CN109530669B - 一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，包括在水冷坩埚和铸型之间设置的中间包，中间包包括中间包主体、陶瓷托盘及感应加热线圈；水冷坩埚的出液口与中间包主体的顶端开口相对接，中间包主体的底端出液口处安装有陶瓷托盘，陶瓷托盘处设置有封口；连接电源的感应加热线圈对应设置在中间包主体的外侧。本发明的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，在不污染TiAl熔体和损失熔体热量的前提下，调控熔体过热度使后浇注的熔体过热度不低于先浇注的熔体，从而显著提高冒口对铸件的补缩能力，减少TiAl合金铸件缩孔缩松缺陷，改善TiAl的铸造成品率。

Description

一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法

技术领域

本发明涉及金属铸造技术领域，特别是涉及一种调控水冷坩埚浇注TiAl 合金熔化过热度的方法。

背景技术

TiAl熔体具有高的化学活泼性，与几乎所有的氧化物陶瓷发生反应，因此采用氧化物陶瓷坩埚进行TiAl合金熔炼会污染TiAl熔体。水冷坩埚能够在坩埚壁上形成一层合金凝壳，从而避免坩埚壁与合金熔体的接触，保证熔体的纯净度，是熔炼TiAl合金主要使用的坩埚。

水冷坩埚熔炼TiAl合金时，熔体呈悬浮态，仅底部熔体与冷坩埚接触，由于水冷坩埚中的水冷系统会降低与坩埚接触的熔体的热量，因而水冷坩埚内熔体的温度呈现上高下低的特点。采用水冷坩埚进行浇注时，浇出的TiAl熔体温度先高后低，而通常先浇出的熔体填充铸件型腔，后浇出的熔体填充冒口型腔，这会造成冒口中的熔体温度低于铸件，而不利于铸件的补缩。

目前，工业上特别是连铸行业普遍采用中间包来调控熔体的过热度，但此方法尚未应用于调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体的过热度。直接将连铸用中间包应用于水冷坩埚浇注TiAl合金熔体会存在以下问题：冷坩埚熔体过热度不高，连铸用中间包内部的冲击槽、挡墙、挡坝、透气条、消旋器、塞棒等复杂结构不利于TiAl熔体温度的保持，出水口处也易形成凝壳而导致熔体无法流出；TiAl熔体化学活泼性高，目前中间包工作层所用的耐火材料 (MgO、Al2O3、SiO2)会与TiAl熔体发生反应而对熔体造成污染。

由此可见，为调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体的过热度，在水冷坩埚和铸型之间采用中间包，并基于冷坩埚TiAl熔体过热度不高和化学活泼性强的特点，对适用于水冷坩埚TiAl熔体的中间包进行重新设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，以解决上述现有技术存在的问题，在不损失熔体热量和污染熔体的前提下，调控水冷坩埚浇注TiAl熔体的过热度使后浇注的熔体不低于先浇注的熔体，从而显著提高 冒口对铸件的补缩能力，减少TiAl合金铸件缩孔缩松缺陷，改善 TiAl的铸造成品率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，包括在水冷坩埚和铸型之间设置的中间包，所述中间包包括中间包主体、陶瓷托盘及感应加热线圈；所述水冷坩埚的出液口与所述中间包主体的顶端开口相对接，所述中间包主体的底端出液口处安装有所述陶瓷托盘，所述陶瓷托盘处设置有封口；连接电源的所述感应加热线圈对应设置在所述中间包主体的外侧。

优选的，所述封口为TiAl薄板封口；将TiAl熔体从所述水冷坩埚浇注到所述中间包主体中；在所述陶瓷托盘支撑的所述TiAl薄板封口的作用下，熔体在所述中间包主体内短暂停留，熔体温度趋于均匀；与此同时，所述中间包主体外侧的所述感应加热线圈对所述中间包主体内的TiAl熔体以及所述TiAl 薄板封口进行加热；当所述TiAl薄板封口熔化后，所述中间包主体内的TiAl 熔体从所述出液口流出进入铸型。

