CN112322906A - 一种提高高温合金铸坯均匀性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高高温合金铸坯均匀性的装置及方法，通过稳态磁场发生器为所述冷凝坩埚提供竖直方向的稳态磁场，向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体，并通过第一合金加热装置对所述设定厚度的合金熔体进行加热，使合金凝固过程中，稳态磁场与固‑液两相之间的内生热电流相互作用驱动熔体流动，有利于降低偏析，通过循环反复完成浇注，获得低偏析、高均质的高温合金铸坯。
Description
技术领域
本发明涉及合金铸坯技术领域，特别是涉及一种提高高温合金铸坯均匀性的装置及方法。
背景技术
铸造合金因凝固时溶质原子在固-液两相中再分配，导致合金元素分布不均匀，从而引起溶质偏析。偏析严重影响铸坯的热加工性能和力学性能。根据尺度的不同，偏析分为微观偏析和宏观偏析。微观偏析会降低铸坯的塑性和韧性，不利于铸坯的后续轧制过程；还会降低铸坯的塑性并增加热裂倾向。宏观偏析会降低铸件的力学性能，易导致热裂和冷裂，还会降低铸件的耐蚀性，严重时会导致铸件性能不合格或失效。降低偏析的方法包括快速凝固技术，细化晶粒技术，电磁搅拌技术等，以及在热处理过程中采用扩散退火等方法。
电子束熔炼层覆凝固技术是一种控制偏析的有效方法。该技术结合电子束熔炼技术和层覆凝固技术。电子束熔炼技术是利用高能量的电子束流轰击金属材料，从而实现金属熔化及精炼的一种技术。该技术已广泛用于金属提纯及合金熔炼。层覆凝固技术则采用逐层浇注金属液到冷凝坩埚的方式，能够将合金元素偏析控制在单层金属的小范围内，降低了铸坯的纵向宏观偏析。与传统一次性浇注成型过程相比，这一技术明显改善了合金铸坯的顶部和底部存在偏析程度大的问题。然而，电子束层覆凝固技术对于层内合金凝固过程产生的偏析问题仍然未能解决。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种提高高温合金铸坯均匀性的装置及方法，以获得低偏析、高均质的合金铸坯。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种提高高温合金铸坯均匀性的装置，所述装置包括：
熔炼炉；
冷凝坩埚，置于所述熔炼炉内，用于凝固熔化的合金液；
稳态磁场发生器，置于所述熔炼炉内，设置在所述冷凝坩埚外侧，用于为所述冷凝坩埚提供竖直方向的稳态磁场；
第一合金加热装置，置于所述熔炼炉内，设置在所述冷凝坩埚的上方，用于加热所述冷凝坩埚内的合金。
可选地，所述装置还包括：
熔炼坩埚，置于所述熔炼炉内，用于盛放、熔化和精炼合金；
第二合金加热装置，置于所述熔炼炉内，设置在所述熔炼坩埚的上方，用于熔化和精炼所述熔炼坩埚内的合金。
可选地，所述稳态磁场的磁场强度为0～1T。
可选地，所述装置还包括：
真空泵，置于所述熔炼炉外，用于为所述熔炼炉内部提供真空环境。
可选地，所述第一合金加热装置为第一电子枪，所述第二合金加热装置为第二电子枪。
本发明一种提高高温合金铸坯均匀性的方法，所述方法应用于所述提高高温合金铸坯均匀性装置，所述方法包括：
通过稳态磁场发生器为所述冷凝坩埚提供竖直方向的稳态磁场；
向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体；
通过第一加热装置对所述设定厚度的合金进行加热；
返回“向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体”，直到完成浇铸。
可选地，所述设定厚度为1～3cm。
可选地，所述向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体之前，具体还包括：
通过第二合金加热装置对熔炼坩埚内的合金进行熔化和精炼。
可选地，所述通过第二合金加热装置对熔炼坩埚内的合金进行熔化和精炼之前，具体还包括：
