CN111910093A - 一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法。该装置包括炉体、控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设于炉体内；感应熔炼单元用于对合金原料熔炼和精炼；电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体提纯处理；层凝单元用于对提纯后熔体冷却并使其形成层凝结构；温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；真空单元用于为炉体提供真空环境。本发明装置有助于解决难变形高温合金偏析严重、组织粗大和热塑性差的技术瓶颈。
Description
技术领域
本发明属于难变形高温合金制备技术领域，更具体地，涉及一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法。
背景技术
作为发动机的核心热端部件，高温合金涡轮盘必须具有不断提高的承温承载能力，高温合金涡轮盘的制备技术成为现代航空发动机设计与制造的重大关键技术之一。目前，高性能航空发动机中涡轮盘的承温能力在700～800℃之间，所用难变形高温合金中Al+Ti+Nb含量高达10wt％，强化相含量在45～55％之间，接近铸造高温合金的水平。
涡轮盘的制备工艺主要包括合金设计、三联冶炼(真空感应(VIM)+电渣重熔(ESR)+真空自耗自耗(VAR))、均匀化退火、反复镦拔开坯、模锻成型和热处理，最终制备成涡轮盘。现有的三联冶炼工艺存在生产周期长、成本高和材料的收得率较低等不足，尤其是无法解决合金元素偏析严重和热塑性差的技术瓶颈，导致合金的热加工性能极差。这些问题极大地限制了难变形高温合金水平的发展，并严重影响了相关型号发动机的研制。
目前，真空感应熔炼技术是生产高温合金最成熟的技术，该技术对原材料尺寸和形状均无要求。但传统真空感应熔炼得到的难变形合金铸锭存在元素偏析程度高、组织比较粗大和大量缩孔等问题，其热加工能力很差。对于难变形高温合金真空感应熔炼获得的铸锭需要进一步精炼提纯才能进行高温变形。电子束提纯高温合金技术在温度、真空度以及凝固控制等方面具有明显的优势。此外，电子束的可控性好，可通过控制电子束来控制熔池的加热部位，从而保证熔池温度分布均匀，得到表面质量优良的铸锭。但是，电子束提纯过程中熔化原料的速度慢，明显增加了高能电子束系统的能耗，降低了电子枪的使用寿命；此外，现有电子束制备高纯合金只要求去除杂质元素，对金属的凝固组织无要求。因此，现有的电子束精炼提纯技术无法满足难变形高温合金对元素偏析和调控凝固组织的需求。
发明内容
本发明的目的是针对难变形高温合金传统三联冶炼周期长、成本高、铸态组织偏析严重和晶粒粗大的问题，提供一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法，该装置有助于解决难变形高温合金偏析严重、组织粗大和热塑性差的技术瓶颈，从而实现难变形高温合金的低成本、短流程制备新工艺，为变形高温合金及其关键部件制造技术的发展和应用提供技术支撑。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，该装置包括：炉体，控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；
所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体内；
所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；
所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体进行提纯处理；
所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；
所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；
所述控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；
所述真空单元用于为炉体提供真空环境。
本发明的另一方面提供一种利用上述装置制备难变形高温合金的方法，该方法包括如下步骤：
(1)利用真空单元将炉体内部抽真空，然后在感应熔炼单元中对合金原料进行熔炼和精炼，得到熔体；
(2)所述熔体通过所述电子束提纯单元进行提纯，并在层凝单元中冷却形成层凝结构，得到难变形高温合金铸锭；
其中，利用温度监测单元对所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度进行监测；利用控制单元控制所述感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)可制备高均质难变形高温合金，本发明装置可以将元素的偏析程度控制在层覆层内，解决了高合金化难变形高温合金铸锭宏观偏析严重问题。
(2)可实现凝固组织控制，传统变形高温合金生产过程中只注重纯净化冶炼，对合金凝固组织控制难度较大，本装置通过感应熔炼单元浇铸、电子束加热和层凝单元使合金凝固过程中产生沿竖直方向的温度梯度，控制合金的层覆层厚度和晶粒状态，提高了难变形高温合金的热塑性，解决了合金热加工性能差的问题。
