材料的方法。所述方法包括提供熔融金属材料，以及使熔融金属材料沿着包括限定出不同熔融材料路径的至少两个流出区域的接收容器流动，其中，每个流出区域与不同铸造位置相关。所述方法还包括选择性地加热所述至少两个流出区域之一上的金属材料，从而引导熔融金属材料沿着由加热的流出区域所限定的流径流动。
本发明的其它应用领域将从下文提供的详细描述变得显而易见。应明白，尽管详细描述和本文中的任何特定示例指示本发明的特定实施例，但是仅意在说明目的且不意在限制本发明的范围。
附图说明
将从下文详细说明和附图中更全面地理解本发明，附图不一定按比例绘制，其中：
图1是从第一角度观看的根据本公开的铸造系统的非限制性实施例的示意图；
图2是从第二角度观看的图1所示铸造系统的示意图，示出铸锭；
图3是从图2的角度观看的图1所示铸造系统的示意图，其中，铸造腔和相关腔的壁以及路径已经被移回以暴露铸造腔的内部；
图4A和图4B是示意性示出图1所示铸造系统的熔化腔和铸造腔的内部的顶视图，其中，指示出从接收容器到替代坩埚中的替代熔融材料流径；
图5是图1所示铸造系统的正视图，其中示出底板通道内的单独铸造模具；
图6是图1所示铸造系统的侧视图，其中示出底板通道内的单独铸造模具；以及
图7A到图7E示意性地示出根据本公开的接收容器构造的各替代实施例的顶视图。
具体实施方式
如本文一般所使用的，冠词“一个”和“所述”是指“至少一个”或“一个或多个”，除非另有指示。
如本文一般所使用的，术语“包含”和“具有”意指“包括”。
如本文一般所使用的，术语“约”是指鉴于测量的性质或精度，所测量的数量的误差的可接受程度。误差的典型的示例性程度可在给定值或值范围的20%、10%或5%内。
本文所述的全部数值数量在全部示例中将被理解为用术语“约”修饰，除非另有指示。本文公开的数值数量是近似的且每个数值意指所述值和所述值周围的功能等效范围。最后，并非试图将等效物的理论的应用限于权利要求书的范围，每个数值应至少根据所报告的有效数字的位数以及通过应用一般的四舍五入法来解释。尽管本文所述的数值数量的近似值是如此，但是在实际测量值的特定示例中描述的数值数量尽可能精确地报告。
本文所述的全部数值范围包括归入其中的全部子范围。例如，范围“1到10”意在包括介于其间的全部子范围并且包括所述最小值1和所述最大值10。本文所述的任何最大数值极限意在包括全部较低数值极限。本文所述的任何最小数值极限意在包括全部更高数值极限。
在下文描述中，陈述特定细节来提供对本文所述物品和方法的各个实施例的透彻理解。然而，本领域一般技术人员将了解本文所述的实施例可在不具有这些细节的情况下实行。在其它示例中，与所述物品和方法相关的众所周知的结构和方法可能不会示出或不会进行详细描述以免不必要地混淆本文所述的实施例的描述。而且，本公开描述物品和方法的各个实施例的各个特征、方面和优点。然而，应明白本公开包括许多替代实施例，可通过以本领域技术人员可能发现有用的任何组合或子组合来组合本文所述的各个实施例的各个特征、方面和优点中的任何一个而实现替代实施例。
例如钛合金和特定其它高性能合金的锭的铸造鉴于制造期间存在的极端条件和包括在合金中的材料的性质而可能是昂贵的并且在工艺上是困难的。在许多当前可用的冷炉膛铸造系统中，例如在惰性氛围中熔化的等离子弧或在真空熔化腔中熔化的电子束用于熔化回收废料、母合金和其它原材料并将其混合以制造所要合金。这两个铸造系统利用可包含高密度或低密度夹杂物的材料，其继而会造成品质较低且可能不稳定的热量或锭。被认为不稳定的铸造材料经常可被熔化且重新使用，但这类材料通常会被认为品质较低并且在市场上价值较低。因此，合金制造商根据预期输入到等离子和电子束铸造系统中的材料在每个热量/锭上承担相当大的货币风险。
