CN113441692A - 一种细化TiAl基合金的快速凝固装置及凝固方法 - Google Patents
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Abstract
一种细化TiAl基合金的快速凝固装置及凝固方法,它涉及一种凝固装置及方法。本发明为了解决由于现有真空单辊法在快速凝固TiAl基合金的过程中存在污染,机械性能差,存在不易加工的问题。本发明的铜转辊套装在电机转轴上,转轴保护罩罩在铜转辊上,下漏斗安装在转轴保护罩下端并位于收料筒的正上方,上漏斗安装在转轴保护罩的上端面上,水冷铜线圈安装在上漏斗上方;步骤一、熔铸的准备;步骤二、先抽真空,对罐体反充高纯氩气;步骤三、打开冷却系统;步骤四、加载功率,此时感应线圈通入单相交流电,使原棒料熔化;原棒料下送,铜单辊转动,原棒料在电磁加热熔化后滴落到旋转的铜单辊上再甩出所需要的试样,收集试样。本发明用于TiAl基合金的快速凝固。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金的快速凝固装置及凝固方法,具体涉及一种细化TiAl基合金的快速凝固装置及凝固方法。
背景技术
TiAl基合金作为一种有序金属间化合物,它特有的晶体结构决定了该材料具有本征脆性,这是目前阻碍其合金实用化的严重障碍。因此,进一步优化TiAl基合金组织性能对发展新型TiAl基合金、提高其力学性能具有重要的科学与工程意义。
国内外科学家经过大量的研究,通过合理配制合金成分、严格控制显微组织、优化加工工艺参数等手段,可以使TiAl基合金的性能得到一定的提高。为了进一步获得良好的综合性能,获得晶粒细小而均匀组织,有效提高合金力学性能是近年来的研究热点。其中快速凝固工艺以其独特的凝固特征对改善TiAl基合金的组织及力学性能有着重要作用。
该快速凝固工艺主要包括熔体旋转法、锤砧法、雾化制粉法、喷射沉积、深过冷等等。其中真空单辊法就是熔体旋转法中的一种,它是一种可以对熔体合金提供较大的过冷度的高能高速成型技术,利用此方法处理加热融化后的钛铝合金试样可实现快速冷却,其冷却速率也很大,可达到106K/s层级的冷却速率,这可以有效减小晶粒尺寸,抑制层片状γ相的析出,从而实现晶粒的细化,得到较为均匀的细化合金组织。
现有TiAl基合金融化的过程中通常都有坩埚或陶瓷管参与,尤其是陶瓷管易与TiAl基合金发生反应,存在污染TiAl基合金的问题;以及TiAl基合金融化后滴落到管体上时易与管体发生反应,造成高速成型的TiAl基合金再次污染;另外,由于TiAl基合金污染物的存在,使得制备后的TiAl基合金甩带试样成份不稳定。并且铸态钛铝合金室温下组织过于粗大,机械性能差,存在不易加工的问题。
综上所述,由于现有真空单辊法在快速凝固TiAl基合金的过程中存在污染,致使铸态钛铝合金室温下组织的晶粒尺寸一般在100μm以上,室温力学性能和室温加工性能较差,存在不易加工的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决由于现有真空单辊法在快速凝固TiAl基合金的过程中存在污染,致使铸态钛铝合金室温下组织过于粗大,机械性能差,存在不易加工的问题。进而提供一种细化TiAl基合金的快速凝固装置及凝固方法。