(3)实现难变形高温合金的短流程、低成本制备，传统难变形高温合金需要通过三联熔炼(真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗)制备出宏观偏析严重和组织粗大的铸锭，三联冶炼的生产周期长、成材率低和成本高。本发明装置集合金熔炼、精炼、层覆凝固于一体，实现单联冶炼(真空感应熔炼结合电子束层凝技术)新技术，达到难变形高温合金短流程、低成本制造目的。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的装置中感应熔炼坩埚的结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的装置中水冷铜坩埚的结构示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的装置制备的难变形高温合金铸锭微观组织结构示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例制备的难变形高温合金坯料在1100℃/0.1s-1的热压缩试样。
图6示出了根据本发明的一个比较例制备的难变形高温合金坯料在1100℃/0.1s-1的热压缩试样。
图7示出了根据本发明实施例和比较例制备的难变形高温合金坯料在1100℃/0.1s-1的热压缩应力应变曲线。其中，图中横轴表示应变，纵轴表示应力，MPa。
附图标记说明：
1.炉体；2.电子枪；3.感应熔炼坩埚；4.水冷铜坩埚；5.熔体；61.扩散泵，62.增压泵，63.机械泵；7.电磁阀；8.管道构件；9.旋转电机；10.水冷铜坩埚支撑台；11.红外影像仪；12.感应线圈；13.感应电源；14.进水口；15.出水口；16.铸锭；17.层凝组织；18.柱状晶粒；19.真空测试仪。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明的一方面提供一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，该装置包括：炉体，控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；
所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体内；
所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；
所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体进行提纯处理；
所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；
所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；
所述控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；
所述真空单元用于为炉体提供真空环境。
本发明中，所述控制单元主要能够实现以下几个功能：真空单元自动控制、感应熔炼单元的感应熔炼电流的控制、电子束提纯单元电子束偏转和聚焦控制、层凝单元的循环水流量控制、感应熔炼单元的感应熔炼坩埚翻转、层凝单元的升降伺服电机自动控制和温度监测单元的运动和监测控制。
本发明的控制单元可以采用本领域的常规自动化控制手段实现；例如，所述控制单元优选主要包括PLC、工控机、智能调压器件、交流伺服控制器及伺服电机和直流稳压电源等器件。
在一个示例中，所述感应熔炼单元包括：感应线圈、感应熔炼坩埚、感应电源和旋转电机；所述感应线圈缠绕于所述感应熔炼坩埚外壁上，所述感应线圈与所述感应电源连接，所述旋转电机设置于所述感应熔炼坩埚底部，用于控制所述感应熔炼坩埚翻转。
本发明中，感应熔炼单元能够通过旋转电机实现感应熔炼坩埚翻转，保证浇铸过程中对速度的控制，保证浇铸过程的稳定性和可控性。
在一个示例中，所述电子束提纯单元设置在所述层凝单元上方，包括电子枪，所述电子枪设置于所述炉体内，用于发射电子束；
所述装置还包括电子枪真空部件，所述电子枪真空部件与所述电子枪连接，用于对所述电子枪进行抽真空。
本发明中，所述电子束提纯单元主要通过层凝单元的水冷铜坩埚上方电子枪实现，在高真空条件下调节电子枪功率、扫描轨迹和浇铸速度使熔池保持在较高的温度，在高温高真空的环境下熔体充分发生脱气和杂质的分解与挥发，实现合金熔体进一步提纯。
在一个示例中，所述层凝单元包括水冷铜坩埚、水冷铜坩埚支撑台和伺服电机；所述水冷铜坩埚设置于所述水冷铜坩埚支撑台上，所述伺服电机设置于所述水冷铜坩埚支撑台下部，用于控制所述水冷铜坩埚支撑台沿竖直方向上下移动；所述水冷铜坩埚用于冷却进入的熔体。
本发明中，所述层凝单元是通过电子束提纯单元的电子枪发射的电子束加热水冷铜坩埚中的熔池，水冷铜坩埚冷却，并且感应熔炼单元的感应熔炼坩埚连续浇铸补料，形成层覆层凝固。
在一个示例中，所述水冷铜坩埚的底部外壁上设置有进水口，上部侧壁上设置有出水口，所述进水口与进水管路连通，所述出水口与出水管路连通，所述进水管路上设置有水压传感器，所述出水管路上设置有温度传感器和热式流量开关。
