CN108707768B - 高温合金的熔炼与成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温合金的熔炼与成型方法。所述方法中的成型装置设有多个水冷铜坩埚和等离子熔炼电极，熔炼开始后水冷铜坩埚及其内部的熔体可以构成导电环并通电，水冷铜坩埚做离心运动，在离心力及其洛伦兹力的作用下，熔体处于力学平衡状态，此时主要对合金进行熔炼。当熔炼结束后，水冷铜坩埚环内的电流改变方向，并给水冷铜坩埚环的离心运动加速，使得熔体受到向外的合力作用而充入铸型中实现高速冷却。通过多工位等离子电弧熔炼，结合洛伦兹力和离心力，完成高温高活性合金的熔炼与快速成型过程，具有熔炼温度高，熔炼效率高，精密高温高活性合金铸件质量优异等特点。
Description
技术领域
本发明涉及新材料的制备方法技术领域，尤其涉及一种高温合金的熔炼与精密成型方法。
背景技术
以镍、钛、铌、钨、钴为基的金属合金材料，由于其能在600℃以上的温度长期工作，被称为高温合金。高温合金具有优异的高温强度；良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗疲劳性能，高的断裂韧性等综合性能，广泛应用于航空航天、医学、石油、化工、能源、国防等领域。
铸造高温合金是一种重要的高温合金成型方法，其可以制备复杂高温合金零件，例如发动机相关组件。这类材料通常熔点高，因此熔炼困难，生产效率低下。另外，由于浇铸温度高，在浇铸成型时极易与铸型材料反应，例如比强度很高的高温钛合金，但是其几乎与所有的铸型材料反应，因而高温高活性合金的成型性极差，精密铸造的难度就更大了，严重影响了高温高活性合金的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种熔炼温度高，熔炼效率高，精密度高的高温合金的熔炼与成型方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高温合金的熔炼与成型方法，其特征在于包括如下步骤：
将每个熔炼电极表面清理干净，保证每个熔炼电极头部为圆形，打开水冷铜坩埚基体，将若干个熔炼电极装配到主电极上，所述熔炼电极与水冷铜坩埚基体内壁上的水冷铜坩埚一一对应，熔炼电极的头部与水冷铜坩埚之间具有一定的距离，该距离构成熔炼放电距离，将铸造模具安装到所述水冷铜坩埚基体的外侧，铸造模具与所述水冷铜坩埚一一对应，铸造模具与水冷铜坩埚之间通过直浇道进行连通；
将高温高活性金属合金料放置在每个水冷铜坩埚中，同时开启位于所述水冷铜坩埚基体外的磁场产生装置，使其工作，将产生的磁场施加到所述水冷铜坩埚基体内，使磁场的强度不断增强（增强周期磁场），保证高温高活性金属合金料在洛伦兹力的作用下可以稳定放置在水冷铜坩埚中，并保证高温高活性金属合金料不要触碰到熔炼电极；
启动位于所述水冷铜坩埚基体外的离心机，离心机的动力输出端与电极旋转轴连接，电极旋转轴的一端与所述水冷铜坩埚基体内的主电极连接，离心机通过所述电极旋转轴驱动所述主电极以及所述水冷铜坩埚基体旋转，使主电极以及所述水冷铜坩埚基体做离心运动，离心运动的角速度以使得高温高活性金属合金料的中心处于直浇道的位置，对所述水冷铜坩埚基体进行抽真空，并充入惰性气体；
通过所述电极旋转轴将工作电压传输给主电极，主电极再为所述熔炼电极供电，使多个熔炼电极工作，熔炼电极放电产生等离子电弧，通过等离子电弧熔炼熔体，待合金熔体熔炼均匀，达到浇铸温度后，加速电极旋转轴的转速，同时控制所述磁场产生装置使磁场产生的洛伦兹力与离心力同向（减弱周期磁场），使得熔体高速冲击充型进入铸造模具中，制备高强度合金材料，由于铸造模具的激冷作用，熔体快速凝固成型；