本发明的技术方案是:一种细化TiAl基合金的快速凝固装置,它包括罐体、上升降系统、原棒料、水冷铜线圈、上漏斗、铜转辊、电机转轴、转轴保护罩、下漏斗、收料筒、下工作台、支撑架、平衡块、电机、电机接线柱、电机电源、变频调速器、导线和电机套,支撑架安装在罐体内并靠近罐体侧壁一侧,平衡块安装在支撑架内,电机安装在支撑架上,下工作台安装在罐体内并位于支撑架一侧,收料筒安装在下工作台上,电机转轴与电机连接,且电机转轴与电机之间套装有电机套,铜转辊套装在电机转轴上,转轴保护罩罩在铜转辊上,下漏斗安装在转轴保护罩的下端并位于收料筒的正上方,上漏斗安装在转轴保护罩的上端面上,水冷铜线圈安装在上漏斗的上方,上升降系统安装在罐体的上端内侧壁上,原棒料安装在上升降系统的下端并伸入到水冷铜线圈内;电机电源和变频调速器安装在罐体外部并通过导线连接,变频调速器通过导线和电机接线柱与电机连接。
本发明还提供了一种细化TiAl基合金的快速凝固方法,它包括以下步骤:
步骤一、熔铸的准备;
将钛铝合金原棒料安装在上升降系统上,同时调节原棒料的高度,为熔铸做准备;
步骤二、先对罐体抽真空,然后对罐体反充高纯氩气;
步骤三、打开冷却系统;
关闭氩气机械泵,打开水冷系统,对原棒料外侧的水冷铜线圈进行通水冷却;
步骤四、TiAl基合金原棒料的融化和快速凝固;
步骤四一:检查真空表和冷却系统的各指示灯正常后,打开主电源开关,加载功率,此时感应线圈通入单相交流电,通过感应线圈使原棒料熔化;
步骤四二:在熔化的同时通过上升降系统将原棒料不断下送,通过电机与变频调速器搭配实现铜单辊转速的变换,原棒料在电磁加热熔化后滴落到旋转的铜单辊上再甩出所需要的具有较高的冷却速率的试样,收集试样,直至实验停止,炉体通入空气至炉门打开,取出试样,至此,完成了对TiAl基合金的快速凝固。
进一步地,步骤二中抽真空过程为:先关闭罐体的炉膛门,再利用真空泵对罐体内的真空室抽真空,使真空室的真空度处于0.05Pa-0.1Pa。
进一步地,步骤二中向真空室反充高纯氩气,重复充氩气3-5次。
进一步地,步骤二中向真空室反充高纯氩气的氩气压力为300Pa-320Pa。
进一步地,步骤三中的水冷铜线圈为铜制均匀压力线圈,采用紫铜合金制成,且水冷铜线圈的内部同通有冷却水。
进一步地,步骤四二中铜单辊的转速与原棒料加热熔化后滴落到旋转的铜单辊上再甩出所的冷却速率在104K/s数量级中随转速的增加而逐次递加。
进一步地,步骤四二中的冷却速率计算过程如下:
dQ/dT=hA(T-TA)
式中Q为热流方向上所传热量;
h为传热系数;
A为界面积;
T为合金液滴温度;
TA为铜制转辊的温度;
由凝固过程规律,又有下列关系:
dQ/dt=cρAdn-1dT/dt
式中ρ为合金密度,经天平称量质量和排水法测量体积后平均约为3900kg/m3;
c为比热容;
d为真空甩带所制得的薄带厚度;
n为常数,一般为1;
将上述两式联立后积分再对t求导可得瞬时冷却速率,为:
(dT/dt)t=0=-h(TA-T)/ρcd
最终求得冷却速率。
进一步地,TiAl基合金原棒料中的铝含量为43at.%-45at.%。
进一步地,步骤四二中的原棒料加热熔化后滴落到旋转的铜单辊上再甩出的时间为0.2s-0.5s。
进一步地,步骤四二中的原棒料加热熔化后滴落到旋转的铜单辊上再甩出的时间为0.3s。
本发明与现有技术相比具有以下效果:
1、本发明有效避免了TiAl基合金在融化和快速凝固过程中没有污染,原因如下:
(1)TiAl基合金在融化阶段,钛铝合金原棒料3安装在上升降系统2上,同时调节原棒料3的高度。有效避免了使用坩埚或陶瓷管对TiAl基合金融化过程中发生反应而带来的污染问题。
(2)在真空环境下,熔滴滴落到铜单辊6上的瞬间,熔滴会急速冷却,然后甩出去,实现快速凝固。整个凝固过程,TiAl基合金不与任何设备接触,对于熔滴没有任何的污染源,从而保证甩带试样成分稳定,从而获得了组织性能优良的TiAl基合金。
2、本发明的铸态钛铝合金室温下组织细化,机械性能好,容易加工。
(1)从甩出试样的显微组织上看,出现越来越细化的趋势。