本发明中，所述水冷铜坩埚是本发明装置中实现层凝的重要部件，水冷铜坩埚可以沿竖直方向上下运动，水冷铜坩埚内的冷却水循环由底部向上流动，可带走水冷铜坩埚壁大量的热量，冷却效率高。
所述水冷铜坩埚的水冷系统回水路设置温度传感器和热式流量开关，总进水路设有水压传感器，当水量过低、水压欠压过压、水温超温时发出报警，同时切断难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置的电源输出。
在一个示例中，所述温度监测单元设置于炉体顶部，包括红外影像仪和机械传动部件，所述机械传动部件与所述红外影像仪连接，用于控制所述红外影像仪摇摆运动，以监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度。
本发明的温度监测单元能够测试感应熔炼单元的感应熔炼坩埚和层凝单元的水冷铜坩埚中的熔体温度，实现全场测量、观察方便直观、测量精度高。
本发明中，所述温度监测单元的机械传动部件可以采用本领域的常规手段实现，例如，机械传动部件包括减速电机和齿条，所述减速电机和所述齿条连接，采用所述减速电机带动所述齿条进而带动红外影像仪的摇摆运动。
作为优选方案，本发明的温度监测单元还包括密封组件，所述密封组件设置于所述红外影像仪上，用于保持所述红外影像仪在摇摆运动中与所述炉体的密封性。
在一个示例中，所述真空单元包括机械泵、增压泵、扩散泵、真空测试仪、电磁阀和管道构件；所述炉体两侧均设置有所述管道构件，所述炉体两侧的管道构件上均设置有电磁阀，所述扩散泵、增压泵和机械泵依次串联设置于所述炉体一侧的管道构件上；所述真空测试仪设置于所述管道构件上。
在一个示例中，所述扩散泵为至少两个，所述至少两个扩散泵并联设置于所述管道构件上。
在一个示例中，所述真空测试仪为多个。
本发明的真空单元主要实现熔炼、进一步提纯和层凝过程中真空度的有效调控。
本发明装置利用了电子束诱导层凝技术调控凝固组织的新思路，该装置充分发挥真空感应熔炼在高温合金熔炼方面低成本和高效率优势，同时采用电子束诱导层凝结合水冷铜坩埚消除难变形高温合金铸锭偏析和粗大晶粒组织。
本发明装置采用真空感应熔炼高温合金原材料，可熔化棒料、块状、屑状或粉末状的原料，熔料效率比电子束熔炼明显提高；电子束提纯过程中采用无污染的水冷铜坩埚，电子束在本设备中主要作为维持坩埚中层凝表层熔池的热源，通过现代计算机技术、电子技术和自动化技术的应用，控制电子枪扫描轨迹和功率，也可以实现对高温合金的进一步提纯；同时，基于溶质凝固分凝理论，利用电子枪与水冷坩埚的协调作用改变合金的凝固条件，表层熔体在电子束和水冷坩埚诱导下进行凝固，通过循环熔炼-精炼-浇注-进一步提纯-诱导凝固过程，调控层凝层厚度和凝固速度，从而实现抑制合金元素偏析和控制晶粒生长的目的。该装置突破了传统三联冶炼技术中大锭型引起的偏析严重和组织粗大等问题，解决高温合金冶炼过程中的均质化和凝固组织控制问题，在最短流程(单联)中，制备出高均质层凝难变形高温合金铸锭，其热塑性明显高于其他工艺制备的合金，为难变形高温合金涡轮盘的低成本、短流程制备提供新的技术路线。
本发明中，本发明的装置制备难变形高温合金过程分三步，(1)感应熔炼过程：将高温合金所用原材料放入由感应线圈缠绕的感应熔炼坩埚中，在真空环境下感应线圈通电，产生感应电动势使炉料内部产生涡流，随着热量越积越多，合金由固态熔化为液态，实现熔炼过程；并且，由于整个熔炼过程在高真空环境下，熔体会受到电磁力的作用，可以实现自动搅拌，所以感应熔炼可以去除熔体中的大量气体杂质，使熔体中的成分分布均匀，实现精炼效果；(2)电子束进一步提纯过程：将熔化和精炼的合金熔液浇注进水冷铜坩埚中，利用置于水冷铜坩埚上方的电子枪向熔体发射电子束，电子束的轰击及诱导凝固可以使杂质物在熔体表面富集、分解，达到杂质元素及夹杂物深度去除的目的，其气体的析出、杂质元素的挥发、非金属夹杂的上浮、分解和排除以及碳的脱氧反应等，比其他熔炼方法具有更优越的热力学条件，进而实现高温合金纯净化的目的，该过程在高温、高真空的作用下，可以突破现有高温合金熔炼中微量杂质元素和夹杂物的去除极限，强化O、N、S等杂质元素的蒸发去除；(3)层覆凝固过程：电子束轰击使水冷铜坩埚中的合金表层始终处于高温熔体状态，而水冷铜坩埚中的底部由于循环水冷却使合金产生凝固，受到浇入熔体体积和电子枪功率的影响，凝固组织会产生层覆层，能将偏析程度控制在层覆层范围内，从而显著提高合金的均质性，同时层覆层中的晶粒受温度梯度的影响，形成柱状晶定向生长，通过调控层覆层厚和柱状晶尺寸促进了合金开坯过程中的再结晶行为，从而明显提高了难变形高温合金的热塑性。
本发明的另一方面提供一种利用上述装置制备难变形高温合金的方法，该方法包括如下步骤：
(1)利用真空单元将炉体内部抽真空，然后在感应熔炼单元中对合金原料进行熔炼和精炼，得到熔体；
(2)所述熔体通过所述电子束提纯单元进行提纯，并在层凝单元中冷却形成层凝结构，得到难变形高温合金铸锭；
其中，利用温度监测单元对所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度进行监测；利用控制单元控制所述感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行。
