CN114833326A - 一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备和方法，它涉及一种高温合金定向凝固的设备和方法。本发明为了解决现有技术试样尺寸受限制，连续补充物料困难，冷却介质昂贵，电磁感应加热对固液界面前沿的扰动，无法达到最佳定向凝固效果的问题。本发明的引锭器顶部与水冷铜坩埚的底部接触，螺旋进料器位于水冷铜坩埚的侧上方，磁控装置顶部与真空炉内部连接，且套在电弧枪外部。将线圈的电流和频率调为与金属颗粒匹配的数值，保持30s，使电弧作用范围减小且稳定，磁控装置由控制柜控制间断开启；同时开启控制电机和引锭电机，进行金属颗粒的补充和定向组织的生长制备。本发明用于高温合金的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备共晶高温合金定向凝固的设备和方法，具体涉及一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备和方法。属于难熔共晶合金及金属基复合合金定向凝固技术领域。
背景技术
发动机谁战斗机的心脏，提升发动机的推重比是关键，其中叶片的材料及性能是关键因素。叶片材料多为熔点超过2000℃以上的金属及金属基复合材料，且定向凝固是作为叶片加工的主要手段，是一种调控合金组织，减小横向晶界，提高合金综合力学性能的方法。但传统定向凝固可加工定向凝固试样尺寸小，达工业级尺寸较为困难，且采用液态金属提供固液界面前沿的温度梯度价格昂贵。部分加热方式，如电磁感应加热，会在固液界面前沿形成强对流，使固液界面造成非平界面，影响合金的定向凝固组织形态。
综上所述，现有定向凝固高温合金中试样尺寸受限制，高温合金定向凝固时连续补充物料困难，液态金属(指添加铟液)冷却介质昂贵，电磁感应加热对固液界面前沿的扰动，无法达到最佳定向凝固效果的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有定向凝固高温合金中试样尺寸受限制，高温合金定向凝固时连续补充物料困难，液态金属冷却介质昂贵，电磁感应加热对固液界面前沿的扰动，无法达到最佳定向凝固效果的问题。进而提供一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备和方法，获得共晶合金中脆性相和韧性相耦合生长良好，且断裂韧性大幅提升的共晶高温合金定向铸锭。
本发明的提供了一种制备高温合金的高频感应加热凝固装置，它包括控制柜、连接线、电弧枪及磁控装置控制器、真空炉、螺旋进料器、控制电机、真空系统、磁控装置、电弧枪、水冷铜坩埚、引锭器系统和坩埚及引锭器进出水系统；水冷铜坩埚安装在真空炉内，引锭器系统穿过真空炉的底端与水冷铜坩埚的下部连接，且坩埚及引锭器进出水系统安装在水冷铜坩埚的底部并为水冷铜坩埚和引锭器系统冷却，螺旋进料器向右下方倾斜密封插装在真空炉内，且螺旋进料器的出料端朝向水冷铜坩埚，控制电机与螺旋进料器的进料端连接并控制进料；真空系统安装在真空炉的外侧下部对真空炉抽真空，电弧枪竖直插装在真空炉内并位于水冷铜坩埚的正上方，磁控装置套装在位于真空炉内的电弧枪上改变电弧枪处理高温合金的深度，电弧枪及磁控装置控制器安装在电弧枪的上部，控制柜通过连接线分别与控制电机和电弧枪以及引锭器系统电性连接。
进一步地，真空系统包括抽气系统和保护气输入系统，抽气系统通过管路与真空炉连接，保护气输入系统与所述管路连接，其中，保护气输入系统中通入的保护气体为氩气。
进一步地，磁控装置包括导磁杆、金属屏蔽罩、线圈和工字螺旋管，工字螺旋管通过螺栓固定在真空炉的内侧壁上，线圈缠绕在工字螺旋管上，金属屏蔽罩罩装在线圈的外侧，导磁杆的上部固定在工字螺旋管上，导磁杆的底部与电弧枪的电极底端高度一致。
进一步地，导磁杆的数量为四个，其中包括两根长导磁杆和两根短导磁杆，两根长导磁杆的顶端与工字螺线管上部侧面通过螺栓连接，且两根长导磁杆对称安装，夹角为180度，所述两根短导磁杆的顶端与工字螺线管下部侧面通过螺栓连接，且两根短导磁杆对称安装，夹角为180度，四根导磁杆的底端均与电弧枪尖端对齐。
