CN109477162A - 两级熔化以及铸造系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于金属合金的两级铸造的系统，其经由加压惰性气体或金属蒸汽室将多种原料金属分配到电弧熔化坩埚中以与最终期望合金的组合物成比例的速率降低电弧熔化坩埚中金属的挥发速率。来自熔化坩埚的熔体通过通道进入第二级冷壁坩埚，熔体在其中冷却并固化。在固化合金冷却时使用铸造活塞从冷壁坩埚缓慢地和逐渐取出固化合金。

Description

两级熔化以及铸造系统和方法

发明内容

如本文所用的“金属合金”定义为基于金属的合金。一个种类是多组分合金，其中多组分合金实现至少1.25的混合熵。“金属合金”属中的种类包括铝合金，镍合金，钛合金，钢，钴合金和铬合金。

如本文所用，“多组分合金产品”等表示具有金属基质的产品，其中多种元素，通常四种或更多种不同的元素构成基质，并且其中多组分产品包括5-35at.％的四种或更多种元素。在一个实施例中，至少有五种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少五种元素。在一个实施例中，至少有六种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少六种元素。在一个实施例中，至少有七种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少七种元素。在一个实施例中，至少有八种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少八种元素。如下所述，也可以相对于多组分合金产品的基质使用添加剂以获得由该系统产生的合金。

本公开提出了一种用于两级铸造任何金属合金产品(例如多组分合金)的系统。第一级涉及熔化元素或已知合金的多种原料，并且通过在高压惰性气体或金属蒸汽环境中改变原料进入熔融形式的速度来产生物质的期望组合物，使得引入第一坩埚的所有金属在第一坩埚中保持在液态。第二级涉及通过使用附接到冷却坩埚的铸造活塞将来自第一级的液相坩埚内容物通过通道拉入第二冷却坩埚中来铸造期望组合物，并且允许组合物随着活塞缓慢取出冷却坩埚而冷却成固态。

简言之，选择具有特定组合物的金属合金进行铸造。该金属合金的元素组分被制备作为两级铸造系统的原料，并且经由高压真空室装载到熔化坩埚中，所述熔化坩埚具有几英寸厚的金属盐表面层。该金属盐通常包括CaF₂以及少量添加剂，并且经由电路供应的电阻加热电流加热。第一熔化坩埚电连接到电流电源。主要元件原料用作电路中的电极。通过主电极，通过熔渣到达第一坩埚的表面的电流导致金属盐层加热，产生高温熔渣层，这又导致浸入熔渣中的主要原料电极和次级原料元件在第一熔化坩埚中熔化并搅炼。

优选地，主要元件原料电极和次级原料通过熔化坩埚上的金属盐/熔渣层顶部上的真空压力室分配。该室用惰性气体或金属蒸汽加压，并且保持在适于在熔化过程期间停止元素蒸发的温度和压力，原因是各种金属在不同的压力和温度下熔化。一旦所有原料元件在坩埚中达到液相，优选通过感应或电磁搅拌来搅拌熔化的原料，以确保熔体的每种元素或成分的一致均匀分布。在搅拌至均匀状态之后，使用来自铸造活塞的负压将混合物通过抽取阀、通道或端口取出到第一或熔化坩埚下方的第二级冷却坩埚中。在第二级坩埚(优选冷壁坩埚)中，混合物冷却并在铸造活塞上形成静止金属头。然后在熔体固化时缓慢地取出铸造活塞，然后可以移除冷却和固化的金属合金以进行进一步处理或改性。

根据本公开的用于金属合金的两级铸造的系统优选地在第一级中具有第一熔化坩埚、连接到第一坩埚以调节熔化坩埚中的金属的挥发速率使得引入第一坩埚中的所有金属在第一坩埚中保持液态的加压惰性气体或金属蒸汽室、以及将多种原料金属分配到室中和熔化坩埚中的原料控制系统。原料金属以足以实现最终金属合金的目标组合物的速率分配。多种金属原料金属中的至少一种是电极的形式，电源的一部分向电极供应电流。

第二级包括经由通道连接到第一熔化坩埚的第二冷却坩埚。系统优选包括布置在熔化坩埚的上表面上的金属盐/熔渣层。电极的远侧尖端浸没在金属盐/熔渣层的上表面下方。通过电极的电流穿过金属盐/熔渣的上表面层，并且将熔渣层电阻加热到高于电极熔点的温度。次级原料元件也位于高压真空室中以便延伸到金属盐/熔渣层中。一些次级原料元件可以是高密度材料。其它次级原料元件可以是中空的，以便将低密度材料运载到熔渣层和第一熔化坩埚中。