优选的，所述中间包主体形状呈倒水滴型，且所述中间包主体的容量大于所述水冷坩埚中母合金的重量，所述中间包主体的进料口直径大于熔体沿所述水冷坩埚壁流动的宽度，汇流区剖面斜度为30～60°，所述出液口直径为铸件浇口直径的0.3～0.6倍，且所述出液口的长径比为0.5～2.0。

优选的，所述中间包主体材质为以氧化钇为面层、氧化铝为背层支撑的陶瓷，氧化钇纯度不低于99.9％；陶瓷材料的抗弯强度不低于4.5MPa，蓄热系数不大于7000J·s^-0.5·m^-2·K^-1，导热系数不大于8W·m^-1·K^-1，且陶瓷中不能有任何的金属物质。

优选的，所述TiAl薄板封口的成分与浇注用母合金的成分一致，厚度与所述水冷坩埚中母合金重量之比为0.5～2.0，直径大于所述出液口的内径。

优选的，环形的所述陶瓷托盘的内环直径不小于所述出液口的内径，外环内侧直径大于所述出液口的外径或所述TiAl薄板封口的直径。

优选的，所述感应加热线圈与所述中间包主体之间的缝隙为5～10mm，所述感应加热线圈的高度为所述中间包主体上端面至所述陶瓷托盘下端面所对应的距离，功率可设置随时间变化，最大功率与所述水冷坩埚中母合金重量之比为20～50。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明中的调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体过热度的方法，在水冷坩埚和铸型之间采用中间包，由冷坩埚浇出的TiAl熔体经中间包，后流出的熔体过热度不低于先流出的熔体，从而显著提高冒口对铸件的补缩能力，减少TiAl合金铸件缩孔缩松缺陷，改善TiAl的铸造成品率。

2.本发明中的调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体过热度的方法，所用中间包主体呈“倒水滴型”为相同容量下最小化散热面积，中间包主体外侧的感应加热线圈对中间包主体内的熔体进行加热以补偿热量损失，两者共同作用以达到熔体温度不降低的作用。

3.本发明中的调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体过热度的方法，中间包材质为以氧化钇为面层、氧化铝为背层支撑的陶瓷，封口所用TiAl 薄板与母合金化学成分相同，封口托盘选用陶瓷，以避免中间包对TiAl熔体的污染，保证TiAl合金铸件化学成分的准确性。

4.本发明中的调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体过热度的方法，中间包出液口处的封口采用感应加热方法进行熔化，为中间包出液口的设置方式提供了一种新方法。

5.本发明中的调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体过热度的方法，具有极大的推广价值，适用于调控水冷坩埚浇注其他Ti系合金铸件过程中熔体的过热度，以减少铸件缩孔缩松缺陷，提高铸造成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为中间包的整体结构示意图；

其中，1中间包主体；2感应加热线圈；3陶瓷托盘；4TiAl薄板封口；5 出液口。

具体实施方式

下面将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。

本发明的目的是提供一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，以解决上述现有技术存在的问题，在不损失熔体热量和污染熔体的前提下，调控水冷坩埚浇注TiAl熔体的过热度使后浇注的熔体不低于先浇注的熔体，从而提高显著冒口对铸件的补缩能力，减少TiAl合金铸件缩孔缩松缺陷，改善 TiAl的铸造成品率。

基于此，本发明提供的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，包括在水冷坩埚和铸型之间设置的中间包，中间包包括中间包主体、陶瓷托盘及感应加热线圈；水冷坩埚的出液口与中间包主体的顶端开口相对接，中间包主体的底端出液口处安装有陶瓷托盘，陶瓷托盘处设置有封口；连接电源的感应加热线圈对应设置在中间包主体的外侧。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

请参考图1，其中，图1为中间包的整体结构示意图。

如图1所示，本发明提供一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体过热度的方法，是在水冷坩埚和铸型之间采用中间包。中间包包括中间包主体1，中间包主体1下端的TiAl薄板封口4和支撑薄板的环形托盘，以及中间包主体1外侧的感应加热线圈2。