进一步地，坩埚及引锭器进出水系统包括出水管和进水管，出水管的一端和进水管的一端分别从水冷铜坩埚的底部两端插入，实现对水冷铜坩埚的水冷，出水管的另一端和进水管的另一端均与引锭器系统连接，实现对引锭器系统的水冷。
进一步地，引锭器系统包括引锭器、引锭器滑块、引锭器导轨和引锭器电机，引锭器的一端穿过真空炉后与水冷铜坩埚的下端面连接，同时，引锭器的上部与坩埚及引锭器进出水系统连接，引锭器的另一端与引锭器滑块连接，引锭器电机通过丝杠带动引锭器滑块在竖直安装的引锭器导轨上滑动。
进一步地，引锭器系统还包括密封装置，引锭器的一端通过密封装置与真空炉之间密封连接。
本发明还提供了一种采用磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备的制备方法，它包括以下步骤：
步骤一：将籽晶放置在水冷铜坩埚的底部，将螺旋进料器内装满与籽晶同种成分的金属颗粒，并将电弧枪的电极下降并调至能够起弧的高度；
步骤二：在控制柜上分别设定引锭器和引锭器滑块的下拉速度及螺旋进料器的送料量；
步骤三：开启真空系统，然后开启抽气系统，利用保护气输入系统充入氩气，将真空炉内真空度保持在0.05MPa，利用电弧枪引弧；
步骤四：逐渐增加电弧枪的电弧电流至籽晶表层熔化；
运行磁控装置，将线圈的电流和频率调为与金属颗粒匹配的数值，从开启线圈和频率到电弧作用范围减小保持30s，使电弧作用范围减小且稳定，磁控装置由控制柜控制间断开启；
步骤五：同时开启控制电机和引锭电机，进行金属颗粒的补充和定向组织的生长；
步骤六：定向凝固铸锭制备完成后，迅速将电弧电流减小为0，电弧电流减小的时间为1s-2s内，关闭电弧枪的电流；待定向铸锭完全冷却后，开启抽气系统放气，打开真空炉炉门后取出定向凝固铸锭；
步骤七：将定向凝固共晶铸锭按照工程试样的标准，进行电火花线切割，用砂纸和抛光机进行打磨和抛光后，进行组织和力学性能测试，至此，完成了共晶高温合金定向凝固制备。
进一步地，步骤二中引锭器和引锭器滑块的下拉速度范围为0-100mm/min，螺旋进料器的送料量与引锭器和引锭器滑块的下拉速度匹配，其换算关系为π乘以籽晶密度乘以籽晶枝晶的平方，乘以引锭器和引锭器滑块的下拉速度，此换算关系已经在控制柜进行集成，仅需输入引锭器和引锭器滑块的下拉速度即可。
进一步地，所述步骤四的电弧枪的电弧能使籽晶表层的熔化温度为液相线上100℃，磁控装置的线圈的电流和频率与螺旋进料器中颗粒粒径匹配，颗粒粒径小于100μm，线圈的电流和频率分别控制为50-100A和50-100Hz，颗粒粒径大于100μm，线圈的电流和频率分别控制为100-200A和30-50Hz,磁控装置每秒间断开启与螺旋进料器的开启时间错开。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明采用磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备和方法，可对难熔共晶合金进行定向凝固制备，同时，坩埚采用水冷，降低定向凝固实验的成本，采用螺旋送料装置可以实现连续物料的加入，同时采用电弧作为加热源，对固液界形状影响小，实现共晶合金中脆性相和韧性相的耦合定向生长且无污染，断裂韧性获得大幅度提升。
2、本发明采用磁控装置控制电弧的大小和作用范围，便于螺旋进料器的物料添加，且不易吹飞，同时减小电弧的作用深度，为固液界面前沿提高大的温度梯度，有利于共晶合金的定向生长。
3、本发明的铸锭可以达到工业级尺寸：
水冷铜坩埚非常大>20mm，铜坩埚中的籽晶尺寸可以根据需要进行调整，主要是定向铸锭的直径达到工业级，定向铸锭的长度是可以根据送料及坩埚高度一直进行生长的。因此，本发明制备的铸锭可以达到工业级尺寸。
4、本发明磁控装置的具体作用为：
(1)磁控装置通过控制线圈803的频率和电流大小改变电弧的作用深度，电弧的作用深度可以从1mm-15mm，改变电弧作用深度可以改变定向凝固过程中的温度梯度，和调控固液界面形态，减小电弧作用深度，可以增大温度梯度，利于平直固液界面形成，有利于定向凝固组织形成，提高铸锭的室温断裂韧性。