图2能够看出快速凝固后的合金组织是由B2相、γ相和α2相组成。钛铝基合金在由铜单辊甩带法提供的较大冷却速度下,成分中各元素含量的非平衡性就越强。铸态钛铝合金在铝含量为44at.%时,铝的含量较低且冷却速度较低,凝固过程中主要发生β偏析。但在由铜单辊甩带法处理合金所提供的较大冷却速度作用下,组织的非平衡性较强,因而主要发生α偏析,这造成了组织中以B2相存在的β相被保留的较多,组织中B2较铸态组织中含量增多。此外,由残余液相凝固后形成的γ相也随着铜辊的转速的增大而减少。由α2+γ相组成的片层团随着转速的提高,冷却速率成正相关关系上升,片层团出现越来越细化的趋势。
(2)从输出试样的显微硬度上看,整体硬度要强于铸态组织的显微硬度。
由于铜单辊甩带法处理钛铝合金最终的组织在相组成上和显微结构上均有变化,为验证这一系列变化给合金性能带来的影响,我们对合金试样进行了显微硬度的测量。图3为不同转速下的合金的显微硬度测量值。可以看到快速凝固后的合金硬度值要比原始铸态的合金显微硬度高。压痕打在由α2和γ相组成的片层团上。这是因为一方面,快速凝固后的组织被细化,片层间距减少,细化后的晶粒起到了细晶强化的效果。另一方面,较大的冷却速率促进了Nb元素在片层组织中的固溶,起到了一定的固溶强化的效果。两方面共同作用下导致了快速凝固后合金的整体硬度要强于铸态组织的显微硬度。随着转速增大,逐渐增加的冷却速率提高了组织中的B2相含量,B2相本身的硬度要大于α2相和γ相,而且冷却速率越大,在此冷却速率的范围内组织越细,细晶强化的作用也就越明显。
综上,采用本发明的凝固方法,所获得的TiAl基合金组织中晶粒尺寸明显减小,相对均匀,晶粒尺寸减少,合金的室温力学性能提高,尤其是室温塑形会提高,因此会提高合金的加工性能。
3、本发明对于TiAl高铌合金的组织细化起到很大作用,并且在真空当中,物料不与任何设备接触,对于熔滴没有任何的污染源,从而保证甩带试样成分稳定,从而获得了组织性能优良的TiAl基合金。能够高效降低钛铝合金晶粒尺寸并得到细小均匀的组织的一种方法。
附图说明
图1是本发明方法中涉及到的装置示意图;
图2是合金在不同转速下快速凝固处理后扫描电镜图像;其中图2(a)是合金在400r/min的转速下快速凝固处理后扫描电镜图像;图2(b)是合金在500r/min的转速下快速凝固处理后扫描电镜图像;图2(c)是合金在600r/min的转速下快速凝固处理后扫描电镜图像;图2(d)是合金在700r/min的转速下快速凝固处理后扫描电镜图像;图2(e)是合金在800r/min的转速下快速凝固处理后扫描电镜图像;
图3是不同转速下的合金的显微硬度值。
图4(a)是未使用本装置Ti-44Al-6Nb-1.0Cr-2.0V的显微组织。
图4(b)是使用本装置Ti-44Al-6Nb-1.0Cr-2.0V的显微组织。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1、图4(a)和图4(b)说明本实施方式,本实施方式的一种细化TiAl基合金的快速凝固装置,它包括罐体1、上升降系统2、原棒料3、水冷铜线圈4、上漏斗5、铜转辊6、电机转轴7、转轴保护罩8、下漏斗9、收料筒10、下工作台11、支撑架12、平衡块13、电机14、电机接线柱15、电机电源16、变频调速器17、导线18和电机套19,