在利用等离子弧熔化或电子束熔化的铸造系统中，火把或火药的不适当施加可导致加热不足或加热过度，并且会产生夹杂物可幸存于熔化产品中的情况。这些特定类型的夹杂物是基合金材料和氛围气体(例如，氮气或氧气)之间接触的结果。电子束冷炉膛铸造系统被开发用来减小这些夹杂物可幸存于最终熔化产品中的可能性。
电子束冷炉膛铸造系统通常利用结结合基于流体的冷却系统的铜炉膛来将炉膛的温度限制为低于铜材料的熔化温度的温度。虽然基于水的冷却系统是最常见的，但是其它系统(诸如基于氩气的冷却系统)也可结合到冷炉膛中。冷炉膛系统至少部分使用重力来通过将夹杂物从驻留在炉膛内的熔融材料移除而精炼熔融金属材料。当材料混合且在冷炉膛内流动时，密度相对较低的夹杂物在熔融材料的顶部漂浮一段时间，并且暴露的夹杂物可通过铸造系统电子束中一个或多个而重新熔化或蒸发。密度相对较高的夹杂物沉到熔融材料的底部并靠近铜炉膛沉淀。由于与冷炉膛接触的熔融材料通过炉膛的基于流体的冷却系统的作用而得到冷却，所以材料冻结而在炉膛底面上形成固态涂层或“渣壳”。渣壳保护炉膛的表面免受炉膛内的熔融材料的影响。将夹杂物截留在渣壳内会从熔融材料去除夹杂物，从而形成纯度较高的铸件。
尽管电子束冷炉膛铸造系统提供许多优点，但是这类系统一次仅可制造一轮(run)或一锭熔融材料。一旦在熔化系统的铸造模具内部达到退出长度(withdrawallength)，所述轮即完成，铸造系统关闭并准备下一轮和下一锭。下一铸造轮的准备包括阻止熔融材料流到坩埚以及在从铸造模具系统完全提取锭之前使锭冷却并凝固。在铸造轮之间冷却内部熔化系统期间，形成在内部熔化腔壁上的沉积物可变松并且掉到炉膛中。这些沉积物可在后续轮中结合到驻留在炉膛中的熔融材料中并且结合到那些轮中产生的锭中。这在熔化系统循环内的后续熔化轮/锭中引起很大的品质控制问题。
良好混合的熔化合金产生组分更均匀的最终铸造产品。此外，与当前等离子加热的系统非常类似，在熔化循环之间或期间停止铸造过程会产生有助于后续轮/加热中组分铸造的化学成分变化的条件。例如，在钛合金铸件的制造期间，干预常规电子束铸造系统的操作可促进铝蒸发，并且铝的沉积物在真空熔化腔内的较冷表面上冷凝。冷凝物可掉回到熔融材料中，可能在最终铸件中形成富含铝的夹杂物。
根据本公开的电子束冷炉膛铸造系统的实施例解决了与常规电子束冷炉膛铸造系统相关的缺点。根据本公开的非限制性实施例，铸造系统包括：熔化腔；布置在熔化腔内且使原材料熔化的熔化炉膛；精炼炉膛，可以是冷炉膛，与熔化炉膛流体连通；接收容器，与精炼炉膛流体连通；至少一个熔化电源；真空生成器；基于流体的冷却系统；多个铸造模具；以及电源。在本公开的一个非限制性实施例中，铸造系统包括：熔化腔；布置在熔化腔内且使原材料熔化的熔化炉膛；精炼炉膛，优选是冷炉膛，与熔化炉膛流体连通；接收容器，与精炼炉膛流体连通；多把(即，两把或更多把)电子束枪；真空生成器；基于流体的冷却系统；多个铸造模具；以及电源。尽管熔化炉和铸造系统以及本文所述的各个涉及的部件的设计可由任何合适供应商担保，但是在阅读了对本文主题的描述后，一般技术人员将明白可行的供应商。
尽管下文描述以及特定附图中示出的根据本公开的铸造系统的下列非限制性实施例结合一把或多把电子束枪，但是应了解其它熔化电源在铸造系统中可用作材料加热装置。例如，本公开还设想使用一个或多个等离子生成装置的铸造系统，一个或多个等离子生成装置生成高能等离子，并通过使材料与生成的等离子接触而加热铸造系统内的金属材料。