关闭所述熔炼炉的炉门，通过真空泵将所述熔炼炉抽成真空。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种提高高温合金铸坯均匀性的装置及方法，通过稳态磁场复合电子束层覆凝固技术，一方面电子束层覆凝固技术减少了高温合金铸坯的纵向宏观偏析，另一方面在合金凝固过程中施加稳态磁场，使得固-液两相之间电势差产生的内生热电流与稳态磁场相互作用驱动熔体流动，有利于降低单层高温合金内的微观偏析，获得低偏析、高均质的合金铸坯。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种提高高温合金铸坯均匀性的装置结构示意图；
图2为本发明一种提高高温合金铸坯均匀性的方法流程示意图；
标注说明：
1、稳态磁场发生器，2、熔炼坩埚，3、第二电子枪，4、第一电子枪，5、冷凝坩埚，6、真空泵。
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提高高温合金铸坯均匀性的装置及方法，以获得低偏析、高均质的高温合金铸坯。
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。
图1本发明一种提高高温合金铸坯均匀性的装置结构示意图，如图1所示，一种高温合金装置包括：
熔炼炉。
熔炼坩埚2，置于所述熔炼炉内，用于盛放、熔化和精炼高温合金块。
冷凝坩埚5，置于所述熔炼炉内，用于凝固熔化的高温合金液。
稳态磁场发生器1，置于所述熔炼炉内，设置在所述冷凝坩埚5外侧，用于为所述冷凝坩埚5提供竖直方向的稳态磁场。稳态磁场可由永磁体产生，也可以由通电线圈产生。
第二电子枪3，置于所述熔炼炉内，设置在所述熔炼坩埚2的上方，用于加热熔化所述熔炼坩埚2内的高温合金块，还用于高温合金熔体的精炼。第二电子枪3的功率为30～60kw。
第一电子枪4，置于所述熔炼炉内，设置在所述冷凝坩埚5的上方，用于熔化所述冷凝坩埚5内的表层高温合金。第一电子枪4的功率为10～20kw。
真空泵6，置于所述熔炼炉外，用于为所述熔炼炉内部提供真空环境。
所述稳态磁场的磁场强度为0～1T。
如图2所示，本发明还公开了一种提高高温合金铸坯均匀性的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101：通过稳态磁场发生器为所述冷凝坩埚提供竖直方向的稳态磁场；
步骤102：向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体；其中，所述设定厚度为1～3cm。
步骤103：通过第一加热装置对所述设定厚度的合金进行加热；具体为，设定厚度的单层高温合金熔体凝固后，开启第一电子枪对冷凝坩埚中表层的高温合金进行加热熔化。
步骤104：判断是否完成浇铸，若完成浇铸则流程结束，若未完成浇铸，返回步骤102。
在步骤101之前还包括：关闭熔炼炉的炉门，开启真空泵将熔炼炉抽真空。开启第二电子枪对熔炼坩埚内所盛放的高温合金块进行熔化和精炼。
步骤104之后具体还包括：熔炼炉冷却60min后，通入氩气进一步冷却熔炼炉，待熔炼炉完全冷却后，开启炉门，取出合金铸坯。
下面是本发明一种提高高温合金铸坯均匀性方法的一种具体实施方式。
S1：设备组装，将稳态磁场发生器1，熔炼坩埚2，冷凝坩埚5等按要求组装，完成调试。
S2：将GH4068高温合金块放入熔炼坩埚2中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵6，抽真空，所需真空度<5×10-3Pa。
S3：开启第二电子枪3，对熔炼坩埚2内的GH4068高温合金块加热熔化，电子枪功率30～60kw，优选功率为40kw。
S4：保持第二电子枪3功率恒定，对GH4068高温合金熔体进行精炼，精炼时间8～10min。
S5：开启稳态磁场发生器1，产生稳态磁场，磁场强度0～1T，优选磁场强度0.5T。
S6：开始单层浇铸，每次浇铸合金熔体厚度2～3cm。
S7：开启第一电子枪4对单层金属表面进行加热熔化，电子枪功率为10～20kw。
循环反复S6和S7单层浇铸及表面重熔过程，直至完成浇铸。