给熔炼电极断电，停止电极旋转轴的运动，待冷却后在铸造模具中将成型的零件取出。
进一步的技术方案在于：当直浇道中存在残余凝固的合金而造成铸造模具无法脱模时，破碎铸造模具连接件，通过切割将残余在直浇道中凝固的合金切断，取出成型的零件。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法使用的装置在熔炼开始后水冷铜坩埚及其内部的熔体可以构成导电环并通电，水冷铜坩埚做离心运动，在离心力及其洛伦兹力的作用下，熔体处于力学平衡状态，此时主要对合金进行熔炼。当熔炼结束后，水冷铜坩埚环内的电流改变方向，并给水冷铜坩埚环的离心运动加速，使得熔体受到向外的合力作用而充入铸型中实现高速冷却。通过多等离子电弧熔炼，结合洛伦兹力和离心力，完成高温高活性合金的熔炼与快速成型过程，具有熔炼温度高，熔炼效率高，精密高温高活性合金铸件质量优异等特点。
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是本发明实施例所述成型装置中水冷铜坩埚基体剖开后的俯视结构示意图；
图2是本发明实施例所述成型装置中水冷铜坩埚基体剖开后的侧视结构示意图（并将所述水冷铜坩埚基体的端盖去除后）；
图3是本发明实施例所述装置中熔炼磁场的变化示意图；
图4是本发明实施例所述装置中充型磁场的变化示意图；
其中：1：水冷铜坩埚；2：熔炼电极；3：水冷铜坩埚基体；4：铸造模具； 5：直浇道；6：铸造模具连接件；7：熔体；8：主电极；9：绝缘支撑；10：循环水道；11：等离子电弧；12：电极旋转轴；13：水冷铜坩埚基体旋转支撑；14：绝缘连接。
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-图2所示，本发明实施例公开了一种高温合金的熔炼与成型装置，包括容器状的水冷铜坩埚基体3，沿所述水冷铜坩埚基体3的内壁上设置有若干个水冷铜坩埚1，且所述水冷铜坩埚在同一高度处，并沿所述水冷铜坩埚基体3内壁的圆周设置。在所述水冷铜坩埚基体3外设置有与所述水冷铜坩埚1一一对应的铸造模具4，所述水冷铜坩埚1与所述铸造模具4之间通过直浇道5进行连通。如图2所示，电极旋转轴12的一端位于所述水冷铜坩埚基体的外侧，与离心机的动力输出端连接，电极旋转轴12的另一端位于所述水冷铜坩埚基体内，并与主电极8的一端连接。与水冷铜坩埚1一一对应的熔炼电极2位于所述主电极8的外侧壁上，且熔炼电极2的端部与水冷铜坩埚1之间保持有间隙，该间隙构成熔炼电极2的放电空间，当所述熔炼电极2通电后在水冷铜坩埚1与熔炼电极2之间形成等离子电弧11。如图2所示，所述水冷铜坩埚基体3的下侧设置有水冷铜坩埚基体旋转支撑13，水冷铜坩埚基体旋转支撑13通过绝缘连接件14与所述电极旋转轴12连接。所述水冷铜坩埚基体3的外侧设置有磁场产生装置，所述磁场产生装置用于向水冷铜坩埚基体3内施加周期变化磁场。
熔炼期间在离心机的作用下多个熔炼电极2与多个水冷铜坩埚1同时做离心运动，同时在水冷铜坩埚基体3中通过磁场产生装置施加变化磁场（如图3所示，横坐标为时间，纵坐标为磁场强度），熔体7在离心力、坩埚支撑力、洛伦兹力及表面张力的作用下处于力学平衡状态；熔炼结束后，加速电极旋转轴12的离心运动，同时通过控制磁场产生装置改变磁场变化（如图4所示，横坐标为时间，纵坐标为磁场强度），使磁场产生的洛伦兹力与离心力同向，使得熔体加速通过直浇道5快速充型进入铸造模具4中，实现精密铸造成型。
进一步的，如图1所示，所述装置还包括绝缘支撑9，所述绝缘支撑9位于所述熔炼电极2与主电极8的连接处，通过所述绝缘支撑9将熔炼电极2与熔炼电极2之间的端部分开，防止熔炼电极极间放电。熔炼电极可在绝缘支撑中的槽内上下摆动，在离心力作用下调整与高温高活性金属合金料之间的距离。