如一般技术人员所知，电子束铸造系统的熔化炉膛经由熔融材料流径与系统的精炼炉流体连通。原材料被引入熔化腔和其中的熔化炉膛中，并且一个或多个电子束冲击在材料上并将材料加热到其熔点。为了允许适当操作一把或多把电子束枪，至少一个真空生成器与熔化腔相关，并且在腔内提供真空条件。在特定非限制性实施例中，入口区域也与熔化腔相关，原材料通过入口区域可被引入熔化腔中并熔化，且初始布置在熔化炉膛内。入口区域可包括例如用于将材料运输到熔化炉膛的输送系统。如本领域中已知，被引入到铸造系统的熔化腔中的原材料可呈多种形式，比如松散粒状材料(例如，海绵状物、碎片和母合金)或已经被焊接成条形或其它合适形状的块状固体。因此，入口区域可设计为处理预期由铸造系统利用的特定原材料。
一旦原材料在熔化炉膛中熔化，熔融材料可在熔化炉膛中保持一段时间以更好地确保完全熔化和均匀性。熔融材料经由熔融材料路径从熔化炉膛移动到精炼炉膛。精炼炉膛可位于熔化腔或另一真空壳体内，并由真空系统维持在真空条件下以允许适当地操作与精炼炉膛相关的一个或多个电子束枪。尽管可使用基于重力的移动机构，但是还可使用机械移动机构来帮助将熔融材料从熔化炉膛输送到精炼炉膛。一旦熔融材料被布置在精炼炉膛中，材料便通过至少一把电子束枪在合适高温下经受连续加热达足够时间以可接受地精炼材料。一把或多把电子束枪再次以足够功率将材料以熔融状态维持在精炼炉膛中，并且还以足够功率蒸发或熔化出现在熔融材料表面上的夹杂物。
熔融材料被保持在精炼炉膛中达足够时间以从材料去除夹杂物并且另外精炼材料。例如，可根据熔融材料中的夹杂物的组分和普遍性选择在精炼炉膛内的相对较长或相对较短的驻留时间。一般技术人员可容易确定合适驻留时间来在铸造操作期间提供熔融材料的适当精炼。优选地，精炼炉膛是冷炉膛，并且熔融材料中的夹杂物可通过下列过程移除，包括：在熔融材料中分解；掉落到炉膛底部并且变成夹带在渣壳中；和/或通过电子束在熔融材料表面上的作用而蒸发。在特定实施例中，被导向精炼炉膛的电子束枪跨过熔融材料的表面以预定模式扫描来产生混合作用。可视需要提供一个或多个机械移动装置来提供混合作用或补充通过扫描电子束生成的混合作用。
一旦被适当精炼，熔融材料经由重力和/或通过机械方式沿着熔融材料路径到达由耐受熔融材料热量的材料制造的接收容器。在一个非限制性布置中，接收容器位于包围熔化炉膛和精炼炉膛的真空腔内，并在铸造期间被维持在真空条件下。在替代实施例中，接收容器位于分立铸造腔内，并被维持在真空条件下。接收容器可通过其自身的真空生成器被维持在真空条件下，或者可依靠由给包封熔化炉膛和/或精炼炉膛的腔提供真空条件的一个或多个真空生成器生成的真空。一把或多把电子束枪定位在包围接收容器的壳体上，并使电子束冲击在接收容器中的熔融材料上，从而将材料以熔融状态维持在接收容器中。如上所述，设想的是，替代熔化电源(比如等离子生成装置)可在铸造系统中用作材料加热装置以通过施加高能等离子来加热和/或精炼金属材料。
参考图1-3可更好地理解上述元件的布置，图1到图3示意性地示出根据本公开的铸造系统10的非限制性实施例。铸造系统10包括熔化腔14。电子束枪16形式的多个熔化电源关于熔化腔14定位，并适于将电子束引导到熔化腔14的内部。真空生成器18与熔化腔14相关。铸造腔28定位为邻近熔化腔14。若干电子束枪30定位在铸造腔28上，并适于将电子束引导到铸造腔28的内部。原材料(例如，其可呈小块材料、块状固体、母合金和粉末的形式)可通过能接近腔内部的一个或多个入口区域而被引入到熔化腔14中。例如，如图1到图3中所示，入口腔20和21均包括接近口(access hatch)，并与熔化腔14的内部连通。在铸造系统10的特定非限制性实施例中，入口腔20可以适当地适于允许将粒状和粉末状原材料引入熔化腔14中，入口腔21可以适当地适于允许将条状和其它块状固体原材料引入熔化腔14中。(图1-3中仅示出入口腔20和21以简化附图。)