熔炼炉体冷却60min后，向熔炼炉通入氩气对炉体进一步冷却，熔炼炉炉体完全冷却后，开启炉门，取出GH4068高温合金铸坯，完成制备。
本发明一种提高高温合金装置及方法基于的原理有两方面：(1)电子束熔炼条件下，高温合金液分多次浇铸到冷凝坩埚，实现合金分层凝固，降低整个铸坯的纵向宏观偏析。(2)在合金凝固过程，由于温度梯度的存在和固/液两相的塞贝克系数不同，熔体与固相之间产生热电流，该电流与磁场相互作用形成热电磁力，从而诱发金属熔体受力对流，有利于溶质均匀化。研究显示，当固-液界面以枝晶形态生长时，稳态磁场可有效降低铸坯的微观偏析，提升微观组织均匀性。本发明结合这两方面的优势，提出了稳态磁场复合电子束熔炼层覆凝固技术以制备高均质高温合金。
本发明一种提高高温合金均匀性方法，在合金熔体单层浇铸过程，由于冷凝铜坩埚底部及侧壁的激冷作用，金属液由底部及四周向中心凝固。但是，二号电子枪发出的电子束能够对冷凝坩埚内的合金进行重新加热，电子束的加热作用能保持单层内金属表面为液态。总体上说，合金熔体由下往上凝固。在凝固过程，稳态磁场与固-液两相之间的内生热电流相互作用驱动熔体流动，有利于降低偏析。如此循环反复完成浇铸，最终获得低偏析、高均质的合金铸坯。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文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 (9)
1.一种提高高温合金铸坯均匀性的装置，其特征在于，所述装置包括：
熔炼炉；
冷凝坩埚，置于所述熔炼炉内，用于凝固熔化的合金液；
稳态磁场发生器，置于所述熔炼炉内，设置在所述冷凝坩埚外侧，用于为所述冷凝坩埚提供竖直方向的稳态磁场；
第一合金加热装置，置于所述熔炼炉内，设置在所述冷凝坩埚的上方，用于加热所述冷凝坩埚内的合金。
2.根据权利要求1所述的提高高温合金铸坯均匀性的装置，其特征在于，所述装置还包括：
熔炼坩埚，置于所述熔炼炉内，用于盛放、熔化和精炼合金；
第二合金加热装置，置于所述熔炼炉内，设置在所述熔炼坩埚的上方，用于熔化和精炼所述熔炼坩埚内的合金。
3.根据权利要求1所述的提高高温合金铸坯均匀性的装置，其特征在于，所述稳态磁场的磁场强度为0～1T。
4.根据权利要求1所述的提高高温合金铸坯均匀性的装置，其特征在于，所述装置还包括：
真空泵，置于所述熔炼炉外，用于为所述熔炼炉内部提供真空环境。
5.根据权利要求2所述的高温合金装置，其特征在于，所述第一合金加热装置为第一电子枪，所述第二合金加热装置为第二电子枪。
6.一种提高高温合金铸坯均匀性的方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-5任意一项所述提高高温合金铸坯均匀性装置，所述方法包括：
通过稳态磁场发生器为所述冷凝坩埚提供竖直方向的稳态磁场；
向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体；
通过第一加热装置对所述设定厚度的合金进行加热；
返回“向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体”，直到完成浇铸。
7.根据权利要求6所述的提高高温合金铸坯均匀性的方法，其特征在于，所述设定厚度为1～3cm。
8.根据权利要求6所述的提高高温合金铸坯均匀性的方法，其特征在于，所述向冷凝坩埚内浇铸设定厚度的合金熔体之前，具体还包括：
通过第二合金加热装置对熔炼坩埚内的合金进行熔化和精炼。
9.根据权利要求8所述的提高高温合金铸坯均匀性方法，其特征在于，所述通过第二合金加热装置对熔炼坩埚内的合金进行熔化和精炼之前，具体还包括：
关闭所述熔炼炉的炉门，通过真空泵将所述熔炼炉抽成真空。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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