(2)磁控装置通过控制线圈803的频率和电流大小改变电弧的作用深度，防止送料的粉吹飞，保证添加物料的量，保证加料和抽拉的匹配关系的准确性。
(3)磁控装置通过控制线圈803的频率和电流大小改变电弧的作用深度，远离固液界面前沿，仅熔炼籽晶表面，形成更大的温度梯度，更有利于定向组织的形成，良好的定向组织可以明显提升轴向力学性能，尤其是室温断裂韧性，提高了2.5倍。
5、本发明的水冷铜坩埚采用水冷的方式具有如下优势：
冷水在坩埚内进行流动，为定向凝固提供温度梯度，其他的定向凝固大部分温度梯度靠GaIn液在底部进行提供，成本非常高，容易产生污染，采用水冷铜坩埚可以减小污染，而且成本低廉，易于实现。
6、本发明能够减小固液界面前沿的扰动：
在定向凝固过程中，固液界面的形态对于实现铸锭的定向凝固生长有非常重要的作用，平直的固液界面更有利于铸锭的定向凝固，定向组织垂直与固液界面进行生长，单一的电弧加热方式，会对熔池有力的作用，对固液界面前沿有较强的扰动，不利于定向凝固，加磁控的电弧熔炼可以减小电弧的作用深度，减小熔池内的扰动。
7、本发明底部的抽拉机构(指引锭器系统)所起到的作用：
本发明的坩埚和其内部的籽晶一起随抽拉机构进行运动，实现铸锭的定向凝固过程，铸锭的长度不高于坩埚，磁控装置整体可以深伸入坩埚内部，磁控装置整体小于坩埚的内径。因此，可以增加铸锭的高度，深入坩埚对性能没有帮助，仅仅是铸锭的高度跟坩埚的高度一致，不伸入坩埚内部，无法将籽晶熔化。
8、采用本发明的设备制备出的材料性能提升：
结合图4至图6，本实验提供了三组实例，室温断裂韧性的性能提升明显最高可提升2.5倍。
附图说明
图1是本发明的磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固设备的结构示意图；
图2是图1中A的局部剖视图；
图3是图1中B的局部剖视图；
图4是在扫描电镜下的Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金磁控电弧定向凝固组织图片；
图5是在扫描电镜下的Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金磁控电弧定向凝固组织图片；
图6是各个实施例的断裂韧性值。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式包括控制柜1、连接线2、电弧枪及磁控装置控制器3、真空炉4、螺旋进料器5、控制电机6、真空系统7、磁控装置8、电弧枪9、水冷铜坩埚10、引锭器系统和坩埚及引锭器进出水系统11；水冷铜坩埚10安装在真空炉4内，引锭器系统穿过真空炉4的底端与水冷铜坩埚10的下部连接，且坩埚及引锭器进出水系统11安装在水冷铜坩埚10的底部并为水冷铜坩埚10和引锭器系统冷却，螺旋进料器5向右下方倾斜密封插装在真空炉4内，且螺旋进料器5的出料端朝向水冷铜坩埚10，控制电机6与螺旋进料器5的进料端连接并控制进料；真空系统7安装在真空炉4的外侧下部对真空炉4抽真空，电弧枪9竖直插装在真空炉4内并位于水冷铜坩埚10的正上方，磁控装置8套装在位于真空炉4内的电弧枪9上改变电弧枪9处理高温合金的深度，电弧枪及磁控装置控制器3安装在电弧枪9的上部，控制柜1通过连接线2分别与控制电机6和电弧枪9以及引锭器系统电性连接。
本实施方式的控制柜1用于控制电源、引锭器系统中的引锭器电机、螺旋进料器的控制电机。
本实施方式的磁控装置8产生的电磁场对电弧产生作用力，可以减小电弧的作用范围和作用深度，便于螺旋进料器的物料添加，并减小固液界面前沿的扰动。
本实施方式中的螺旋进料器5的进料杆由控制电机6带动控制进料速度，采用这种方法进料速度可控，且进料的粒径不受局限，设备制作方便，可操作性强。