如图3所示，铸造腔28的可平移侧壁32可从铸造腔28拆卸并从铸造系统10移走，从而暴露铸造腔28的内部。熔化炉膛40、精炼炉膛42和接收容器44连接到可平移侧壁32，且因此可平移侧壁32、熔化炉膛40、精炼炉膛42和接收容器44的整个装配件可从铸造系统10移走，从而暴露铸造腔28的内部。熔化炉膛40、精炼炉膛42和接收容器44的布置可见于图3以及图4A和图4B中。图4A和图4B是示出熔化腔14和铸造腔28的内部的顶视图，其中可平移侧壁32以及相关熔化炉膛40、精炼炉膛42和接收容器44处在铸造系统10中的适当位置。可平移侧壁32可从铸造腔28移走以允许接近例如熔化炉膛40、精炼炉膛42和接收容器44中的任何一个，并且接近熔化腔14和铸造腔28的内部。而且，在一个或多个铸造轮之后，可平移侧壁、熔化炉膛、精炼炉膛和接收容器的特定装配件可由这些元件的不同装配件代替。
特别参考图4A和图4B，熔融材料从接收容器44流进定位在接收容器44相对两侧的、标记为“A”和“B”的两个铸造模具48中的一个或另一个中。因此，接收容器44“接收”来自精炼炉膛42的熔融材料，并将熔融材料输送到选定的铸造模具48。优选地，接收容器44相对于精炼炉膛42是静止或固定的，而非“倾斜”容器，这是因为已经观察到适于向一侧或另一侧倾斜的接收容器导致额外的磨损，并且因此可能需要进行更频繁的维护。在特定非限制性实施例中，接收容器44包括用来更好地防止飞溅和溢出的高侧壁，以及两个相对定位的注口46。在铸造操作期间，每个注口46定位在退出模具(withdrawal mold)或另一类型的铸造模具或坩埚的开口上方，以将熔融材料铸造成锭或其它铸造物品。在一个可行的非限制性布置中，至少一把电子束枪定位在接收容器44上方，并在特定实施例中大致定位在每个注口46与接收容器44的中心之间，使得由两把电子束枪中的每一把发射的电子束可冲击位于接收容器44的一半上的材料。
熔化炉膛40、精炼炉膛42和接收容器44的一个可行非限制性布置示于图4A和图4B中，且部分示于图3中。精炼炉膛42与接收容器44的一侧的中心区域流体连通。接收容器44包括位于其相对两个末端的注口46，铸造模具48可定位在每个注口46下方。精炼炉膛42相对于接收容器46的取向在从上方观看时大致形成“T”形。如图4A和图4B的非限制性实施例所示，铸造模具48可定位成紧邻接收容器44，使得模具48从接收容器44接收熔融材料而无需接收容器44倾斜来到达模具48。在特定非限制性实施例中，铸造模具48放置为相隔一定距离，所述距离被选择成防止打算在一个特定铸造模具48中铸造的熔融或部分熔融材料溅到另一铸造模具中。这种布置允许在铸造期间更好地控制锭或其它铸造物品中的化学成分和热量分布。精炼炉膛42和接收坩埚44的大致T形的布置(其中注口46位于接收坩埚46的相对末端)允许铸造模具48隔开一定距离，所述距离更好地确保打算用于一个铸造模具48的飞溅的熔融或部分熔融材料不会进入另一铸造模具48。
如图4A和图4B所示，熔融材料可通过选择一条或另一条熔融材料流径而流到铸造模具48中的一个或另一个。图4A示出一条熔融材料路径，其从熔化炉膛40到精炼炉膛42、到接收容器44，接着沿由接收容器44的右区域(如图中所取向)所限定的第一流出区域从位于接收容器44右区域上的注口46流入铸造模具A中。图4B示出替代熔融材料流径，其中熔融材料从熔化炉膛40流到精炼炉膛42、接收容器44，接着沿由接收容器44的左区域(如图中所取向)所限定的第二流出区域从位于接收容器44左区域上的注口46流入铸造模具B中。