熔渣层优选地具有从层的上表面到层的底部的递增温度梯度，并且优选地被控制使得上表面具有低于主要或次级元件的熔点的温度。熔渣层的底表面具有的温度优选地大于具有最高熔化温度的元件的熔化温度。优选地熔渣层具有的厚度足以实现与其上表面相关的第一温度，以及与其下表面相关的第二温度，其中第一温度低于电极的熔点，并且其中第二温度高于电极的熔点。

根据本公开的生产金属合金的两级方法包括将金属盐层放置在第一坩埚中，其中第一坩埚经由通道连接到第二坩埚，将第一电极引入金属盐层中，使电流通过第一电极以在第一坩埚中经由电阻加热从金属盐层产生熔渣层，将电极推入熔渣层使得电极的尖端开始在第一坩埚中的熔渣层下方熔化成熔融组合物，将次级原料元件引入加热的熔渣层中以将次级原料元件在第一坩埚中熔化成熔融组合物，并且继续将电极和次级原料元件熔化成组合物直到获得期望体积的组合物。一旦获得期望体积的熔融组合物，方法包括打开到第二坩埚的通道，使得熔融组合物流入第二坩埚；并且将第二坩埚中的组合物冷却至固态。

方法还可以包括当熔融组合物在第二坩埚中自底向上固化时逐渐降低附接到第二坩埚的底部的活塞。优选地在第一级期间，主电极是具有待引入第一坩埚中的任何元件的最高熔点的金属。在一个实施例中电极是中空管。电极可以是钛或钛合金。在实施例中，通过第一电极电阻加热金属盐将熔渣层加热到高于次级元件熔点的温度。在一个实施例中，当次级坩埚中的组合物的底部分固化时，次级坩埚经由活塞取出，使得底部分相对于次级坩埚的顶部逐渐降低，并且该逐渐降低优选地持续到可以取出组合物的固体锭料以便从次级坩埚移除。

附图说明

图1是根据本公开的两级多组分合金铸造系统的示例性实施例的示意性横截面图。

图2是图1中所示的实施例的上部分的示意性横截面图，示出了电源电路的一个实施例。

图3是图1中所示的实施例的上部分的示意性横截面图，示出了示例性电磁搅拌装置。

图4是图1中所示的坩埚通道的示意性横截面图，示出了示例性通道封闭件。

具体实施方式

在以下描述中，相同的数字用于描述各种视图中的相同部件和子部件。

如上所述，本公开提供了一种用于两级铸造金属合金(例如多组分合金)的系统/装置。系统包括第一熔化坩埚6和经由选择性可关闭通道7连接到第一坩埚6的第二冷却坩埚8。第一坩埚6的上表面层叠有金属盐，当电阻加热时所述金属盐在第一坩埚6的上表面上形成相对厚的熔渣层20和在其上形成的熔体11。

该熔渣层20的厚度可以为4至6英寸或以上。它必须足够厚以具有从顶部到底部的大温度梯度，使得上部熔渣层表面温度低于原料元件的最低熔点。熔渣层20的底表面优选地具有高于任何原料元件的熔点的温度。

产生示出为熔体11的期望合金组合物的原料元件1、2、3包括至少一个原料元件，其用作经由原料控制器4连接到远程电源21的第一电极1。也包括次级固体元件2、3，其进给速率也由原料控制器4控制，其添加次级元件以实现熔体11的期望最终组合物。对于高密度材料，这些元件1、2、3可以是固体。这些固体元件的远端将至少在熔渣层20的表面下方。也可以使用中空元件，其用作将高挥发性/低密度材料进给到熔渣层20表面下方的管。

图1示出了根据本公开的一个实施例的两级金属合金铸造系统100的基本图。系统100允许原料1、2和3从原料控制器4进给到第一熔化坩埚6中。示例性的原料元件1、2和3均由可以熔化在一起以形成期望的熔融多组分合金11的元素金属或预合金组成。原料1、2和3以及坩埚6布置在加压气体室5内，所述加压气体室可以在真空下或用惰性气体(He，Ar，N)加压或在一些实施例中用金属蒸汽加压以降低各种金属原料的挥发速率。在合金化过程中使用的许多金属元素在不同的温度和压力下挥发或熔化。优选地，室5保持在期望的温度和压力以在加工期间将所有组成元素保持在液态，如本文所述。压力室5的使用导致熔体的铸态微观结构以及最终产品固化合金9，其包括与钛混合的挥发性组成元素，例如Li、Mg和Zn，如果未使用压力室5则其将被蒸发。

