CN112368406B

CN112368406B - 具有含钛金属化合物的锭的制造方法

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Publication number: CN112368406B
Application number: CN201980043379.5A
Authority: CN
Inventors: B·V·洛佩兹; L·费勒
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2021-12-24
Anticipated expiration: 2039-06-24
Also published as: JP7379394B2; EP3814541B1; FR3082853A1; JP2021529260A; CA3104572A1; BR112020026376B1; FR3082853B1; US11512369B2; WO2020002811A1; CN112368406A; US20210262061A1; EP3814541A1; BR112020026376A2

Abstract

本发明涉及一种用于制造由钛基金属化合物制成的锭(2)的方法，其包含以下步骤：‑提供原料片段(3)；‑在至少一个池中，将原料片段(3)熔化为液态金属(4)；‑在所述至少一个池中，将液态金属(4)保持在熔融状态；‑通过从所述至少一个池溢流入所述坩锅(15)来将液态金属(4)从至少一个池倾倒入坩锅(15)中；‑通过在坩锅(15)中冷却液态金属(4)来形成锭(2)；其特征在于，该方法包含以下步骤：‑在熔化所述原料片段(3)前，以高于或等于所述原料片段(3)的液相线温度的75％并低于所述原料片段(3)的液相线温度的预热温度预热原料片段(3)。

Description

具有含钛金属化合物的锭的制造方法

背景技术

本发明涉及制造由钛基金属化合物(例如合金或金属间化合物)制成的锭的一般领域，特别是用于制造飞机零件。

由钛基合金或钛基金属间化合物制成的锭通常通过以下方式制造：在不同池中熔化原料片段，然后将液态金属倾倒入坩锅中以冷却和固化金属，从而形成锭。

但是，该传统用于制造钛锭的方法可能会导致所获得的锭的机械性能相对于所需机械性能有所降低的问题。

发明目的和概述

因此，本发明的主要目的在于，通过提供(根据本发明的第一方面)一种用于制造由钛基金属化合物制成的锭的方法，来克服这样的技术问题，该方法包含以下步骤：

-提供原料片段；

-在至少一个池中，将原料片段熔化为液态金属；

-在所述至少一个池中，将液态金属保持在熔融状态；

-通过从所述至少一个池溢流入所述坩锅来将液态金属从至少一个池倾倒入坩锅中；

-通过在坩锅中冷却液态金属来形成锭；

其特征在于，该方法包含以下步骤：

-在熔化所述原料片段前，以高于或等于所述原料片段的液相线温度的75％的预热温度预热原料片段，所述预热温度严格低于液相线温度。

这样的预热原料片段的步骤使得可以改善池中金属的均质性，特别是通过减少池中未熔化材料的存在。

另外，这样的预热使得可以减少新熔化的金属落入所述池中时池中的温度下降，因此也通过促进池中未熔化材料的溶解来改善均质性，并提升金属化合物的熔化速率，使得生产受益。

另外，这样的预热使得可以减少原料在熔化步骤中经受的热冲击，因此减少原料的废气。这些废气可能会引起反应，这些反应可能产生夹杂物，而这些夹杂物降低锭的机械性能。由废气引起的反应还可能产生沉积于坩锅的元素，因此降低锭的机械性能。另外，原料的热冲击促使原料的小固体颗粒突出，其可能进一步落入下游池中并因而只有短暂的时间用于溶解，因此未熔化颗粒残留在坩锅中的风险提升，锭的机械性能降低。

这样的预热步骤用于制造由钛基金属化合物制成的锭是特别有利的，因为这些金属化合物具有高的熔融温度(钛的熔融温度为1668℃)，在形成锭的过程中，钛基金属化合物具有更高的存在未熔化金属颗粒的风险。