铸造系统10可构造成熔融材料仅沿一条期望流径(沿着特定期望流径A或B)流到一个或另一个(左或右)注口46。铸造腔28内的电子束枪30布置成在启动时，所发射的电子束激发，从而加热仅位于接收容器44的一侧或另一侧或两侧上的材料并将材料维持在熔融状态，仅打开流径A、仅打开流径B、或打开两条流径。优选地，当一把电子束枪起作用并且沿着接收容器44上的一条流径加热材料时，另一电子束枪不起作用并且不沿着接收容器44上的另一流径加热材料。位于未被起作用的电子束枪加热的接收容器44一侧的熔融材料冷却并凝固，从而产生防止熔融材料沿着所述未被加热的流径流动的障碍物。因此，熔融材料被引导为朝向被电子束积极加热的接收容器44一侧流动，并且仅沿着横跨接收容器的所述侧的流径流入邻近的铸造模具48中。当然，结合除电子束枪以外的熔化电源(比如等离子生成装置)作为材料熔化装置的根据本公开的铸造系统可以类似方式操作，其通过利用特定熔化电源作为材料加热装置来选择性地加热接收容器的区域上的材料以允许熔融材料仅沿着特定期望流径流动。
操作员可在特定铸造轮期间选择第一流径且接着随后选择第二流径，从而允许一个铸造轮包括例如在第一铸造模具(诸如图4A中标注为“A”的铸造模具48)中铸造第一锭或其它铸造物品，接着及时在第二铸造模具(诸如图4B中标注为“B”的铸造模具48)中铸造第二锭或其它铸造物品。此类操作可以是连续的，而无需在第一铸造模具、第二铸造模具等中铸造连续锭或其它铸造物品期间关闭铸造系统10。
而且，鉴于在两个或两个以上锭或其它铸造物品的这种连续铸造轮期间在任一次仅使用一个铸造模具，可在使用不同铸造模具时准备当前未被使用的一个或多个铸造模具用来接收熔融材料。铸造系统10的这个特征还允许在单个铸造轮中铸造两个以上锭或其它铸造形状。为了允许以这种方式铸造，可在使用另一铸造模具的同时准备一个铸造模具来接收熔融材料。在另一可行布置中，可在铸造轮期间使用两个以上铸造模具，并且将其顺次定位在接收容器44的一个或另一个注口46下方。图5和图6示出与铸造设备10有关的一个可行的非限制性布置。图5是铸造系统10的正视图，其中两个可平移退出模具50A和50B显示为布置在底板通道52内并在底板表面64下方。图3中也示出通道52。锭模具50A和50B可沿着轨道系统54在底板通道52内平移。图5中不存在可平移铸造腔壁32以显露其中铸造腔14和熔化腔28、熔化炉膛40、精炼炉膛42以及接收容器44的内部。在图5中，退出模具50A显示为定位成接收熔融材料，所述熔融材料沿着接收容器44的右区域流动通过铸造口58，进入退出模具50A以形成合金锭56A。一般技术人员将容易理解退出模具的设计和操作模式，而无需在本文中作进一步描述。
再参考图3、图5和图6，一旦特定退出模具填充有熔融材料，则所述退出模具可在轨道系统54上平移远离铸造腔28中的特定铸造口(参见图3)，熔融材料通过特定铸造口58从接收容器44流入退出模具中。铸锭接着可从退出模具移除，诸如通过从退出模具延伸铸锭，模具可被准备为定位在铸造口58下方以再次接收熔融材料并铸造额外锭。在图3、图5和图6中，例如，退出模具50B显示为沿着轨道系统54平移远离铸造口58到底板区域52的侧面区域，从而允许通过形成底板通道52顶部的底板表面64中的锭提取端口65从退出模具50B移除铸锭56B。