进一步的，如图1和图2所示，所述水冷铜坩埚1与水冷铜坩埚基体3之间的内部具有空腔，所述空腔形成循环水道10，通过循环水道10为所述水冷铜坩埚1降温。
优选的，所述电极旋转轴12通过电刷为所述主电极8供电，所述主电极8再为所述熔炼电极2供电，通过熔炼电极2放电进行高温合金的熔炼。电极旋转轴12，水冷铜坩埚基体旋转支撑13和绝缘连接件14一起做离心运动，保证等离子电弧11始终处于熔炼熔体7的状态，提高了熔炼的效率。
进一步的，所述铸造模具4通过铸造模具连接件6连接到所述水冷铜坩埚基体的外壁上，所述铸造模具连接件6使用石墨或者石英等易碎材料制作，在铸造成型后，当直浇道5中存在残余凝固的合金而无法脱模时，铸造模具连接件6可被破碎，通过切割将残余在直浇道5内的合金切断，取出成型的零件。
本发明实施例还公开了一种高温合金的熔炼与成型方法，所述方法使用上述成型装置，包括如下步骤：
将每个熔炼电极2表面清理干净，保证每个熔炼电极2头部为圆形，打开水冷铜坩埚基体3，将若干个熔炼电极2装配到主电极8上，所述熔炼电极2与水冷铜坩埚基体3内壁上的水冷铜坩埚1一一对应，熔炼电极2的头部与水冷铜坩埚1之间具有一定的距离，该距离构成熔炼放电距离，将铸造模具4安装到所述水冷铜坩埚基体的外侧，铸造模具4与所述水冷铜坩埚1一一对应，铸造模具4与水冷铜坩埚1之间通过直浇道5进行连通；
将高温高活性金属合金料放置在每个水冷铜坩埚1中，同时开启位于所述水冷铜坩埚基体外的磁场产生装置，使其工作，将产生的磁场施加到所述水冷铜坩埚基体内，使磁场的强度不断增强（增强周期磁场），保证高温高活性金属合金料在洛伦兹力的作用下可以稳定放置在水冷铜坩埚1中，并保证高温高活性金属合金料不要触碰到熔炼电极2；
启动位于所述水冷铜坩埚基体外的离心机，离心机的动力输出端与电极旋转轴12连接，电极旋转轴12的一端与所述水冷铜坩埚基体内的主电极8连接，离心机通过所述电极旋转轴12驱动所述主电极8以及所述水冷铜坩埚基体旋转，使主电极8以及所述水冷铜坩埚基体做离心运动，离心运动的角速度以使得高温高活性金属合金料的中心处于直浇道5的位置，对所述水冷铜坩埚基体进行抽真空，并充入惰性气体；
通过所述电极旋转轴12将工作电压传输给主电极8，主电极8再为所述熔炼电极2供电，通过调整离心角速度的大小来调节熔炼电极2与高温高活性金属合金料之间的距离，使其达到引弧距离并引弧，使多个熔炼电极2工作，熔炼电极2放电产生等离子电弧11，通过等离子电弧11熔炼熔体7，待合金熔体熔炼均匀，达到浇铸温度后，加速电极旋转轴12的转速，同时控制所述磁场产生装置使磁场产生的洛伦兹力与离心力同向（减弱周期磁场），使得熔体7高速冲击充型进入铸造模具4中，制备高强度合金材料，由于铸造模具4的激冷作用，熔体快速凝固成型；
给熔炼电极2断电，停止电极旋转轴12的运动，待冷却后在铸造模具4中将成型的零件取出。
当直浇道5中存在残余凝固的合金而造成铸造模具4无法脱模时，破碎铸造模具连接件6，通过切割将残余在直浇道5中凝固的合金切断，取出成型的零件。
所述方法和装置通过多等离子电弧熔炼，结合洛伦兹力和离心力，完成高温高活性合金的熔炼与快速成型过程，具有熔炼温度高，熔炼效率高，精密高温高活性合金铸件质量优异等特点。
Claims (2)
1.一种高温合金的熔炼与成型方法，其特征在于包括如下步骤：
将每个熔炼电极（2）表面清理干净，保证每个熔炼电极（2）头部为圆形，打开水冷铜坩埚基体（3），将若干个熔炼电极（2）装配到主电极（8）上，所述熔炼电极（2）与水冷铜坩埚基体（3）内壁上的水冷铜坩埚（1）一一对应，熔炼电极（2）的头部与水冷铜坩埚（1）之间具有一定的距离，该距离构成熔炼放电距离，将铸造模具（4）安装到所述水冷铜坩埚基体（3）的外侧，铸造模具（4）与所述水冷铜坩埚（1）一一对应，铸造模具（4）与水冷铜坩埚（1）之间通过直浇道（5）进行连通；