本实施方式可对难熔共晶合金进行无污染定向凝固处理，并利用磁控装置控制固液界面前沿的温度梯度，控制螺旋进料器的进料速度和引锭器的引锭速度，实现熔体组织的定向生长，更好地获得组织定向生长的难熔合金定向凝固铸锭，进而获得具有高的力学性能(具有超高室温断裂韧性)的定向凝固共晶合金。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的真空系统7包括抽气系统701和保护气输入系统702，抽气系统701通过管路与真空炉4连接，保护气输入系统702与所述管路连接，其中，保护气输入系统702中通入的保护气体为氩气。如此设置，便于对真空炉抽真空和通入保护气体。其它组成与连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的磁控装置8包括导磁杆801、金属屏蔽罩802、线圈803和工字螺旋管804，工字螺旋管804通过螺栓固定在真空炉4的内侧壁上，线圈803缠绕在工字螺旋管804上，金属屏蔽罩802罩装在线圈803的外侧，导磁杆801的上部固定在工字螺旋管804上，导磁杆801的底部与电弧枪9的电极底端高度一致。(电弧枪9可以用电弧枪及磁控装置控制器进行上下移动，图2中是未调一致的时的示意)。如此设置，控制电弧的大小和作用范围，便于螺旋进料器的物料添加，且不易吹飞，同时减小电弧的作用深度，为固液界面前沿提高大的温度梯度，有利于共晶合金的定向生长。其它组成与连接方式与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的导磁杆801的数量为四个，其中包括两根长导磁杆和两根短导磁杆，两根长导磁杆的顶端与工字螺线管804上部侧面通过螺栓连接，且两根长导磁杆对称安装，夹角为180度，所述两根短导磁杆的顶端与工字螺线管804下部侧面通过螺栓连接，且两根短导磁杆对称安装，夹角为180度，四根导磁杆801的底端均与电弧枪9尖端对齐。如此设置，将磁控装置产生的电磁力作用在电弧产生的顶部，更好地控制电弧形状。其它组成与连接方式与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的坩埚及引锭器进出水系统11包括出水管1101和进水管1102，出水管1101的一端和进水管1102的一端分别从水冷铜坩埚10的底部两端插入，实现对水冷铜坩埚10的水冷，出水管1101的另一端和进水管1102的另一端均与引锭器系统连接，实现对引锭器系统的水冷。如此设置，便于对水冷铜坩埚和引锭器进行冷却。其它组成与连接方式与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式的引锭器系统包括引锭器12、引锭器滑块14、引锭器导轨13和引锭器电机15，引锭器12的一端穿过真空炉4后与水冷铜坩埚10的下端面连接，同时，引锭器12的上部与坩埚及引锭器进出水系统11连接，引锭器12的另一端与引锭器滑块14连接，引锭器电机15通过丝杠带动引锭器滑块14在竖直安装的引锭器导轨13上滑动。如此设置，便于实现铸锭的定向凝固过程，铸锭高度达到了水冷铜坩埚的高度。其它组成与连接方式与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图3说明本实施方式，本实施方式的引锭器系统还包括密封装置17，引锭器12的一端通过密封装置17与真空炉4之间密封连接，其中，密封装置17包括螺纹连接部和密封部，螺纹连接部与真空炉4底部通过引锭系统的引锭器12连接，密封部为密封垫圈，在真空炉4外部密封处涂有密封真空脂，密封装置的材质和真空炉4相同，为钢，密封垫圈的材质为胶皮。如此设置，由于引锭系统的运动会降低真空室的密封性，因此增加密封装置进行更好的密封，保证真空度。其它组成与连接方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：将籽晶16放置在水冷铜坩埚10的底部，将螺旋进料器5内装满与籽晶同种成分的金属颗粒，并将电弧枪9的电极下降并调至能够起弧的高度；
步骤二：在控制柜1上分别设定引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度及螺旋进料器5的送料量；