该方法可以包含以下特征，这些特征可以单独运用，或基于技术可能性进行组合：

-预热温度高于或等于原料片段的固相线温度；

-预热温度高于或等于液相线温度的93％；

-钛基金属化合物包含至少一种熔融温度高于钛的熔融温度的元素；

-原料片段的预热通过感应实施；

-原料片段的感应预热被构造用于确保所述原料片段的悬浮；

-原料片段的预热通过加热束的发生器实施；

-该方法包含控制加热束的发生器的取向的步骤；

-方法包含以下步骤：

·在第一池中，将原料片段熔化为液态金属；

·在第一池中，将液态金属保持在熔融状态；

·通过从所述第一池溢流入所述第二池来将液态金属从第一池倾倒入第二池；

·在第二池中，将液态金属保持在熔融状态；

·通过从所述第二池溢流入所述坩锅来将液态金属从第二池倾倒入坩锅中。

根据第二方面，本发明提供一种用于制造由钛基金属化合物制成的锭的系统，其包含：

-至少一个池，其被构造用于接受液态金属；

-输送器，其被构造用于将原料片段输送至所述至少一个池；

-坩锅，其被从所述至少一个池而来的溢流填充，并且其被构造用于冷却和固化液态金属；

-加热器件，其位于与至少一个池和坩锅相对的位置，并且其被构造用于在所述至少一个池中和在所述坩锅中将原料片段加热和熔化；

其特征在于，该系统包含预热装置，其被构造用于以高于或等于所述原料片段的液相线温度的75％并严格低于所述原料片段的液相线温度的预热温度在输送器上加热原料片段。

该系统可以包含以下特征，这些特征可以单独运用，或基于技术可能性进行组合：

-预热装置包含加热束的发生器；

-该系统包含图像获取装置和图像分析装置，所述图像获取装置被构造用于获取通过加热束的发生器预热原料片段的图像，且所述图像分析装置被构造用于由通过所述图像获取装置所获得的图像来控制加热束的发生器的取向；

-预热装置包含感应预热装置；

-感应预热装置被构造用于确保原料片段的悬浮。

附图说明

由以下给出的描述中，参考示出示例性实施方式的附图，本发明的其他特征和优点将变得很明显，这些示例性实施方式没有限制作用。在附图中：

-图1示意性示出根据本发明的一个实施方式的用于制造由钛基金属化合物制成的锭的系统；

-图2示出锭制造系统的预热装置的第一变体；

-图3示出预热装置的第二实施方式；

-图4示出根据本发明的一个实施方式的用于制造由钛基金属化合物制成的锭的方法的不同步骤的示意图；

-图5示出用图1的制造系统的变体实施的制造方法的不同步骤的示意图。

具体实施方式

如图1所示，用于制造由钛基金属化合物制成的锭2的系统1包含输送器11，在其上输送原料片段3。输送器11例如可以由振动台、推缸、传送带或蜗杆形成。

原料片段3可以是钛基合金或钛基金属间化合物的母合金、回收材料片段或原始原料。通常，原料片段3可以由颗粒块(例如碎片)形成，其经过压制团聚以及压实，这些块的长度例如在20cm～50cm。

这里的钛基金属化合物是指：钛基合金，即钛为主要组分的合金；或钛基金属间化合物，即钛为主要组分的金属间化合物。合金是不同金属的组合，而金属间化合物是至少一种金属与至少一种准金属的组合。

金属化合物例如可以是选自以下合金的合金：Ti17、TiBeta16、Ti21S、Ti6242和Ti6246；或可以是选自以下金属间化合物的金属间化合物：TiAl48-2-2和TiNMB1。所给的示例不是限制性的，也可以使用其他合金或钛基金属间化合物。

系统1包含至少一个池，原料片段3在其中被熔化。在图1所示的示例性实施方式中，系统1包含第一池12和位于所述第一池12下游的第二池13。但是池的数量可以更大，系统1因此例如可以包含三个或四个池，或池的数量可以更小，系统1因此可以包含一个池。

第一池12和第二池13收集由熔化原料片段3而得的液态金属4。

第一池12和第二池13一方面由接受液态金属4的壁形成，所述壁例如由铜制成，而另一方面由使得壁保持在低于其劣化温度的温度的冷却装置形成，所述冷却装置通常由冷却剂循环回路构成。

在第一池12中熔化原料片段3，然后将熔化所述原料片段3而得的液态金属4转移至第二池13。

原料片段3的熔化通过加热器件14实施，其位于与第一池12和第二池13相对的位置。

加热器件14例如可以由等离子体炬、电子枪、电弧发生器、激光发生器或感应加热器件形成。

另外，加热器件14被构造用于在第一池12和第二池13中将液态金属4保持在熔融状态以使液态金属4处于所需的冶金条件下。

可以控制第一池12和第二池13所处的气氛。为了使液态金属4不与气氛反应，例如可以通过真空气氛或通过受控压力下的惰性气体气氛来实现受控气氛。根据另一可能的变体，受控气氛由受控压力下的特定气体形成，采用所述特定气体来与液态金属4反应，从而用所述特定气体让所述液态金属4、以及因此锭2的金属化合物带电。

也可以将第一池12和第二池13暴露于不受控的气氛。

如图1所示，系统1包含坩锅15，将第二池13的液态金属4倾倒入其中以冷却所述液态金属4，将其固化并因此形成固态金属推进前部5，该前部通过半连续铸造成形而形成锭2。