在单个铸造轮中铸造两个或更多个锭或其它铸造形状的可能性的特别有利之处在于，以连续方式操作铸造系统10会减少停机时间，并可改进铸件产出和质量。在铸造轮期间以上文描述中设想的方式连续使用铸造模具会允许减少因由关闭和重启铸造系统引起的设备温度变化而发生的不利热循环。例如，当例如铸造含铝钛合金或另一含铝合金时，减少热循环可显著减少铝蒸发。蒸发的铝可冷凝在铸造系统的熔化腔和铸造腔内的较冷表面上，并且铝冷凝物可掉回到熔融材料中，从而在最终铸造产品中产生有问题的变化。以连续方式运行本文所述的铸造系统的能力允许在熔化腔和铸造腔的内部维持高温达较长一段时间，从而更好地防止内部表面冷却以及铝和其它冷凝物形成在那些表面上。继而，冷凝物较不可能结合到最终铸件中使铸锭的化学组分有问题。此外，由于无需像允许较短铸造轮的系统那样频繁接近铸造腔的内部，所以铸造系统的操作产出更高。
如前文所论述，尽管特定实施例的上述说明描述了这样的铸造系统，其将电子枪用作熔化电源来熔化和精炼金属材料，并调节熔融材料沿着接收容器可行流径的流动，但是应了解还可使用其它熔化电源。例如，上文结合铸造系统10论述的电子枪可由等离子生成装置代替，以通过将高能等离子导向材料而加热和/或精炼材料，或者其它合适的熔化电源可用作材料加热装置。一般技术人员熟悉等离子生成装置和其它替代熔化电源用来加热并精炼金属材料的可能用途。
尽管在附图中描述并在根据本公开的铸造系统的特定非限制性实施例的上文描述中论述了接收容器的精炼实施例的特定大致T形布置，但是应了解接收容器可具有任何形状和构造，其允许选择两条或更多条可行流径中的一个条或多条来选择性地控制对沿着各条路径的材料的加热。根据本公开的接收容器的可行非限制性替代形状包括各种大致Y形接收容器(例如，图7A和图7B)、十字形接收容器(例如，图7C)和叉形接收容器(例如，图7D和图7E)。图7A所示大致Y形非限制性实施例提供了两条可行流径“A”和“B”，而图7C到图7E所示非限制性实施例提供了三条可行流径“A”、“B”和“C”。不管是电子束枪、等离子生成装置还是其它装置，用作铸造系统中的材料加热装置的特定熔化电源都可被选择性地供能和连串(train on)或以其它方式适于加热任何这类接收容器实施例中的一条或多条流径，以加热材料并允许熔融材料沿着选定流径流动并流进邻近的铸造模具中。例如，应了解与图7C到图7E所示非限制性接收容器实施例相关的铸造系统可包括邻近三条流出路径“A”、“B”和“C”中的每条的铸造模具位置。在这类布置中，例如，可在熔融材料在定位在流径“C”上的铸造模具中铸造的同时，准备被定位或将被定位来从流径“A”和“B”接收熔融材料的铸造模具。例如，如果在特定铸造系统或铸造轮中，在熔融材料到模具的流动停止后花费大量时间来将锭或其它铸造从铸造模具移除，那么可期望提供三个或更多个铸造位置以及相关铸造模具以始终允许铸造模具准备在模具已经填满时用于接收熔融材料。在该情况下，接收容器可设计为提供到三个或更多个铸造位置中的每个的流径，并且相关的熔化电源会调节熔融材料沿若干流径的流动。
一般技术人员在阅读了本公开后，将了解根据本公开的铸造系统的接收容器可设计为包括任何合适数量的流径。然而，鉴于将流出路径间隔开以防止熔融材料意外进入铸造模具或冲击未使用的铸造位置是有利的，并且还鉴于与包括额外铸造位置相关的费用，所以根据本公开的铸造系统可包括两个或三个铸造位置以及形状做成允许流径到达每个这类铸造位置的接收容器。
根据本公开的铸造系统的实施例可适于铸造各种金属和金属合金。例如，根据本公开的铸造系统的实施例可适于铸造：商用纯度(CP)钛等级；钛合金(包括：例如，钛钯合金和钛铝合金(诸如Ti-6Al-4V合金、Ti-3Al-2.5V合金和Ti-4Al-2.5V合金))；铌合金；和锆合金。可由根据本公开的铸造系统和相关铸造方法处理的一种特定Ti-4Al-2.5V合金在商业上可作为合金从美国宾夕法尼亚匹兹堡的Allegheny TechnologiesIncorporated购得。