步骤三：开启真空系统7，然后开启抽气系统701，利用保护气输入系统702充入氩气，将真空炉4内真空度保持在0.05MPa，利用电弧枪9引弧；
步骤四：逐渐增加电弧枪9的电弧电流至籽晶16表层熔化；
运行磁控装置8，将线圈803的电流和频率调为与金属颗粒匹配的数值，从开启线圈和频率到电弧作用范围减小保持30s，因为磁控装置调节搜频和增加电流需要时间，使电弧作用范围减小且稳定，磁控装置8由控制柜1控制间断开启；
步骤五：同时开启控制电机6和引锭电机15，进行金属颗粒的补充和定向组织的生长；
步骤六：定向凝固铸锭制备完成后，迅速将电弧电流减小为0，电弧电流减小的时间为1s-2s内，关闭电弧枪9的电流；待定向铸锭完全冷却后，开启抽气系统701放气，打开真空炉4炉门后取出定向凝固铸锭；
步骤七：将定向凝固共晶铸锭按照工程试样的标准，进行电火花线切割，用砂纸和抛光机进行打磨和抛光后，进行组织和力学性能测试，至此，完成了共晶高温合金定向凝固制备。
具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的步骤二中引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度范围为0-100mm/min，螺旋进料器5的送料量与引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度匹配，其换算关系为π乘以籽晶密度乘以籽晶枝晶的平方，乘以引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度，此换算关系已经在控制柜1进行集成，仅需输入引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度即可。如此设置，保证定向凝固过程中物料的补给，减少铸锭的缺陷。其它组成与连接方式与具体实施方式一至八中任意一项相同。
具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的步骤四的电弧枪6的电弧能使籽晶16表层的熔化温度为液相线上100℃，磁控装置8的线圈803的电流和频率与螺旋进料器5中颗粒粒径匹配，颗粒粒径小于100μm，线圈803的电流和频率分别控制为50-100A和50-100Hz，颗粒粒径大于100μm，线圈803的电流和频率分别控制为100-200A和30-50Hz,磁控装置8每秒间断开启与螺旋进料器5的开启时间错开。如此设置，开启时间错开，添加物料时，保证颗粒不被吹飞，同时可以更好地使颗粒熔化。其它组成与连接方式与具体实施方式九相同。
实施例1：
一种使用本发明的设备磁控电弧制备Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2共晶合金定向铸锭的方法：
步骤1：将籽晶16，其直径20mm，放置在水冷铜坩埚10底部，将螺旋进料器内装满与籽晶同种成分的金属颗粒。粒径为80μm，并将电弧枪9的电极下降并调至能够起弧的高度；
步骤2：在电源、引锭器、螺旋进料器控制柜1上，分别设定引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度及螺旋进料器5的送料量为100mm/min和3.9g/s；
步骤3：开启真空系统7，然后开启抽气系统701，利用保护气输入系统702充入氩气，将真空炉4内真空度保持在0.05MPa，利用电弧枪9引弧；
步骤4：逐渐增加电弧枪9的电弧电流至600A籽晶16表层熔化；
运行磁控装置8，将线圈803的电流和频率调为80A和80Hz，保持30s，使电弧作用范围减小且稳定，磁控装置8由电源、引锭器、螺旋进料器控制柜1控制间断开启；
步骤5：同时开启控制电机6和引锭电机15，进行金属颗粒的补充和定向组织的生长
步骤6：定向凝固铸锭制备完成后，1s将电弧电流减小为0，待定向铸锭完全冷却后，开启抽气系统701放气，打开真空炉4炉门后取出定向凝固铸锭。