支撑架12安装在罐体1内并靠近罐体侧壁一侧,平衡块13安装在支撑架12内,电机14安装在支撑架12上,下工作台11安装在罐体1内并位于支撑架12一侧,收料筒10安装在下工作台11上,电机转轴7与电机14连接,且电机转轴7与电机14之间套装有电机套19,铜转辊6套装在电机转轴7上,转轴保护罩8罩在铜转辊6上,下漏斗9安装在转轴保护罩8的下端并位于收料筒10的正上方,上漏斗5安装在转轴保护罩8的上端面上,水冷铜线圈4安装在上漏斗5的上方,上升降系统2安装在罐体1的上端内侧壁上,原棒料3安装在上升降系统2的下端并伸入到水冷铜线圈4内;电机电源16和变频调速器17安装在罐体1外部并通过导线18连接,变频调速器17通过导线和电机接线柱15与电机14连接。
本实施方式的工作原理:将所有设备原件组装好后,通冷却水及接通总电源和加热电源,水冷铜线圈4开始对原棒料3进行感应加热,调节加热电源的电压,使得原棒料3被感应加热到开始形成凸型熔滴时,接通电机电源16,电机14通过电机转轴7带动转辊6旋转,熔滴通过上漏斗5进入到转辊保护罩8中,然后被转辊6以一定的线速度甩出到转辊保护罩8上,然后沿着转辊保护罩8,通过下漏斗9,被收料筒10所收集,最后当甩带制备结束后,关闭加热电源、电机电源16和总电源。
所谓的细化TiAl基合金的快速凝固装置,具有可在真空氩气保护氛围下正常工作功能的三相异步电机14;具有有效收集金属颗粒、防止紫铜转辊6在工作途中变形飞出破坏电磁定向凝固设备、防止合金颗粒飞出破坏电磁定向凝固设备功能的转辊防护罩8;具有无污染定向凝固TiAl基合金功能的水冷铜线圈4;具有与金属液不发生反应并收集金属液功能的上漏斗5和下漏斗9;具有收集甩带金属功能的收料筒10;具有稳定电机整体功能的支撑架12和平衡块13。
本实施方式的快速凝固装置由于采用水冷铜线圈对原棒料进行感应加热,解决了钛铝基合金在真空单辊甩带过程中熔体污染问题。而且可实现在快速凝固条件下细化TiAl基合金。装置简单易操作,可多次重复使用,可通过变频感应器进行不同转速下TiAl合金组织和性能的研究,具有一定的经济性。
本实施方式对电机14的选取,根据实验条件,电机可选取可在真空氩气条件下正常工作的三相异步电机,其可搭配变频器使用。
本实施方式对水冷铜线圈4的选取,为了减少放电过程中能量的损耗,提高能量的利用率,内部需要通水冷却,水冷铜线圈4选为中空紫铜管。水冷铜线圈4间采用绝缘材料包覆隔开,最外层用绝缘耐热胶带缠绕。
本实施方式对转辊6的材质的选取,考虑到原棒料3在电磁加热熔化后滴落到转辊6上再甩出所需要的较高的冷却速率,实验中采用的转辊6材料为导热性能好的紫铜合金。
本实施方式对转辊保护罩8及上漏斗5和下漏斗9材质的选取,为能有效收集金属颗粒、防止紫铜转辊6在工作途中变形飞出及合金颗粒飞出破坏电磁定向凝固设备,转辊保护罩8材质选取淬火钢。为防止原棒料3金属液高温滴落时与上漏斗5和下漏斗9发生反应,并考虑到金属液的高温,避免将上漏斗5和下漏斗9熔化,上漏斗5和下漏斗9材质选取同样选取淬火钢。
本实施方式对支撑架12的设计,为将电机14固定稳定以在平稳状态下工作,设计制作了搭载电机的钢制支撑架12,并且在支撑架12中加入一个平衡块13,以防止电机14在工作过程中,发生偏移或者较大幅度的振动。
通过图4(a)和图4(b)进行对比,TiAl合金在使用该装置和未使用该装置情况下的显微组织,发现使用该装置后合金组织中晶粒尺寸明显减小,相对均匀。
实施例:
根据图1装置示意图,将具体实施方式一中的各个零部件,组装成本发明装置,给水冷铜线圈4通电,逐步加热原棒料3。当原棒料3熔化的液滴将要滴落前,打开电机电源16,使得电机14正常工作,此时转棍6开始旋转。当原棒料3上的液滴滴落到旋转的转棍6上时,因为转棍6具有一定的转速和离心力,并且具有较高的冷却速率,液滴就会被转棍6甩出,并冷却凝固。甩出凝固后的试样,就会被收料筒10获得。
