CN107746999B - 钛合金制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金制备装置，涉及合金材料的制备装置技术领域。所述制备装置包括炉体，所述炉体内设置有水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚的外周设置有电磁感应线圈，所述水冷铜坩埚的下侧开口设置有水冷托盘，所述水冷铜坩埚和水冷托盘共同构成熔炼钛合金的容器，与所述水冷托盘相对的所述炉体的顶部设置有自耗电极，在所述自耗电极左右两侧的炉体上分别设置有一个硼氢化合物气体进气管，在自耗电极的下端与水冷铜坩埚上侧之间的炉体上设置有惰性气体进气管和出气管。通过所述装置可以细化钛合金组织，提高制备的钛合金性能。

Description

钛合金制备装置
技术领域
本发明涉及合金技术的制备装置技术领域，尤其涉及一种钛合金制备装置。
背景技术
硼是一种很好的钛合金细化剂。目前人们已经大量使用Ti-B合金系来得到高性能钛合金，但是硼元素的量要控制好，否则会严重降低钛合金的损伤容限值。钛合金的氢处理是一种极为优异的钛合金处理方法。通过氢处理也可以提高钛合金的加工性能，例如增加钛合金的冷加工时的切屑性能，还能增加钛合金的高温变形能力，同时通过除氢还可以细化钛合金的组织。固体钛合金及其化合物的高温除氢处理既可以细化钛合金的凝固组织，但是氢也会降低钛合金的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可以细化钛合金组织，提高制备的钛合金性能的钛合金制备装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钛合金制备装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体内设置有水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚的外周设置有电磁感应线圈，所述水冷铜坩埚的下侧开口设置有水冷托盘，所述水冷铜坩埚和水冷托盘共同构成熔炼钛合金的容器，与所述水冷托盘相对的所述炉体的顶部设置有自耗电极，所述自耗电极的一部分位于所述炉体的外侧，所述自耗电极的另一部分位于所述炉体内，在所述自耗电极左右两侧的炉体上分别设置有一个硼氢化合物气体进气管，且两个所述硼氢化合物气体进气管倾斜设置，所述硼氢化合物气体进气管的一部分位于所述炉体外，所述硼氢化合物气体进气管的另一部分位于所述炉体内，且所述硼氢化合物气体进气管的出气口位于所述自耗电极的下侧，水冷铜坩埚的上侧；在自耗电极的下端与水冷铜坩埚上侧之间的炉体上设置有惰性气体进气管和出气管。
进一步的技术方案在于：所述装置还包括位于炉体的顶部且与所述炉体相连通的压力表，所述压力表用于显示炉体内的压力信息。
进一步的技术方案在于：所述硼氢化合物气体进气管包括金属管段和陶瓷管段，所述金属管段的一端位于所述炉体外，所述金属管段的另一端位于所述炉体内，且该端与所述陶瓷管段的一端连接，所述陶瓷管段的另一端延伸至所述水冷铜坩埚的正上侧，自耗电极的下侧。
进一步的技术方案在于：所述惰性气体进气管与出气管相对设置。
进一步的技术方案在于：所述硼氢化合物气体进气管对称的设置于所述炉体的左右两侧。