步骤7：将定向凝固共晶铸锭按照工程试样的标准，进行电火花线切割，用砂纸和抛光机进行打磨和抛光后，进行组织和断裂韧性测试。
实施例2：
一种使用本发明设备磁控电弧制备Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2共晶合金定向铸锭的方法：
步骤1：将籽晶16，其直径30mm，放置在水冷铜坩埚10底部，将螺旋进料器内装满与籽晶同种成分的金属颗粒。粒径为120μm，并将电弧枪9的电极下降并调至能够起弧的高度；
步骤2：在电源、引锭器、螺旋进料器控制柜1上，分别设定引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度及螺旋进料器5的送料量为80mm/min和6.9g/s；
步骤3：开启真空系统7，然后开启抽气系统701，利用保护气输入系统702充入氩气，将真空炉4内真空度保持在0.05MPa，利用电弧枪9引弧；
步骤4：逐渐增加电弧枪9的电弧电流至600A籽晶16表层熔化；
运行磁控装置8，将线圈803的电流和频率调为150A和40Hz，保持30s，使电弧作用范围减小且稳定，磁控装置8由电源、引锭器、螺旋进料器控制柜1控制间断开启；
步骤5：同时开启控制电机6和引锭电机15，进行金属颗粒的补充和定向组织的生长
步骤6：定向凝固铸锭制备完成后，1s将电弧电流减小为0，待定向铸锭完全冷却后，开启抽气系统701放气，打开真空炉4炉门后取出定向凝固铸锭。
步骤7：将定向凝固共晶铸锭按照工程试样的标准，进行电火花线切割，用砂纸和抛光机进行打磨和抛光后，进行组织和断裂韧性测试。
实施例3：
一种使用本发明设备磁控电弧制备Nb-Si-Ti-ZrC-Sc共晶合金定向铸锭的方法：
步骤1：将籽晶16，其直径32mm，放置在水冷铜坩埚10底部，将螺旋进料器内装满与籽晶同种成分的金属颗粒。粒径为60μm，并将电弧枪9的电极下降并调至能够起弧的高度；
步骤2：在电源、引锭器、螺旋进料器控制柜1上，分别设定引锭器12和引锭器滑块14的下拉速度及螺旋进料器5的送料量为90mm/min和8.9g/s；
步骤3：开启真空系统7，然后开启抽气系统701，利用保护气输入系统702充入氩气，将真空炉4内真空度保持在0.05MPa，利用电弧枪9引弧；
步骤4：逐渐增加电弧枪9的电弧电流至650A籽晶16表层熔化；
运行磁控装置8，将线圈803的电流和频率调为70A和80Hz，保持30s，使电弧作用范围减小且稳定，磁控装置8由电源、引锭器、螺旋进料器控制柜1控制间断开启；
步骤5：同时开启控制电机6和引锭电机15，进行金属颗粒的补充和定向组织的生长
步骤6：定向凝固铸锭制备完成后，2s将电弧电流减小为0，待定向铸锭完全冷却后，开启抽气系统701放气，打开真空炉4炉门后取出定向凝固铸锭。
步骤7：将定向凝固共晶铸锭按照工程试样的标准，进行电火花线切割，用砂纸和抛光机进行打磨和抛光后，进行组织和断裂韧性测试。
图4为在扫描电镜下的Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金定向凝固制备的组织图片；微观组织的定向效果显著，包含了相对较大尺寸的硅化物相和Nbss相共晶组织，同时也存在细小尺寸的树枝状的硅化物和Nbss相共晶组织。由图4为本发明实施例中磁控电弧制备Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金显微组织，可以看出，利用本发明涉及的磁控电弧制备装置和方法制备的Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金中显微组织明显出现了定向排列生长，存在细小的树枝状共晶组织，其中，图中铸锭的树枝状共晶团尺寸多为10μm-20μm。组织中良好的定向组织提升了室温断裂韧性，由铸态的13MPa·m1/2提升到定向凝固态的30MPa·m1/2。由此可知，本发明的磁控电弧制备的合金，可实现铸锭的定向生长，提升合金的力学性能。