以下通过实施例进一步说明本发明：
以下实施例和比较例，制备的难变形高温合金成分如下：
Co 15％、Ta 2％、Cr 10％、Ti 3％、Al 4％、W 2.5％、Mo 4.5％、Nb 3.5％、V0.5％、C 0.08％、Zr 0.01％、B 0.01％、余量为Ni。
实施例
如图1-4所示，本实施例提供一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，该装置包括：炉体1，控制单元(未示出)、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体1内；所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体5进行提纯处理；所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；所述控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；所述真空单元用于为炉体提供真空环境。
其中，所述感应熔炼单元包括：感应线圈12、感应熔炼坩埚3、感应电源13和旋转电机9；所述感应线圈12缠绕于所述感应熔炼坩埚3外壁上，所述感应线圈12与所述感应电源13连接，所述旋转电机9设置于所述感应熔炼坩埚3底部，用于控制所述感应熔炼坩埚3翻转。
所述电子束提纯单元设置在所述层凝单元上方，包括电子枪2，所述电子枪2设置于所述炉体1内，用于发射电子束；所述装置还包括电子枪真空部件(未示出)，所述电子枪真空部件与所述电子枪2连接，用于对所述电子枪2进行抽真空。
所述层凝单元包括水冷铜坩埚4、水冷铜坩埚支撑台10和伺服电机(未示出)；所述水冷铜坩埚4设置于所述水冷铜坩埚支撑台10上，所述伺服电机设置于所述水冷铜坩埚支撑台10下部，用于控制所述水冷铜坩埚支撑台10沿竖直方向上下移动；所述水冷铜坩埚4用于冷却进入的熔体5。所述水冷铜坩埚4的底部外壁上设置有进水口14，上部侧壁上设置有出水口15，所述进水口14与进水管路连通，所述出水口15与出水管路连通，所述进水管路上设置有水压传感器(未示出)，所述出水管路上设置有温度传感器(未示出)和热式流量开关(未示出)。
所述温度监测单元设置于炉体1顶部，包括红外影像仪11和机械传动部件(未示出)，所述机械传动部件与所述红外影像仪11连接，用于控制所述红外影像仪11摇摆运动，以监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度。
所述真空单元包括机械泵63、增压泵62、扩散泵61、真空测试仪19、电磁阀7和管道构件8；所述炉体1两侧均设置有所述管道构件8，所述炉体两侧的管道构件8上均设置有电磁阀7，所述扩散泵61、增压泵62和机械泵63依次串联设置于所述炉体一侧的管道构件8上；所述真空测试仪19设置于所述管道构件8上；所述扩散泵61为两个，所述两个扩散泵61并联设置于所述管道构件8上；所述真空测试仪19为三个。
利用本实施例的装置制备难变形高温合金的方法如下：首先根据难变形高温合金的成分进行配料，将原料放入感应熔炼坩埚3中，利用真空单元(扩散泵61、增压泵62、机械泵63和电磁阀7和管道构件8)将炉体1的真空度抽到6×10-3Pa，然后开启感应电源13，感应线圈12中通入电流，感应熔炼坩埚3中的原料在涡流作用下熔化，通过控制电流调节感应熔炼坩埚3中的熔体5的温度，起到精炼作用；通过感应熔炼单元的旋转电机9将感应熔炼坩埚3中的熔体5浇铸到水冷铜坩埚4中，浇铸熔体的体积和浇铸速度受旋转电机9控制；利用电子枪真空部件(未示出)将电子枪室真空度抽到5×10-4Pa，开启电子枪2，利用电子束轰击水冷铜坩埚4中的熔体，控制电子枪的功率和扫描轨迹，达到进一步提纯效果；最后调节水冷铜坩埚4中的冷却水流速，并且通过水冷铜坩埚支撑台10控制水冷铜坩埚4沿竖直方向上下运动速度，使水冷铜坩埚4中的铸锭16凝固过程中产生竖直方向温度梯度，在感应熔炼坩埚3浇铸速度(100mL/min)和流量、电子枪2功率(180kW)和扫描轨迹(扫描轨迹为由水冷铜坩埚的中心到水冷铜坩埚的坩埚壁的同心圆组成)、以及水冷铜坩埚4冷却(水冷铜坩埚中的冷却水流速为5L/min)和抽拉速度(水冷铜坩埚抽拉速度为10mm/min)等参数控制下，实现层凝组织17凝固，并且每层层凝组织17中的柱状晶粒18呈定向生长。难变形高温合金铸锭制备过程中感应熔炼坩埚3和水冷铜坩埚4中的熔体5温度受温度检测单元(红外影像仪11)实时监测，整个制备过程通过自动控制单元的自动化控制完成。
将上述制备的铸锭16在热处理炉中1200℃保温8h进行均匀化处理，在均匀化处理后的铸锭上切取Φ10cm×15cm的试样，在Gleeble3800热模拟试验机上进行热压缩实验，压缩条件为1100℃/0.1s-1，试验机实时记录应力应变曲线，压缩后试样如图5所示，应力应变曲线如图7所示。显然，经过本发明装置制备的难变形高温合金铸锭热塑性明显优于传统方法制备的铸锭，并且变形抗力也得到一定降低，对于铸锭的制备周期也明显缩短(冶炼流程短、均匀化处理时间短)。
比较例