进一步的技术方案在于：所述惰性气体进气管和出气管上设有控制阀门，所述控制阀门用于控制相应管路的打开或关闭。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述制备装置将硼氢这两种元素的气体在钛合金熔炼时，同时添加入钛合金中，发挥两种元素的特长，可以大大细化钛合金组织，最终通过除氢处理去除钛合金及其化合物中的氢元素，提高钛合金的力学性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中所述装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中所述方法的流程图；
其中：1、炉体；2、水冷铜坩埚；3、水冷托盘；4、自耗电极；5、硼氢化合物气体进气管；51、金属管段；52、陶瓷管段；6、惰性气体进气管；7、出气管；8、压力表；9、控制阀门；10、电磁线圈；11、结晶凝固合金；12、熔体；13、电弧。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种钛合金制备装置，包括炉体1，所述炉体1内设置有水冷铜坩埚2，所述水冷铜坩埚2的外周设置有电磁感应线圈10，所述水冷铜坩埚2的下侧开口设置有水冷托盘3，所述水冷铜坩埚2和水冷托盘3共同构成熔炼钛合金的容器，与所述水冷托盘3相对的所述炉体1的顶部设置有自耗电极4，所述自耗电极4的一部分位于所述炉体1的外侧，所述自耗电极4的另一部分位于所述炉体1内。在所述自耗电极4左右两侧的炉体1上分别设置有一个硼氢化合物气体进气管5，且两个所述硼氢化合物气体进气管5倾斜设置，所述硼氢化合物气体进气管5的一部分位于所述炉体1外，所述硼氢化合物气体进气管5的另一部分位于所述炉体1内，且所述硼氢化合物气体进气管5的出气口位于所述自耗电极4的下侧，水冷铜坩埚的上侧；在自耗电极4的下端与水冷铜坩埚2上侧之间的炉体1上设置有惰性气体进气管6和出气管7。
如图1所示，所述装置还包括位于炉体1的顶部且与所述炉体1相连通的压力表8，所述压力表8用于显示炉体1内的压力信息。
优选的，所述硼氢化合物气体进气管5包括金属管段51和陶瓷管段52，所述金属管段51的一端位于所述炉体1外，所述金属管段51的另一端位于所述炉体1内，且该端与所述陶瓷管段52的一端连接，所述陶瓷管段52的另一端延伸至所述水冷铜坩埚2的正上侧，自耗电极4的下侧。通过将靠近水冷铜坩埚的硼氢化合物气体进气管5设置成陶瓷材料，可有效的防止电磁线圈对硼氢化合物气体进气管5作用，提高所述硼氢化合物气体进气管5的使用寿命。
优选的，所述惰性气体进气管6与出气管7相对的设置在炉体上，从而使得炉体内的气体混合更均匀，制备效果更好。优选的，所述硼氢化合物气体进气管5对称的设置于所述炉体1的左右两侧，通过设置两个硼氢化合物气体进气管5，提高了单位时间内硼氢化合物气体的进入炉体的量。优选的，所述惰性气体进气管6和出气管7上设有控制阀门9，所述控制阀门9用于控制相应管路的打开或关闭。
通过本发明所述装置进行钛合金制备的过程中，将硼氢这两种元素的气体在钛合金熔炼时，同时添加入钛合金中，发挥两种元素的特长，可以大大细化钛合金组织，最终通过除氢处理去除钛合金及其化合物中的氢元素，提高钛合金的力学性能。
如图2所示，本发明实施例还公开了一种钛合金制备方法，包括如下步骤：
利用惰性气体作为载气将硼氢化合物充入炉室；
通过自耗电极和水冷铜坩锅熔炼钛合金，在高压氢气氛下，在自耗电极端硼烷分解生成钛化硼，部分硼元素和氢气在电弧高温下熔入钛合金熔体中；
部分硼元素落在熔体表面，由于这些气体分解硼元素含量较少，在电弧高温下熔入钛合金中，硼元素及氢元素可以细化钛合金组织，通过真空除氢技术再次细化钛合金组织。
具体的，所述方法包括如下步骤：
1）将待加工的钛合金材料放到水冷托盘3上，使用惰性气体进气管6向炉体1内充入惰性气体；
2）开启循环水，给水冷铜坩埚2供水，开启自耗电极4，使其放电，在自耗电极4的下端产生电弧，电弧与钛合金材料接触，开始熔炼钛合金材料；