图5为在扫描电镜下磁控电弧制备的Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金组织图片，组织定向效果明显。由图5为本发明实施例中经磁控电弧制备Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金显微组织，可以看出，利用本发明涉及的磁控电弧装置和方法制备的Nb-Si-Ti-ZrC-TiB2合金中显微组织明显发生了定向生长，黑色初生相平均尺寸约为4μm，白色Nbss相平均尺寸约为2μm。其中，组织中出现了大量的树枝状共晶组织，组织中良好的定向组织提升了室温断裂韧性，由铸态的13MPa·m1/2提升到28MPa·m1/2。由此可知，本发明的磁控电弧制备的合金，可显著使组织发生定向生长，提升合金的室温力学性能。
以上所述仅对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员在本发明的启示之下，在不脱离发明宗旨下，对本发明的特征和实施例进行的各种修改或等同替换以适应具体情况均不会脱离本发明的精神和权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备，其特征在于：它包括控制柜(1)、连接线(2)、电弧枪及磁控装置控制器(3)、真空炉(4)、螺旋进料器(5)、控制电机(6)、真空系统(7)、磁控装置(8)、电弧枪(9)、水冷铜坩埚(10)、引锭器系统和坩埚及引锭器进出水系统(11)；
水冷铜坩埚(10)安装在真空炉(4)内，引锭器系统穿过真空炉(4)的底端与水冷铜坩埚(10)的下部连接，且坩埚及引锭器进出水系统(11)安装在水冷铜坩埚(10)的底部并为水冷铜坩埚(10)和引锭器系统冷却，螺旋进料器(5)向右下方倾斜密封插装在真空炉(4)内，且螺旋进料器(5)的出料端朝向水冷铜坩埚(10)，控制电机(6)与螺旋进料器(5)的进料端连接并控制进料；真空系统(7)安装在真空炉(4)的外侧下部对真空炉(4)抽真空，电弧枪(9)竖直插装在真空炉(4)内并位于水冷铜坩埚(10)的正上方，磁控装置(8)套装在位于真空炉(4)内的电弧枪(9)上改变电弧枪(9)处理高温合金的深度，电弧枪及磁控装置控制器(3)安装在电弧枪(9)的上部，控制柜(1)通过连接线(2)分别与控制电机(6)和电弧枪(9)以及引锭器系统电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备，其特征在于：真空系统(7)包括抽气系统(701)和保护气输入系统(702)，抽气系统(701)通过管路与真空炉(4)连接，保护气输入系统(702)与所述管路连接，其中，保护气输入系统(702)中通入的保护气体为氩气。
3.根据权利要求2所述的一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备，其特征在于：磁控装置(8)包括导磁杆(801)、金属屏蔽罩(802)、线圈(803)和工字螺旋管(804)，工字螺旋管(804)通过螺栓固定在真空炉(4)的内侧壁上，线圈(803)缠绕在工字螺旋管(804)上，金属屏蔽罩(802)罩装在线圈(803)的外侧，导磁杆(801)的上部固定在工字螺旋管(804)上，导磁杆(801)的底部与电弧枪(9)的电极底端高度一致。
4.根据权利要求3所述的一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备，其特征在于：导磁杆(801)的数量为四个，其中包括两根长导磁杆和两根短导磁杆，两根长导磁杆的顶端与工字螺线管(804)上部侧面通过螺栓连接，且两根长导磁杆对称安装，夹角为180度，所述两根短导磁杆的顶端与工字螺线管(804)下部侧面通过螺栓连接，且两根短导磁杆对称安装，夹角为180度，四根导磁杆(801)的底端均与电弧枪(9)尖端对齐。