本比较例采用传统冶炼方法制备难变形高温合金铸锭，该方法依次进行真空感应熔炼、电渣重熔和真空感应自耗精炼，首先将原料放入真空感应熔炼坩埚炉中，利用感应电流加热，将原料熔化并浇铸成铸锭；对感应熔炼铸锭进行切冒口和扒皮，然后作为电渣重熔的电极进行电渣重熔，得到电渣重熔铸锭；最后对电渣重熔的铸锭进行扒皮，作为真空感应自耗精炼的铸锭进行精炼，得到最终的三联冶炼铸锭。
将上述传统方法制备的三联冶炼铸锭在热处理炉中1200℃保温28h进行均匀化处理，在均匀化处理后的铸锭上切取Φ10cm×15cm的试样，在Gleeble3800热模拟试验机上进行热压缩实验，压缩条件为1100℃/0.1s-1，试验机实时记录应力应变曲线，压缩后试样如图6所示，应力应变曲线如图7所示。显然，压缩试样产生开裂，经过本发明比较例制备的难变形高温合金铸锭热塑性差，变形抗力大，同时铸锭的制备周期长。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，其特征在于，该装置包括：炉体，控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；
所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体内；
所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；
所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体进行提纯处理；
所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；
所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；
所述控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；
所述真空单元用于为炉体提供真空环境。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感应熔炼单元包括：感应线圈、感应熔炼坩埚、感应电源和旋转电机；所述感应线圈缠绕于所述感应熔炼坩埚外壁上，所述感应线圈与所述感应电源连接，所述旋转电机设置于所述感应熔炼坩埚底部，用于控制所述感应熔炼坩埚翻转。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子束提纯单元设置在所述层凝单元上方，包括电子枪，所述电子枪设置于所述炉体内，用于发射电子束；
所述装置还包括电子枪真空部件，所述电子枪真空部件与所述电子枪连接，用于对所述电子枪进行抽真空。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述层凝单元包括水冷铜坩埚、水冷铜坩埚支撑台和伺服电机；所述水冷铜坩埚设置于所述水冷铜坩埚支撑台上，所述伺服电机设置于所述水冷铜坩埚支撑台下部，用于控制所述水冷铜坩埚支撑台沿竖直方向上下移动；所述水冷铜坩埚用于冷却进入的熔体。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述水冷铜坩埚的底部外壁上设置有进水口，上部侧壁上设置有出水口，所述进水口与进水管路连通，所述出水口与出水管路连通，所述进水管路上设置有水压传感器，所述出水管路上设置有温度传感器和热式流量开关。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述温度监测单元设置于炉体顶部，包括红外影像仪和机械传动部件，所述机械传动部件与所述红外影像仪连接，用于控制所述红外影像仪摇摆运动，以监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述真空单元包括机械泵、增压泵、扩散泵、真空测试仪、电磁阀和管道构件；所述炉体两侧均设置有所述管道构件，所述炉体两侧的管道构件上均设置有电磁阀，所述扩散泵、增压泵和机械泵依次串联设置于所述炉体一侧的管道构件上；所述真空测试仪设置于所述管道构件上。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述扩散泵为至少两个，所述至少两个扩散泵并联设置于所述管道构件上。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述真空测试仪为多个。
10.一种利用权利要求1-9中任意一项所述的装置制备难变形高温合金的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)利用真空单元将炉体内部抽真空，然后在感应熔炼单元中对合金原料进行熔炼和精炼，得到熔体；
(2)所述熔体通过所述电子束提纯单元进行提纯，并在层凝单元中冷却形成层凝结构，得到难变形高温合金铸锭；
其中，利用温度监测单元对所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度进行监测；利用控制单元控制所述感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040105483A1 (en) * | 2002-12-02 | 2004-06-03 | Shuang-Shii Lian | Method and apparatus for solidification-controllable induction melting of alloy with cold copper crucible |