使用该装置制备的Ti-44Al-6Nb-1.0Cr-2.0V合金的显微组织,如图4(a)和图4(b)所示,相比于没有使用该装置制备的Ti-44Al-6Nb-1.0Cr-2.0V合金的显微组织,片层团尺寸减小,片层间距降低,B2相分布更加均匀。
具体实施方式二:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式包括以下步骤:
步骤一、熔铸的准备;
将钛铝合金原棒料3安装在上升降系统2上,同时调节原棒料3的高度,为熔铸做准备;
步骤二、先对罐体1抽真空,然后对罐体1反充高纯氩气;
步骤三、打开冷却系统;
关闭氩气机械泵,打开水冷系统,对原棒料3外侧的水冷铜线圈4进行通水冷却;
步骤四、TiAl基合金原棒料3的融化和快速凝固;
步骤四一:检查真空表和冷却系统的各指示灯正常后,打开主电源开关,对原棒料3连续加载功率,此时水冷感应线圈4通入单相交流电,通过感应线圈使原棒料熔化;
步骤四二:在熔化的同时通过上升降系统2将原棒料3不断下送,通过电机14与变频调速器17搭配实现铜单辊6转速的变换,原棒料3在电磁感应线圈4加热熔化后滴落到旋转的铜单辊6上再甩出所需要的具有1~9×104K/s冷却速率的试样,收集试样,直至实验停止,炉体通入空气至炉门打开,取出试样,至此,完成了对TiAl基合金的快速凝固。
如此设置,采用磁涡流的方式对原棒料进行加热融化,原棒料的上部除上升降机构外是悬空的,使得原棒料在融化过程中远离其他构件,避免在加热过程中与其他构件发生反应,从而造成对原棒料的污染。另外,本实施方式的原棒料在融化后是滴落到铜单辊6上并极速甩出,由α2+γ相组成的片层团随着转速的提高,冷却速率成正相关关系上升,片层团出现越来越细化的趋势。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式步骤二中抽真空过程为:先关闭罐体1的炉膛门,再利用真空泵对整体罐体1内空间进行抽真空,使真空室的真空度处于0.05Pa-0.1Pa。如此设置,通入纯度高于99.999%的高纯氩气。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式步骤二中向真空室反充高纯氩气,重复充氩气3-5次,步骤二中向真空室反充高纯氩气的氩气压力为300Pa-320Pa。如此设置,通入纯度高于99.999%的高纯氩气。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式步骤三中的水冷铜线圈4为铜制均匀压力线圈,采用紫铜合金制成,且水冷铜线圈4的内部同通有冷却水。如此设置,便于实现快速冷却。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式步骤四二中铜单辊6的转速与原棒料3加热熔化后滴落到旋转的铜单辊6上再甩出试样,冷却速率在104K/s数量级中随转速的增加而逐次递加。如此设置,可以获得不同冷却速率下的显微组织,以便于更方便优选显微组织,改善室温力学性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式步骤四二中的冷却速率计算过程如下:
dQ/dT=hA(T-TA)
式中Q为热流方向上所传热量;
h为传热系数;
A为界面积;
T为合金液滴温度;
TA为铜制转辊的温度;
由凝固过程规律,又有下列关系:
dQ/dt=cρAdn-1dT/dt
式中ρ为合金密度,经天平称量质量和排水法测量体积后平均约为3900kg/m3;
c为比热容;
d为真空甩带所制得的薄带厚度;
n为常数,一般为1;
将上述两式联立后积分再对t求导可得瞬时冷却速率,为:
(dT/dt)t=0=-h(TA-T)/ρcd