进一步地，中间包主体1呈“倒水滴”形剖面，材质以氧化钇为面层、氧化铝陶瓷为背层支撑，出液口5处以TiAl薄板为封口且陶瓷托盘3为封口支撑，中间包主体1外侧附带感应加热装置。工作时，将水冷坩埚中TiAl熔体浇注至中间包主体1内，在陶瓷托盘3支撑的TiAl薄板封口4的作用下，熔体在中间包主体1内短暂停留，熔体温度趋于均匀。与此同时，中间包主体1 外侧的感应加热线圈2对中间包主体1内的TiAl熔体以及TiAl薄板封口4进行加热，当TiAl薄板封口4熔化后，中间包主体1内的熔体从出液口5流出进入铸件型腔，且后浇注的熔体过热度不低于先浇注的熔体。由此，在不损失熔体热量和污染熔体的前提下，调控水冷坩埚浇注TiAl熔体的过热度使后浇注的熔体不低于先浇注的熔体，从而提高显著冒口对铸件的补缩能力，减少 TiAl合金铸件缩孔缩松缺陷，改善TiAl的铸造成品率。

本发明的调控水冷坩埚浇注TiAl合金铸件过程中熔体过热度的方法，其使用流程为：

1.将TiAl母合金放置于冷坩埚中，铸件型壳放置在浇注炉指定位置；

2.将环形陶瓷托盘3水平放置在型壳浇口正上方，并将TiAl薄板封口4 放置在环形陶瓷托盘3上；

3.将中间包按其轴线垂直于水平面放置在型壳浇口正上方，其出液口5 下端面紧贴TiAl薄板封口4；

4.关闭炉门，抽真空后充氩保护进行母合金熔炼，待合金完全熔化后将 TiAl熔体由冷坩埚浇注到中间包中，冷坩埚断电；

5.中间包外侧的感应线圈通电，对中间包内的TiAl熔体和TiAl薄板封口 4加热，当TiAl薄板封口4熔化，熔体从中间包出液口5流出，进入铸型，完成浇注。

进一步地，中间包的结构如图1所示，中间包主体1容量大于冷坩埚中母合金的重量，形状呈倒水滴型，以在相同容量条件下使散热面积最小而有利于保持熔体热量；进料口直径大于熔体沿冷坩埚壁流动的宽度，汇流区剖面斜度 30～60°，以兼顾提高静压头作用和减少散热；出液口5直径为铸件浇口直径的0.3～0.6倍，出液口5长径比为0.5～2.0，以保证出中间包熔体不发散；出液口5下端面要求平整，以和TiAl薄板封口4形成配合。

中间包主体1，其材质为以氧化钇为面层、氧化铝为背层支撑的陶瓷，氧化钇纯度不低于99.9％，陶瓷材料的抗弯强度不低于4.5MPa，以在不污染熔体的同时，具备足够的强度；陶瓷材料的蓄热系数不大于7000J·s^-0.5·m^-2·K^-1，导热系数不大于8W·m^-1·K^-1，以降低熔体散热。陶瓷中不能有任何的金属物质，以避免感应加热对中间包主体1造成破坏。

中间包主体1下端的TiAl薄板封口4，薄板成分与冷坩埚内熔炼合金一致，以保证铸件化学成分的准确性。封口厚度与冷坩埚中母合金重量之比(mm/kg) 为0.5～2.0，直径大于中间包出液口5的内径，以实现熔体在中间包内短暂停留。

支撑薄板的环形托盘，材质为陶瓷，以避免被感应加热破坏而失去支撑作用。内环直径不小于中间包流道的内径，外环内侧直径大于中间包流道的外径或TiAl薄板封口4的直径，陶瓷托盘3与TiAl薄板接触的端面要求平整。

中间包外侧的感应加热线圈2，与中间包主体1之间的缝隙为5～10mm，感应线圈的高度为中间包主体1上端面至陶瓷托盘3下端面的距离，功率可设置随时间变化，最大功率与冷坩埚中母合金重量之比(kw/kg)为20～50，以实现对熔体损失的热量进行补偿和熔化TiAl封口使TiAl熔体流出中间包。