为了冷却倾倒入坩锅15中的液态金属4，所述坩锅15包含冷却回路，其冷却所述坩锅15的壁。被冷却回路冷却的坩锅15的壁由高热导率材料制成，例如铜或铜合金。

此外，从图1中可以看出，加热器件14也位于与坩锅15相对的位置，并且被构造用于在坩锅15的上部中将液态金属4保持为熔融状态。

液态金属4通过溢流从第一池12传输至第二池13并从第二池13传输至坩锅15。换而言之，第二池13被从第一池12到所述第二池的液态金属4的溢流填充，并且坩锅15被从第二池13到所述坩锅15的液态金属4的溢流填充。这样的特征使得可以限制未熔化金属颗粒到达坩锅15的风险，否则其会降低锭2的机械性能。实际上，仍为固体的金属往往落在第一池13和第二池14的底部。

为了改善钛基金属化合物的锭2的机械性能，系统1包含预热装置16，其位于与输送器11相对的位置，并且其被构造用于在第一池12中熔化所述原料片段3之前预热原料片段3。

预热装置16被构造用于在高于或等于所述原料片段3的液相线温度的75％并严格低于所述原料片段3的液相线温度的预热温度下加热原料片段3。

这样的预热温度使得可以降低第一池12入口处的温度梯度。这使得可以促进原料片段3的熔化，由此减少第一池12和第二池13中未熔化金属颗粒的存在，因此限制这些未熔化金属颗粒到达坩锅15的风险。

根据本发明的预热特别是使得可以通过促进小尺寸未熔化金属颗粒的熔化而减少这些颗粒的存在，小尺寸颗粒极有可能不落到第一池12和第二池13的底部并因此与液态金属4一同被倾倒入坩锅15中。

另外，这样的预热温度使得可以降低原料片段3到达第一池12中时其所经受的热冲击。热冲击的降低使得可以减少废气，因此限制由这些废气所引起的反应，这些反应可能会在金属化合物中产生不想要的元素而降低锭的机械性能。

预热温度优选高于或等于金属化合物的固相线温度，其使得可以进一步加速第一池12和第二池13中固态金属颗粒的溶解，并使得可以降低热冲击。预热温度总是严格低于合金的液相线温度。

因此，原料片段3部分地熔化，因为其在高于金属化合物的固相线温度但严格低于金属化合物的液相线温度的温度下。

预热温度更优选高于或等于合金的液相线温度的93％，这使其可以进一步加速固态金属颗粒的溶解，并进一步降低原料片段3所经受的温差。这里相同地，预热温度严格低于合金的液相线温度。

本发明对于这样的钛基金属化合物特别有利，即，其包含熔融温度高于钛的熔融温度的元素，例如，钼、钒或钽。实际上，金属化合物中存在的熔融温度高于钛的熔融温度的元素(例如，钼、钒和钽)是倾向于在液态金属4中形成未熔化颗粒而到达坩锅15的元素。

根据图2所示的第一可能变体，预热装置16包含感应预热装置16a。感应预热装置16a可以由如图2所示的螺线管形成，或可以由平行于输送器11的感应板形成。

根据可以限制原料片段3与输送器11接触而污染的有利特征，感应预热装置16a被构造用于确保所述原料片段3悬浮在输送器11上方。

用于确保温度的逐步上升和原料片段的悬浮的感应预热装置16a的构造通过调节通过所述感应预热装置16a的电流的强度和频率来实现。

根据图3所示的第二变体，预热装置16包含加热束F的发生器16b，例如，光源、电子束发生器、等离子体炬或激光发生器。

有利地，为了改善预热原料片段3的效率，预热装置包含图像获取装置16c(例如相机)和图像分析装置16d(例如处理器和存储器，其上装载有图像处理程序)。图像获取装置16c被构造用于获取通过加热束F的发生器16b预热原料片段3的图像。

图像获取装置16c还被构造用于将获得的图像传输至图像分析装置16d。图像分析装置16d则被构造用于分析由图像获取装置16c所传输的图像以及通过检查加热束F确实指向原料片段3、并不是指向所述原料片段3旁边、直接朝向输送器11来控制加热束F的发生器16b的取向。

当图像分析装置16d检测到加热束F未正确指向时，所述图像分析装置16d可以发出警报，使得操作者或自动机纠正加热束F的发生器16b的取向。图像分析装置16d也可以被构造用于控制加热束F的发生器16b的取向，使得当所述图像分析装置16d检测到加热束F未正确指向时，所述图像分析装置16d自动纠正所述加热束F的发生器16b的取向。