本公开还涉及一种用于铸造金属材料的方法。所述方法包括提供熔融金属材料，以及使熔融金属材料沿着包括限定出不同熔融材料路径的至少两个流出区域的接收容器流动。接收容器的不同流出区域均与不同铸造位置相关，在不铸造位置，铸造设备可被定位成铸造熔融金属材料。所述至少两个流出区域之一上的金属材料被选定性地加热以熔化位于选定流出区域上的金属材料和/或将位于选定流出区域上的金属材料维持在以=熔融状态，从而引导熔融金属材料沿着由加热的流出区域所限定的流径流动。在特定实施例中，所述方法包括加热原材料，所述原材料被选择来提供熔融金属材料的期望组分。如上所提及，在特定实施例中，金属材料具有从商用纯钛等级、钛合金、钛钯合金、钛铝合金、Ti-6Al-4V合金、Ti-3Al-2.5V合金、Ti-4Al-2.5V合金、铌合金和锆合金中选择的组分。在根据本公开的方法的特定非限制性实施例中，接收容器包括至少三个流出区域，所述方法包括选择性地加热布置在所述至少三个流出区域之一上的金属材料，从而引导熔融金属材料沿着由加热的流出区域限定的流径流动。
在根据本公开的方法的特定非限制性实施例中，提供熔融金属材料的步骤包括加热原材料，所述原材料被选择来提供熔融金属材料的期望组分。在根据本公开的方法的特定非限制性实施例中，提供熔融金属材料的步骤还包括精炼熔融金属材料。在根据本公开的方法的特定非限制性实施例中，每条熔融材料路径除包括接收容器外，还包括熔化炉膛和/或精炼炉膛。在根据本公开的方法的特定非限制性实施例中，选择性地加热位于接收容器的选定流出区域上的金属材料的步骤包括用电子束枪和等离子生成装置中的至少一个加热金属材料。然而，应了解其它合适的熔化电源可用作材料加热装置。根据本公开的方法的特定非限制性实施例包括在铸造设备中在与加热的流出区域相关的铸造位置处铸造熔融金属材料的额外步骤。在特定实施例中，铸造设备是退出模具。
根据本公开的用于铸造金属材料的方法的一个特定实施例包括：加热原材料，所述原材料被选择来提供熔融金属材料的期望组分；精炼熔融金属材料；使熔融金属材料沿着包括限定出不同熔融材料路径的至少两个流出区域的接收容器流动，其中每个流出区域与不同铸造位置相关；以及用电子束枪和等离子生成装置中的至少一个选择性地加热位于所述至少两个流出区域之一上的金属材料，从而引导熔融金属材料沿着由加热的流出区域所限定的流径流动。在所述方法的特定非限制性实施例中，熔融金属材料具有从商用纯钛等级、钛合金、钛钯合金、钛铝合金、Ti-6Al-4V合金、Ti-3Al-2.5V合金、Ti-4Al-2.5V合金、铌合金和锆合金中选择的合金的组分。
本领域一般技术人员将容易了解本发明具有广泛实用性和应用性。除本文所述以外的本发明的许多实施例和调适以及许多变动、修改和等效布置将从本发明和其前文描述变得显而易见或由本发明和其前文描述合理建议，而不背离本发明的实质或范畴。因此，尽管本发明已经关于其优选实施例在本文中进行了详细描述，但是应了解本公开仅是说明并示例本发明并且仅出于提供本发明的全面且有可能的公开的目的而制作。前述公开不意在或不解释为限制本发明或以其它方式排除任何此类其它实施例、调适、变动、修改和等效布置。

Claims (16)

1.一种熔化和铸造设备，其包括：
熔化炉膛；
精炼炉膛，其具有包括两个短末端和两个长边的狭长形状，所述精炼炉膛在所述精炼炉膛的两个长边之一上与所述熔化炉膛流体连通；
接收容器，其具有包括两个短末端和两个长边的狭长形状，所述接收容器在所述接收容器的两个长边之一上并且在所述精炼炉膛的两个短末端之一上与所述精炼炉膛流体连通，由此形成所述精炼炉膛与所述接收容器之间大致T形的取向，其中所述精炼炉膛的长边相对于所述接收容器的长边形成非垂直的角度；以及