原料运动和功率控制器4经由图2中所示的DC电源21供电。经由电源21向系统100供应DC电力，使得电流通过主要原料电极元件1供给。原料控制器4基于生产期望的多组分合金产品所需的每种原料1、2或3的具体量给出进料速率指令。主要原料元件电极1通过真空室5进给到第一熔化坩埚6，其具有通常几英寸厚的熔渣20的表面层。该熔渣层20通常包括CaF₂以及少量添加剂，并且经由图2中所示的电弧熔化电路加热。主要元件原料1用作图2中所示的熔化电流电路中的电极。第一熔化坩埚6电连接到电源21，作为返回，因此完成电路。熔渣20用作电源21的该电路中的串联电阻元件。通过电极1的电流电阻加热熔渣20并将主电极1的尖端熔化到第一坩埚6中，最初形成熔体11。经由主电极1通过原料控制器4供给并且经由电阻加热通过熔渣20供给到第一坩埚6的电流使熔渣20加热，这又导致也浸入加热的熔渣20中的主要原料电极1和次级原料元件2和3在第一熔化坩埚6中熔化并搅炼为共同熔体11。

原料控制器4与待产生的期望组合物熔体11成比例地调节每种原料1、2和3到坩埚6中的进给速率。此外，原料控制器4调节熔渣20中的主电极1尖端的位置以便以受控的速率促进熔化。

优选在第一坩埚6中搅拌组合物熔体11。可以通过感应或电磁搅拌，机械搅拌，声波或超声搅拌或其它机制来完成熔体11的搅拌。用于电磁搅拌的一种示例性布置在图3中示出。多组分合金熔体11可以含有密度差异显著的元件。由于多组分合金的性质取决于整个材料中元素组合物的均匀性，因此必须将液相金属组分搅拌在一起以确保在它们固化之前的均匀性。通过使用磁力搅拌控制系统12向至少一个感应线圈13提供AC电力可以电磁搅拌组合物11。

图3示出了电磁搅拌控制器12。磁力搅拌控制器12允许系统100动态地修改控制第一坩埚6中的液相金属11的磁力搅拌的参数。磁力搅拌控制器12是一个部件，其能够调节磁力搅拌机构(例如一系列线圈13)的功率以便改变磁场，从而允许磁力搅拌具有不同密度的材料。AC电源14为磁力搅拌控制器12供电。磁力搅拌控制器12调节磁力搅拌感应线圈13的功率和定相，以便改变磁场，从而允许磁力搅拌具有不同密度的材料。

一旦熔体11被充分搅拌以形成多组分合金产品的期望一致性，熔体11就通过抽取阀、通道或端口7输送到包括冷壁冷却坩埚8的第二室中。冷壁冷却坩埚8被冷却，使得包括固体金属合金组合物的静止金属合金组合物头部9可以在冷壁坩埚8中在铸造活塞10上形成。然后可以降低或取出铸造活塞10并且固体金属头部9从活塞10的顶部移除，以便根据需要进一步使用或处理。

本文所述的原料1、2、3包括用于多组分合金产品的至少两种单独的原料来源，并且可以包括任何形式的元素金属(例如，Li、Ti、Mn、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Ag、W、Mo、Nb、Al、Cd、Sn、Pb、Bi、Zn、Ge、Si、Sb和Mg)或预合金，其例如可以为圆柱形线状，粒状颗粒，或粉末状。优选地，主要元件电极1是最高熔化温度元素或合金，例如钛。这样，当电流通过电极1供给到熔渣20时，它将被加热到足够高以使钛逐渐熔化。加热的熔渣20又将加热并熔化次级原料2和3，使得它们通过熔渣20熔化到第一坩埚6中以结合到熔体11中。

可选地，第一坩埚6可以由可消耗金属材料本身构成，使得第一坩埚6的一部分熔化并形成第一级中的熔体11的一部分。而且，原料元件中的一种可以是预合金，例如铝和/或钛合金，或者原料元件1、2、3中的一种或多种可以是更复杂的多组分合金，例如包括在如上所述的先前的两级过程中预合金化在一起的至少三种或四种或更多种元素金属的合金。