最终求得冷却速率。如此设置,采取牛顿冷却方式对有关热流速率的计算,为不同转速下的合金处理法对合金的冷却速率提供指导,从而找到冷却速率的规律,实现快速凝固。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
实施例:
本实施方式旋转的铜单辊6,可以得到单辊甩带法冷却速度较高,且熔体与铜制转辊接触时间极短。铜辊对熔体的冷却速度不易直接测量。所以本实验采取牛顿冷却方式下有关热流速率的计算估算了本实验中快速凝固过程的冷却速率。
dQ/dT=hA(T-TA)
式中Q为热流方向上所传热量;h为传热系数;A为界面积;T为合金液滴温度;TA为铜制转辊的温度;
由凝固过程规律,又有下列关系:
dQ/dt=cρAdn-1dT/dt
式中ρ为合金密度,经天平称量质量和排水法测量体积后平均约为3900kg/m3;c为比热容;d为真空甩带所制得的薄带厚度,本实验近似取之为颗粒厚度,为1.5mm;n为常数,此种状态下为1。
将上述两式联立后积分再对t求导可得瞬时冷却速率,为:
(dT/dt)t=0=-h(TA-T)/ρcd
式中TA约为1840K;T为293K,h约为105W/m2K;c为799J/kgK。
最终求得的冷却速率约为3.3×104K/s。单辊甩带法中随着铜辊转速的增加,冷却速率也会随之增加。因此本实验中的不同转速下的合金处理法对合金的冷却速率在104K/s数量级中随转速的增加而逐次递加。
具体实施方式八:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式TiAl基合金原棒料3中的铝含量为43at.%-45at.%。如此设置,铸态钛铝合金在铝含量为44at.%时,铝的含量较低且冷却速度较低,凝固过程中主要发生β偏析。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式步骤四二中的原棒料3加热熔化后滴落到旋转的铜单辊6上再甩出的时间为0.2s-0.5s。如此设置,可以有效的控制合金凝固的冷却速率,更加容易控制合金显微组织,改善合金的力学性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
具体实施方式十:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式步骤四二中的原棒料3加热熔化后滴落到旋转的铜单辊6上再甩出的时间为0.3s。如此设置,可以根据不同的转速,调控合金显微组织,改善合金的力学性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。
实施例:
本实施方式是通过以下步骤实现:
步骤一、将铜单辊法制备钛铝基合金所用的自行设计装置安装好。将准备好的钛铝合金原棒料安装在上传送装置上,同时调节好棒料高度,为熔铸做准备。
步骤二、关闭炉膛门,利用真空泵将真空室抽真空,使真空室的真空度处于较低状态;然后向真空室反充高纯氩气,重复3-5次操作;
步骤三、关闭机械泵,打开水冷系统,对工作线圈、炉臂、电源、变压器等主要部件进行通水冷却;
步骤四、检查真空表和冷却系统的各指示灯正常后,打开主电源开关,加载功率,此时感应线圈通入单相交流电,通过感应线圈使原棒料熔化,在熔化的同时通过上送料装置将原棒料不断下送,通过电机与变频器搭配实现铜单辊转速的变换,原棒料在电磁加热熔化后滴落到旋转的铜辊上再甩出所需要的具有较高的冷却速率的试样,收集试样,直至实验停止,炉体通入空气至炉门打开,取出试样。