3）给所述电磁线圈10供电，电磁线圈在水冷铜坩埚2的内部产生涡流，开始熔化钛合金料；
4）通过硼氢化合物气体进气管5向炉体1内充入硼氢化合物气体，硼氢化合物气体进气管5的出气口接近自耗电极4产生的电弧，硼氢化合物气体在高速下冲入电弧中受热分解，生成硼气体、氢气体以及硼化钛，硼和氢元素在高温下熔入钛合金熔滴和下面的熔池表面；
5）随着硼氢化合物充入，同时根据压力表的变化，打开出气管7，将多余气体排出；
6）随着滴下熔滴的增多，硼和氢元素在电磁线圈10的电磁搅拌的作用下熔入熔池内部；同时随着硼氢化合物气体分解，炉体内部的氢分压增加，增大了氢气在钛合金中的溶解度；
7）当自耗电极4熔炼完毕后，停止自耗电极4的放电，停止充入硼氢化合物气体，关闭出气管7；
8）停止水冷铜坩埚2的加热功率，使得钛合金熔体的温度降低并凝固，由于氢和硼元素在钛合金熔体固液界面导致成分过冷，同时硼形成的硼化钛作为异质形核质点起到合金细化的作用；
9）待钛合金凝固完毕后，再将钛合金进行真空除氢处理，氢元素的析出将进一步细化钛合金及其化合物的组织，提高钛合金的力学性能。
所述方法利用自耗电极在硼氢化合物氛围内进行熔炼，来细化钛合金的组织及力学性能。熔炼气氛为惰性气体与硼氢化合物的混合气体。所述硼氢化合物气体可以为乙硼烷、丁硼烷等气体，或者为更大分子链的硼氢化合物液体在高温下进入炉体进行反应。该方法不仅应用于钛合金，也适用于钛基复合材料及钛的金属间化合物的细化。

Claims (6)

1.一种钛合金制备装置，其特征在于：包括炉体（1），所述炉体（1）内设置有水冷铜坩埚（2），所述水冷铜坩埚（2）的外周设置有电磁感应线圈（10），所述水冷铜坩埚（2）的下侧开口设置有水冷托盘（3），所述水冷铜坩埚（2）和水冷托盘（3）共同构成熔炼钛合金的容器，与所述水冷托盘（3）相对的所述炉体（1）的顶部设置有自耗电极（4），所述自耗电极（4）的一部分位于所述炉体（1）的外侧，所述自耗电极（4）的另一部分位于所述炉体（1）内，在所述自耗电极（4）左右两侧的炉体（1）上分别设置有一个硼氢化合物气体进气管（5），且两个所述硼氢化合物气体进气管（5）倾斜设置，所述硼氢化合物气体进气管（5）的一部分位于所述炉体（1）外，所述硼氢化合物气体进气管（5）的另一部分位于所述炉体（1）内，且所述硼氢化合物气体进气管（5）的出气口位于所述自耗电极（4）的下侧，水冷铜坩埚的上侧；在自耗电极（4）的下端与水冷铜坩埚（2）上侧之间的炉体（1）上设置有惰性气体进气管（6）和出气管（7）。
2.如权利要求1所述的钛合金制备装置，其特征在于：所述装置还包括位于炉体（1）的顶部且与所述炉体（1）相连通的压力表（8），所述压力表（8）用于显示炉体（1）内的压力信息。
3.如权利要求1所述的钛合金制备装置，其特征在于：所述硼氢化合物气体进气管（5）包括金属管段（51）和陶瓷管段（52），所述金属管段（51）的一端位于所述炉体（1）外，所述金属管段（51）的另一端位于所述炉体（1）内，且该端与所述陶瓷管段（52）的一端连接，所述陶瓷管段（52）的另一端延伸至所述水冷铜坩埚（2）的正上侧，自耗电极（4）的下侧。
4.如权利要求1所述的钛合金制备装置，其特征在于：所述惰性气体进气管（6）与出气管（7）相对的设置在炉体上。
5.如权利要求1所述的钛合金制备装置，其特征在于：所述硼氢化合物气体进气管（5）对称的设置于所述炉体（1）的左右两侧。
6.如权利要求1所述的钛合金制备装置，其特征在于：所述惰性气体进气管（6）和出气管（7）上设有控制阀门（9），所述控制阀门（9）用于控制相应管路的打开或关闭。
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