实施例一

以水冷坩埚中TiAl熔体浇注直径160mm涡轮为例，本发明所用中间包的特征参数为：

(1)水冷坩埚中母合金重量为5kg，中间包主体1容量为6kg，最大外径 170mm，高度为200mm，蓄料区直径150mm，进料口直径80mm，汇流区剖面斜度为45°，出液口5直径40mm，出液口5长度30mm；

(2)中间包主体1材质为以氧化钇为面层，氧化铝为背层支撑的陶瓷，氧化钇纯度为99.92％，陶瓷抗弯强度为5MPa，蓄热系数为6800J·s^-0.5·m^-2·K^-1，导热系数为7.2W·m^-1·K^-1；

(3)TiAl薄板封口4厚度为5mm，直径为60mm；

(4)陶瓷托盘3材质为氧化铝，内环直径为55mm，高度为10mm，外环内径为65mm，高度为20mm；

(5)中间包主体1外侧的感应线圈直径为180mm，高度为220mm，开启后1s达到最大功率120kw。

根据未采用本中间包和采用本中间包浇注的TiAl涡轮剖面磨光照片和心部最大缺陷照片。可以看出，未采用本中间包浇注的涡轮存在宏观缺陷，而采用本中间包浇注的涡轮不存在宏观缺陷。采用定量金相法对孔隙率进行统计，两个涡轮心部最大缺陷孔隙率分别为8％和0.8％。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，其特征在于：包括在水冷坩埚和铸型之间设置的中间包，所述中间包包括中间包主体、陶瓷托盘及感应加热线圈；所述水冷坩埚的出液口与所述中间包主体的顶端开口相对接，所述中间包主体的底端出液口处安装有所述陶瓷托盘，所述陶瓷托盘处设置有封口；连接电源的所述感应加热线圈对应设置在所述中间包主体的外侧。

2.根据权利要求1所述的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，其特征在于：所述封口为TiAl薄板封口；将TiAl熔体从所述水冷坩埚浇注到所述中间包主体中；在所述陶瓷托盘支撑的所述TiAl薄板封口的作用下，熔体在所述中间包主体内短暂停留，熔体温度趋于均匀；与此同时，所述中间包主体外侧的所述感应加热线圈对所述中间包主体内的TiAl熔体以及所述TiAl薄板封口进行加热；当所述TiAl薄板封口熔化后，所述中间包主体内的TiAl熔体从所述出液口流出进入铸型。

3.根据权利要求1所述的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，其特征在于：所述中间包主体形状呈倒水滴型，且所述中间包主体的容量大于所述水冷坩埚中母合金的重量，所述中间包主体的进料口直径大于熔体沿所述水冷坩埚壁流动的宽度，汇流区剖面斜度为30～60°，所述出液口直径为铸件浇口直径的0.3～0.6倍，且所述出液口的长径比为0.5～2.0。

4.根据权利要求1所述的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，其特征在于：所述中间包主体材质为以氧化钇为面层、氧化铝为背层支撑的陶瓷，氧化钇纯度不低于99.9％；陶瓷材料的抗弯强度不低于4.5MPa，蓄热系数不大于7000J·s^-0.5·m^-2·K^-1，导热系数不大于8W·m^-1·K^-1，且陶瓷中不能有任何的金属物质。

5.根据权利要求2所述的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，其特征在于：所述TiAl薄板封口的成分与浇注用母合金的成分一致，厚度与所述水冷坩埚中母合金重量之比为0.5～2.0，直径大于所述出液口的内径。

6.根据权利要求2所述的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，其特征在于：环形的所述陶瓷托盘的内环直径不小于所述出液口的内径，外环内侧直径大于所述出液口的外径或所述TiAl薄板封口的直径。

7.根据权利要求1所述的调控水冷坩埚浇注TiAl合金熔化过热度的方法，其特征在于：所述感应加热线圈与所述中间包主体之间的缝隙为5-10mm，所述感应加热线圈的高度为所述中间包主体上端面至所述陶瓷托盘下端面所对应的距离，最大功率与所述水冷坩埚中母合金重量之比为20-50。