5.根据权利要求1或4所述的一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备，其特征在于：坩埚及引锭器进出水系统(11)包括出水管(1101)和进水管(1102)，出水管(1101)的一端和进水管(1102)的一端分别从水冷铜坩埚(10)的底部两端插入，实现对水冷铜坩埚(10)的水冷，出水管(1101)的另一端和进水管(1102)的另一端均与引锭器系统连接，实现对引锭器系统的水冷。
6.根据权利要求5所述的一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备，其特征在于：引锭器系统包括引锭器(12)、引锭器滑块(14)、引锭器导轨(13)和引锭器电机(15)，引锭器(12)的一端穿过真空炉(4)后与水冷铜坩埚(10)的下端面连接，同时，引锭器(12)的上部与坩埚及引锭器进出水系统(11)连接，引锭器(12)的另一端与引锭器滑块(14)连接，引锭器电机(15)通过丝杠带动引锭器滑块(14)在竖直安装的引锭器导轨(13)上滑动。
7.根据权利要求6所述的一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备，其特征在于：引锭器系统还包括密封装置(17)，引锭器(12)的一端通过密封装置(17)与真空炉(4)之间密封连接。
8.一种采用权利要求1-7中任意一项权利要求所述的一种磁控电弧制备共晶高温合金定向凝固的设备的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：将籽晶(16)放置在水冷铜坩埚(10)的底部，将螺旋进料器(5)内装满与籽晶同种成分的金属颗粒，并将电弧枪(9)的电极下降并调至能够起弧的高度；
步骤二：在控制柜(1)上分别设定引锭器(12)和引锭器滑块(14)的下拉速度及螺旋进料器(5)的送料量；
步骤三：开启真空系统(7)，然后开启抽气系统(701)，利用保护气输入系统(702)充入氩气，将真空炉(4)内真空度保持在0.05MPa，利用电弧枪(9)引弧；
步骤四：逐渐增加电弧枪(9)的电弧电流至籽晶(16)表层熔化；
运行磁控装置(8)，将线圈(803)的电流和频率调为与金属颗粒匹配的数值，从开启线圈和频率到电弧作用范围减小保持30s，使电弧作用范围减小且稳定，磁控装置(8)由控制柜(1)控制间断开启；
步骤五：同时开启控制电机(6)和引锭电机(15)，进行金属颗粒的补充和定向组织的生长；
步骤六：定向凝固铸锭制备完成后，迅速将电弧电流减小为0，电弧电流减小的时间为1s-2s内，关闭电弧枪(9)的电流；待定向铸锭完全冷却后，开启抽气系统(701)放气，打开真空炉(4)炉门后取出定向凝固铸锭；
步骤七：将定向凝固共晶铸锭按照工程试样的标准，进行电火花线切割，用砂纸和抛光机进行打磨和抛光后，进行组织和力学性能测试，至此，完成了共晶高温合金定向凝固制备。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤二中引锭器(12)和引锭器滑块(14)的下拉速度范围为0-100mm/min，螺旋进料器(5)的送料量与引锭器(12)和引锭器滑块(14)的下拉速度匹配，其换算关系为π乘以籽晶密度乘以籽晶枝晶的平方，乘以引锭器(12)和引锭器滑块(14)的下拉速度，此换算关系已经在控制柜(1)进行集成，仅需输入引锭器(12)和引锭器滑块(14)的下拉速度即可。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤四的电弧枪(6)的电弧能使籽晶(16)表层的熔化温度为液相线上100℃，磁控装置(8)的线圈(803)的电流和频率与螺旋进料器(5)中颗粒粒径匹配，颗粒粒径小于100μm，线圈(803)的电流和频率分别控制为50-100A和50-100Hz，颗粒粒径大于100μm，线圈(803)的电流和频率分别控制为100-200A和30-50Hz,磁控装置8每秒间断开启与螺旋进料器(5)的开启时间错开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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