在本文所述的实施例中，原料元件和合金可以为圆柱形线状，粒状颗粒，或粉末状等。电极1可以是实心棒或可以是中空的，或是填充有另一组分元素或合金以变为熔体11的一部分的中空管。此外，熔渣20也可以在其中包含一种或多种原料元件或添加剂，其在熔体11的形成期间与原料元件1、2和3组合。

图4示出了系统100的一个示例性实施例，其中冷却阀销30用于可控制地将通道7的锥形入口部分29从坩埚6打开到冷坩埚8的顶部上的固化头部9中。如上所述，在熔化和形成熔体11期间，通道7的入口29关闭。在那些操作期间，至少通道7的入口29由中空梯形尖端形状的阀盘销30关闭。通道7在图4为了解释目的而夸大尺寸示出。通道7可以基本上在入口29的下游消除，使得入口29是进入第二冷却坩埚8的通道7的全部存在。当需要将熔体11转移到坩埚8中时，阀销30缓慢取出，同时冷却液体31在阀销30内循环。提升销30打开间隙A，小心地控制所述间隙，使得通过销30的尖端并经由间隙A通过通道7的熔体11在下落到头部9上之前不会变为固态。可以通过减小或增加间隙A并通过在转移操作期间调节销30内的冷却流体31的温度对此进行控制。如果由诸如铜的导电金属制成，第一坩埚6也可以被冷却或热调节，使得经由熔渣层20的电阻加热形成的熔体11在上述熔体11的第一级形成期间和通过通道7的转移过程期间保持液态。

虽然已详细描述了本文所描述的新技术的各种实施方案，但显而易见，本领域技术人员将想到那些实施方案的修改和改编。例如，可以一次又一次地使用两级工艺和装置，其使用在前一级中产生的一种或多种中间固体多组分合金作为系统100的后续使用中的预合金元件1、2或3。应当清楚地理解，此类修改和改编在本公开技术的精神和范围内。

Claims (35)

1.一种用于金属合金的两级铸造的系统，其包括：

第一级，所述第一级包括第一坩埚、连接到所述第一坩埚以调节所述第一坩埚中的原料金属的挥发速率使得引入所述第一坩埚中的所有金属在所述第一坩埚中保持液态的加压惰性气体或金属蒸汽室、以及将原料金属分配到所述室中和所述第一坩埚中的原料控制系统，其中所述原料金属以足以获得最终金属合金的目标组合物的速率分配；

其中所述原料金属中的至少一种是电极的形式，其中所述系统可操作以向所述电极供应电流；以及

第二级，所述第二级包括经由通道连接到所述第一坩埚的第二冷却坩埚。

2.根据权利要求1所述的系统，其还包括在所述第一坩埚上的金属盐/熔渣层，所述金属盐/熔渣层具有上表面。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电极具有浸没在所述金属盐/熔渣层的上表面下方的尖端。

4.根据权利要求3所述的系统，其还包括经由原料控制系统进给到所述金属盐/熔渣中的一种或多种次级原料元件。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述次级原料元件是位于所述熔渣层的上表面下方的高密度材料。

6.根据权利要求2所述的系统，其中所述电极和所述次级元件中的一个包括在所述熔渣层的上表面下方延伸的一个或多个中空元件。

7.根据权利要求2所述的系统，其中所述熔渣层是具有从所述层的上表面到底部的递增温度梯度的金属盐/熔渣层。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述次级元件在所述熔渣层的上表面下方延伸。

9.根据权利要求2所述的系统，其中所述层具有的厚度足以实现与其上表面相关的第一温度，以及与其下表面相关的第二温度，其中所述第一温度低于所述电极的熔点并且其中所述第二温度高于所述电极的熔点。

10.根据权利要求3至8中任一项所述的系统，其中所述层具有的厚度足以实现与其上表面相关的第一温度，以及与其下表面相关的第二温度，其中所述第一温度低于所述电极的熔点并且其中所述第二温度高于所述电极的熔点。