通过实施例中的步骤四,得到的甩出的试样为图2中的显微组织。可以看出快速凝固后的合金组织由B2相、γ相和α2相组成。钛铝基合金在由铜单辊甩带法提供的较大冷却速度下,成分中各元素含量的非平衡性就越强。铸态钛铝合金在铝含量为44at.%时,铝的含量较低且冷却速度较低,凝固过程中主要发生β偏析。但在由铜单辊甩带法处理合金所提供的较大冷却速度作用下,组织的非平衡性较强,因而主要发生α偏析,这造成了组织中以B2相存在的β相被保留的较多,组织中B2较铸态组织中含量增多。此外,由残余液相凝固后形成的γ相也随着铜辊的转速的增大而减少。由α2+γ相组成的片层团随着转速的提高,冷却速率成正相关关系上升,片层团出现越来越细化的趋势。
通过实施例中的步骤四中旋转的铜管,可以得到单辊甩带法冷却速度较高,且熔体与铜制转辊接触时间极短。铜辊对熔体的冷却速度不易直接测量。本实验采取牛顿冷却方式下有关热流速率的计算估算了本实验中快速凝固过程的冷却速率。
dQ/dT=hA(T-TA)
式中Q为热流方向上所传热量;h为传热系数;A为界面积;T为合金液滴温度;TA为铜制转辊的温度;
由凝固过程规律,又有下列关系:
dQ/dt=cρAdn-1dT/dt
式中ρ为合金密度,经天平称量质量和排水法测量体积后平均约为3900kg/m3;c为比热容;d为真空甩带所制得的薄带厚度,本实验近似取之为颗粒厚度,为1.5mm;n为常数,此种状态下为1。
将上述两式联立后积分再对t求导可得瞬时冷却速率,为:
(dT/dt)t=0=-h(TA-T)/ρcd
式中TA约为1840K;T为293K,h约为105W/m2K;c为799J/kgK。
最终求得的冷却速率约为3.3×104K/s。单辊甩带法中随着铜辊转速的增加,冷却速率也会随之增加。因此本实验中的不同转速下的合金处理法对合金的冷却速率在104K/s数量级中随转速的增加而逐次递加。
通过实施例中的步骤四,得到的甩出的试样,并对比不同转速下的显微硬度。由于铜单辊甩带法处理钛铝合金最终的组织在相组成上和显微结构上均有变化,为验证这一系列变化给合金性能带来的影响,我们对合金试样进行了显微硬度的测量。图3为不同转速下的合金的显微硬度测量值。可以看到快速凝固后的合金硬度值要比原始铸态的合金显微硬度高。压痕打在由α2和γ相组成的片层团上。这是因为一方面,快速凝固后的组织被细化,片层间距减少,细化后的晶粒起到了细晶强化的效果。另一方面,较大的冷却速率促进了Nb元素在片层组织中的固溶,起到了一定的固溶强化的效果。两方面共同作用下导致了快速凝固后合金的整体硬度要强于铸态组织的显微硬度。随着转速增大,逐渐增加的冷却速率提高了组织中的B2相含量,B2相本身的硬度要大于α2相和γ相,而且冷却速率越大,在此冷却速率的范围内组织越细,细晶强化的作用也就越明显。
Claims (10)
1.一种细化TiAl基合金的快速凝固装置,其特征在于:它包括罐体(1)、上升降系统(2)、原棒料(3)、水冷铜线圈(4)、上漏斗(5)、铜转辊(6)、电机转轴(7)、转轴保护罩(8)、下漏斗(9)、收料筒(10)、下工作台(11)、支撑架(12)、平衡块(13)、电机(14)、电机接线柱(15)、电机电源(16)、变频调速器(17)、导线(18)和电机套(19),
支撑架(12)安装在罐体(1)内并靠近罐体侧壁一侧,平衡块(13)安装在支撑架(12)内,电机(14)安装在支撑架(12)上,下工作台(11)安装在罐体(1)内并位于支撑架(12)一侧,收料筒(10)安装在下工作台(11)上,电机转轴(7)与电机(14)连接,且电机转轴(7)与电机(14)之间套装有电机套(19),铜转辊(6)套装在电机转轴(7)上,转轴保护罩(8)罩在铜转辊(6)上,下漏斗(9)安装在转轴保护罩(8)的下端并位于收料筒(10)的正上方,上漏斗(5)安装在转轴保护罩(8)的上端面上,水冷铜线圈(4)安装在上漏斗(5)的上方,上升降系统(2)安装在罐体(1)的上端内侧壁上,原棒料(3)安装在上升降系统(2)的下端并伸入到水冷铜线圈(4)内;电机电源(16)和变频调速器(17)安装在罐体(1)外部并通过导线(18)连接,变频调速器(17)通过导线和电机接线柱(15)与电机(14)连接。