将高温高活性金属合金料放置在每个水冷铜坩埚（1）中，同时开启位于所述水冷铜坩埚基体（3）外的磁场产生装置，使其工作，将产生的磁场施加到所述水冷铜坩埚基体（3）内，使磁场的强度不断增强，保证高温高活性金属合金料在洛伦兹力的作用下可以稳定放置在水冷铜坩埚（1）中，并保证高温高活性金属合金料不要触碰到熔炼电极（2）；
启动位于所述水冷铜坩埚基体（3）外的离心机，离心机的动力输出端与电极旋转轴（12）连接，电极旋转轴（12）的一端与所述水冷铜坩埚基体（3）内的主电极（8）连接，离心机通过所述电极旋转轴（12）驱动所述主电极（8）以及所述水冷铜坩埚基体（3）旋转，使主电极（8）以及所述水冷铜坩埚基体（3）做离心运动，离心运动的角速度以使得高温高活性金属合金料的中心处于直浇道（5）的位置，对所述水冷铜坩埚基体（3）进行抽真空，并充入惰性气体；
通过所述电极旋转轴（12）将工作电压传输给主电极（8），主电极（8）再为所述熔炼电极（2）供电，通过调整离心角速度的大小来调节熔炼电极（2）与高温高活性金属合金料之间的距离，使其达到引弧距离并引弧，使多个熔炼电极（2）工作，熔炼电极（2）放电产生等离子电弧（11），通过等离子电弧（11）熔炼熔体（7），待合金熔体熔炼均匀，达到浇铸温度后，加速电极旋转轴（12）的转速，同时控制所述磁场产生装置使磁场产生的洛伦兹力与离心力同向，使得熔体（7）高速冲击充型进入铸造模具（4）中，制备高强度合金材料，由于铸造模具（4）的激冷作用，熔体快速凝固成型；
给熔炼电极（2）断电，停止电极旋转轴（12）的运动，待冷却后在铸造模具（4）中将成型的零件取出。
2.如权利要求1所述的高温合金的熔炼与成型方法，其特征在于：当直浇道（5）中存在残余凝固的合金而造成铸造模具（4）无法脱模时，破碎铸造模具连接件（6），通过切割将残余在直浇道（5）中凝固的合金切断，取出成型的零件。
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Denomination of invention: High-temperature alloy smelting and forming method Effective date of registration: 20200422 Granted publication date: 20190830 Pledgee: Guangping County Rural Credit Cooperative Pledgor: Shenghang Powder Metallurgy Hebei Co.,Ltd. Registration number: Y2020130000008 |
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Denomination of invention: Melting and forming methods of Superalloy Effective date of registration: 20210422 Granted publication date: 20190830 Pledgee: Guangping County Rural Credit Cooperative Pledgor: Shenghang Powder Metallurgy Hebei Co.,Ltd. Registration number: Y2021130000006 |
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