11.一种生产金属合金的两级方法，其包括：

将金属盐层置于第一坩埚中，其中所述第一坩埚经由通道连接到第二坩埚；

将第一电极引入所述金属盐层中；

使电流通过所述第一电极以在所述第一坩埚中经由电阻加热从所述金属盐层产生熔渣层；

将所述电极推入所述熔渣层使得所述电极的尖端开始在所述第一坩埚中的所述熔渣层下方熔化成熔融组合物；

将次级原料元件引入所述熔渣层中以将所述次级原料元件在所述第一坩埚中熔化成所述熔融组合物；

继续将所述电极和所述次级原料元件熔化成所述组合物直到获得期望体积的组合物；

一旦获得期望体积的熔融组合物，打开到所述第二坩埚的通道，使得所述熔融组合物流入所述第二坩埚；以及

将所述第二坩埚中的所述组合物冷却至固态。

12.根据权利要求11所述的方法，其中冷却所述组合物包括当所述熔融组合物在所述第二坩埚中自底向上固化时逐渐降低附接到所述第二坩埚的底部的活塞。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述电极是具有待引入所述第一坩埚中的任何元件的最高熔点的金属。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述电极是中空管。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述电极是钛或钛合金。

16.根据权利要求11所述的方法，其中通过所述第一电极电阻加热所述金属盐将所述熔渣层加热到高于次级元件熔点的温度。

17.根据权利要求11所述的方法，其还包括当熔体在所述次级坩埚中固化时经由活塞取出所述次级坩埚。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述取出由重力辅助。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述熔融组合物通过重力进给流入所述次级坩埚。

20.根据权利要求11所述的方法，其中当所述次级坩埚中的组合物的底部分固化时，所述次级坩埚被取出，使得所述底部分相对于所述次级坩埚的顶部逐渐降低。

21.根据权利要求20所述的方法，其还包括取出所述活塞直到取出所述组合物的固体锭料以便从所述次级坩埚移除。

22.根据权利要求13-20中任一项所述的方法，其中冷却所述组合物包括当所述熔融组合物在所述第二坩埚中自底向上固化时逐渐降低附接到所述第二坩埚的底部的活塞。

23.根据权利要求14-21中任一项所述的方法，其中所述电极是具有待引入所述第一坩埚中的任何元件的最高熔点的金属。

24.根据权利要求17-21中任一项所述的方法，其中通过所述第一电极电阻加热所述金属盐将所述熔渣层加热到高于次级元件熔点的温度。

25.根据权利要求12-19中任一项所述的方法，其中当所述次级坩埚中的组合物的底部分固化时，所述次级坩埚被取出，使得所述底部分相对于所述次级坩埚的顶部逐渐降低。

26.一种用于金属合金的两级铸造的系统，其包括：

第一级，所述第一级包括第一坩埚、连接到所述第一坩埚以调节所述第一坩埚中的原料金属的挥发速率使得引入所述第一坩埚中的所有金属在所述第一坩埚中保持液态的加压惰性气体或金属蒸汽室、以及将原料金属通过所述室分配到所述第一坩埚中的原料控制系统，其中所述原料金属以足以获得最终金属合金的熔融组合物的速率分配；

其中所述原料金属中的至少一种是电极的形式，其中所述系统可操作以向所述电极供应电流；

电磁搅拌机构，所述电磁搅拌机构可操作以搅拌所述第一坩埚中的所述熔融组合物；以及

第二级，所述第二级包括经由通道连接到所述第一坩埚的第二冷却坩埚。

27.根据权利要求26所述的系统，其还包括在所述第一坩埚上的金属盐/熔渣层，所述金属盐/熔渣层具有上表面。

28.根据权利要求27所述的系统，其中所述电极具有浸没在所述金属盐/熔渣层的上表面下方的尖端。

29.根据权利要求28所述的系统，其还包括经由原料控制系统进给到所述金属盐/熔渣中的一种或多种次级原料元件。

30.根据权利要求29所述的系统，其中所述次级原料元件是位于所述熔渣层的上表面下方的高密度材料。

31.根据权利要求29所述的系统，其中所述电极和所述次级元件中的一个包括在所述熔渣层的上表面下方延伸的一个或多个中空元件。

32.根据权利要求27所述的系统，其中所述熔渣层是具有从所述层的上表面到底部的递增温度梯度的金属盐/熔渣层。

33.根据权利要求29所述的系统，其中所述次级元件在所述熔渣层的上表面下方延伸。

34.根据权利要求27所述的系统，其中所述层具有的厚度足以实现与其上表面相关的第一温度，以及与其下表面相关的第二温度，其中所述第一温度低于所述电极的熔点并且其中所述第二温度高于所述电极的熔点。

35.根据权利要求28-33中任一项所述的系统，其中所述层具有的厚度足以实现与其上表面相关的第一温度，以及与其下表面相关的第二温度，其中所述第一温度低于所述电极的熔点并且其中所述第二温度高于所述电极的熔点。