用于制造由钛基金属化合物制成的锭2的系统1被构造以实施图4所示的制造方法。

如图4所示，用于制造锭2的方法包含以下步骤：

-E1：提供原料片段3。该步骤E1通过输送器11实施。

-E2：以高于或等于所述原料片段3的液相线温度的75％并严格低于所述原料片段3的液相线温度的预热温度预热原料片段3。该预热步骤E2通过预热装置16实施。

-E3：在至少一个池中，将原料片段3熔化为液态金属4。该熔化步骤在预热步骤E2后实施。该熔化步骤E3通过加热器件14实施。

-E4：在所述至少一个池中，将液态金属4保持为熔融状态。该保持为熔融状态的步骤使得可以使液态金属4处于所需的冶金状态下，并另外使得可以确保未熔化金属颗粒的良好溶解。该保持为熔融状态的步骤E4通过加热器件14实施。

-E5：通过从所述至少一个池溢流入所述坩锅15来将液态金属4从至少一个池倾倒入坩锅15中。

-E6：通过在坩锅15中冷却液态金属4来形成锭2。

根据图1所示的系统1的实施方式，如图5所示，该方法包含以下步骤：

-E31：在第一池12中，将原料片段3熔化为液态金属4。该在第一池12中熔化的步骤E31是在至少一个池中熔化的步骤E3的变体。

-E41：在第一池12中，将液态金属4保持为熔融状态。该在第一池12中保持为熔融状态的步骤E41是在至少一个池中保持为熔融状态的步骤E4的变体。

-E5'：通过从所述第一池12溢流入所述第二池13来将液态金属4从第一池12倾倒入第二池13。

-E42：在第二池13中，将液态金属4保持为熔融状态。该在第二池13中保持为熔融状态的步骤E42是在至少一个池中保持为熔融状态的步骤E4的变体。

-E51：通过从所述第二池13溢流入所述坩锅15来将液态金属4从第二池13倾倒入坩锅15中。该通过从第二池13的溢流倾倒入坩锅15中的步骤E51是通过从至少一个池的溢流倾倒入坩锅15中的步骤E5的变体。

此外，当通过加热束F的发生器16b来实施原料片段3的预热时，用于制造由钛基金属化合物制成的锭2的方法可以包含控制加热束F的取向的步骤，其在预热原料片段3的步骤E2的过程中被实施。该控制加热束F的取向的步骤通过图像分析装置16d由图像获取装置16c获得的图像来实施。

Claims

1.一种用于制造由钛基金属化合物制成的锭的方法，其包含以下步骤：

-(E1)提供原料片段；

-(E3)在至少一个池中，将原料片段熔化为液态金属；

-(E4)在所述至少一个池中，将液态金属保持在熔融状态；

-(E5)通过从所述至少一个池溢流入所述坩锅来将液态金属从至少一个池倾倒入坩锅中；

-(E6)通过在坩锅中冷却液态金属来形成锭；

其中，该方法包含以下步骤：

-(E2)在熔化所述原料片段前，以高于或等于所述原料片段的液相线温度的75％并严格低于所述原料片段的液相线温度的预热温度预热原料片段。

2.如权利要求1所述的方法，其中，预热温度高于或等于原料片段的固相线温度。

3.如权利要求2所述的方法，其中，预热温度高于或等于液相线温度的93％。

4.如权利要求1所述的方法，其中，钛基金属化合物包含至少一种熔融温度高于钛的熔融温度的元素。

5.如权利要求1所述的方法，其中，原料片段的预热通过感应实施。

6.如权利要求1所述的方法，其中，原料片段的预热通过加热束的发生器实施。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述方法包含控制加热束的发生器的取向的步骤。

8.如权利要求1所述的方法，其中，该方法包含以下步骤：

-(E31)：在第一池中，将原料片段熔化为液态金属；

-(E41)：在第一池中，将液态金属保持在熔融状态；

-(E5')：通过从所述第一池溢流入所述第二池来将液态金属从第一池倾倒入第二池；

-(E42)：在第二池中，将液态金属保持在熔融状态；

-(E51)：通过从所述第二池溢流入所述坩锅来将液态金属从第二池倾倒入坩锅中。

9.一种用于制造由钛基金属化合物制成的锭的系统，其包含：

-至少一个池，其被构造用于接受液态金属；

-输送器，其被构造用于将原料片段输送至所述至少一个池；

-加热器件，其位于与至少一个池和坩锅相对的位置，并且其被构造用于在所述至少一个池中和在所述坩锅中，将原料片段熔化并保持在熔融状态；

其中，该系统包含预热装置，其被构造用于以高于或等于所述原料片段的液相线温度的75％并严格低于所述原料片段的液相线温度的预热温度在输送器上加热所述原料片段。

10.如权利要求9所述的系统，其中，预热装置包含加热束的发生器。

11.如权利要求9所述的系统，其中，预热装置包含感应预热装置。