2.一种采用权利要求1所述的一种细化TiAl基合金的快速凝固装置的凝固方法,其特征在于:它包括以下步骤:
步骤一、熔铸的准备;
将钛铝合金原棒料(3)安装在上升降系统(2)上,同时调节原棒料(3)的高度,为熔铸做准备;
步骤二、先对罐体(1)抽真空,然后对罐体(1)反充高纯氩气;
步骤三、打开冷却系统;
关闭氩气机械泵,打开水冷系统,对原棒料(3)外侧的水冷铜线圈(4)进行通水冷却;
步骤四、TiAl基合金原棒料(3)的融化和快速凝固;
步骤四一:检查真空表和冷却系统的各指示灯正常后,打开主电源开关,对原棒料(3)连续加载功率,此时水冷感应线圈(4)通入单相交流电,通过感应线圈使原棒料熔化;
步骤四二:在熔化的同时通过上升降系统(2)将原棒料(3)不断下送,通过电机(14)与变频调速器(17)搭配实现铜单辊(6)转速的变换,原棒料(3)在电磁感应线圈(4)加热熔化后滴落到旋转的铜单辊(6)上再甩出所需要的具有1~9×104K/s冷却速率的试样,收集试样,直至实验停止,炉体通入空气至炉门打开,取出试样,至此,完成了对TiAl基合金的快速凝固。
3.根据权利要求2所述的凝固方法,其特征在于:步骤二中抽真空过程为:先关闭罐体(1)的炉膛门,再利用真空泵对整体罐体(1)内空间进行抽真空,使真空室的真空度处于0.05Pa-0.1Pa。
4.根据权利要求3所述的凝固方法,其特征在于:步骤二中向真空室反充高纯氩气,重复充氩气3-5次。
5.根据权利要求4所述的凝固方法,其特征在于:步骤二中向真空室反充高纯氩气的氩气压力为300Pa-320Pa。
6.根据权利要求5所述的凝固方法,其特征在于:步骤三中的水冷铜线圈(4)为铜制均匀压力线圈,采用紫铜合金制成,且水冷铜线圈(4)的内部同通有冷却水。
7.根据权利要求6所述的凝固方法,其特征在于:步骤四二中铜单辊(6)的转速与原棒料(3)加热熔化后滴落到旋转的铜单辊(6)上再甩出所的冷却速率在104K/s数量级中随转速的增加而逐次递加。
8.根据权利要求7所述的凝固方法,其特征在于:步骤四二中的冷却速率计算过程如下:
dQ/dT=hA(T-TA)
式中Q为热流方向上所传热量;
h为传热系数;
A为界面积;
T为合金液滴温度;
TA为铜制转辊的温度;
由凝固过程规律,又有下列关系:
dQ/dt=cρAdn-1dT/dt
式中ρ为合金密度,经天平称量质量和排水法测量体积后平均约为3900kg/m3;
c为比热容;
d为真空甩带所制得的薄带厚度;
n为常数,一般为1;
将上述两式联立后积分再对t求导可得瞬时冷却速率,为:
(dT/dt)t=0=-h(TA-T)/ρcd
最终求得冷却速率。
9.根据权利要求8所述的凝固方法,其特征在于:TiAl基合金原棒料(3)中的铝含量为43at.%-45at.%。
10.根据权利要求9所述的凝固方法,其特征在于:步骤四二中的原棒料(3)加热熔化后滴落到旋转的铜单辊(6)上再甩出的时间为0.2s-0.5s。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210928 |
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