至少一把电子束枪，其配置为引导电子朝向所述接收容器并且沿着穿过所述接收容器的两个短边中的第一短边的第一熔融材料路径和/或沿着所述接收容器的两个短边中的第二短边的第二熔融材料路径调节熔融材料的流动方向。
2.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其中所述熔化炉膛、所述精炼炉膛和所述接收容器布置在壳体内，所述壳体可以被维持在真空条件下。
3.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，还包括：
第一铸造模具，其可以定位成接收沿所述第一熔融材料路径流动的熔融材料。
4.根据权利要求3所述的熔化和铸造设备，还包括：
第二铸造模具，其可以定位成接收沿所述第二熔融材料路径流动的熔融材料。
5.根据权利要求4所述的熔化和铸造设备，其中所述第一铸造模具和所述第二铸造模具可以在所述铸造模具接收来自所述接收容器的熔融材料的位置来回平移。
6.根据权利要求4所述的熔化和铸造设备，其中所述至少一把电子束枪定位在所述接收容器上方，并在所述至少一把电子束枪发射电子束时允许熔融材料流动。
7.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其中所述接收容器的位置相对于所述精炼炉膛是固定的。
8.根据权利要求4所述的熔化和铸造设备，其中所述接收容器定位成熔融材料根据所述至少一把电子束枪的位置和功率电平可以从所述接收容器流进所述第一铸造模具或所述第二铸造模具中。
9.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其中所述接收容器的两个短边包括两个相对的短边，并且其中在每个相对的短边设置有注口。
10.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其中所述接收容器包括穿过所述接收容器的长边之一的第三熔融材料路径。
11.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其包括：
第一电子束枪，其布置成引导电子朝向所述接收容器并且调节沿着所述第一熔融材料路径的熔融材料的流动；
第二电子束枪，其布置成引导电子朝向所述接收容器并且调节沿着所述第二熔融材料路径的熔融材料的流动。
12.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其还包括：
多个电子束枪，所述多个电子束枪经布置且可以被选择性地供能，以在熔融材料中产生混合作用。
13.根据权利要求11所述的熔化和铸造设备，其中，第一电子束枪与所述两个短边中第一短边和所述接收容器中心是等距的。
14.根据权利要求11所述的熔化和铸造设备，其中，第二电子束枪与所述两个短边中第二短边和所述接收容器中心是等距的。
15.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其还包括：
熔化腔，其中所述熔化炉膛位于所述熔化腔中；和
铸造腔，其中所述接收容器位于所述铸造腔中；和
其中所述精炼炉膛在所述熔化腔和所述铸造腔之间延伸。
16.根据权利要求1所述的熔化和铸造设备，其还包括：
第一入口腔，其通过所述熔化腔的第一侧壁将原材料引入到所述熔化腔中，
第二入口腔，其通过所述熔化腔的第二侧壁将原材料引入到所述熔化腔中，
其中所述第一侧壁垂直于所述第二侧壁。
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