| CN202022753U (zh) * | 2011-01-20 | 2011-11-02 | 江西开昂新能源科技有限公司 | 一种多晶硅提纯装置 |
| WO2012100485A1 (zh) * | 2011-01-29 | 2012-08-02 | 大连隆田科技有限公司 | 一种电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的方法及设备 |
| CN104131165A (zh) * | 2014-07-03 | 2014-11-05 | 大连理工大学 | 一种电子束熔炼装置及利用该装置制备铌基超高温合金的方法 |
| DE102014010715A1 (de) * | 2014-07-19 | 2016-01-21 | VDM Metals GmbH | Verfahren zur Erschmelzung einer Ti-Basislegierung |
| CN107164639A (zh) * | 2017-06-27 | 2017-09-15 | 大连理工大学 | 一种电子束层覆式凝固技术制备高温合金的方法 |
| CN107385244A (zh) * | 2017-07-13 | 2017-11-24 | 大连理工大学 | 一种电子束层覆诱导凝固技术高纯化制备镍基高温合金的方法 |
| CN107574322A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-12 | 大连理工大学 | 一种电子束熔炼技术高纯化制备镍基高温合金的方法 |
| CN110423918A (zh) * | 2019-08-01 | 2019-11-08 | 大连理工大学 | 一种电子束诱导精炼浇铸技术制备高纯镍基高温合金的方法 |
| CN212335263U (zh) * | 2020-08-24 | 2021-01-12 | 中国科学院金属研究所 | 一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置 |
-
2020
- 2020-08-24 CN CN202010856122.6A patent/CN111910093B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040105483A1 (en) * | 2002-12-02 | 2004-06-03 | Shuang-Shii Lian | Method and apparatus for solidification-controllable induction melting of alloy with cold copper crucible |
| CN202022753U (zh) * | 2011-01-20 | 2011-11-02 | 江西开昂新能源科技有限公司 | 一种多晶硅提纯装置 |
| WO2012100485A1 (zh) * | 2011-01-29 | 2012-08-02 | 大连隆田科技有限公司 | 一种电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的方法及设备 |
| CN104131165A (zh) * | 2014-07-03 | 2014-11-05 | 大连理工大学 | 一种电子束熔炼装置及利用该装置制备铌基超高温合金的方法 |
| DE102014010715A1 (de) * | 2014-07-19 | 2016-01-21 | VDM Metals GmbH | Verfahren zur Erschmelzung einer Ti-Basislegierung |
| CN107164639A (zh) * | 2017-06-27 | 2017-09-15 | 大连理工大学 | 一种电子束层覆式凝固技术制备高温合金的方法 |
| CN107385244A (zh) * | 2017-07-13 | 2017-11-24 | 大连理工大学 | 一种电子束层覆诱导凝固技术高纯化制备镍基高温合金的方法 |
| CN107574322A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-12 | 大连理工大学 | 一种电子束熔炼技术高纯化制备镍基高温合金的方法 |
| CN110423918A (zh) * | 2019-08-01 | 2019-11-08 | 大连理工大学 | 一种电子束诱导精炼浇铸技术制备高纯镍基高温合金的方法 |
| CN212335263U (zh) * | 2020-08-24 | 2021-01-12 | 中国科学院金属研究所 | 一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置 |
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