CN114918387A - 一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置与方法，它涉及一种制备超高温合金棒材的装置与方法。本发明为了解决现有高温合金制备存在熔炼大尺寸坯锭成本高的问题。本发明的电机通过联轴器与螺旋叶片连接，螺旋叶片穿过箱体并向下延伸，叶片保护罩套装在螺旋叶片上，进料斗的出料端与叶片保护罩连通，水冷铜坩埚固定安在箱体上，螺旋叶片的中心与水冷铜坩埚的中心对齐，加热线圈套装在水冷铜坩埚上，水冷铜坩埚中通有冷却水，水冷铜坩埚中下部嵌有陶瓷管，水冷铜坩埚内放有引料头，引料头穿过箱体的中部平台与抽拉杆相连，抽拉杆穿过镓铟液容器内的镓铟液后与抽拉杆电机相连，电弧枪的枪头对准水冷铜坩埚的中心。本发明用于制备超高温合金棒材。

Description

一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种制备超高温合金棒材的装置与方法，具体涉及一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置与方法。属于金属合金制备技术领域。

背景技术

随着航空航天工业的快速发展，对超高温合金需求量越来越高，但是超高温合金熔点较高，且活性较高，这增加了超高温合金的熔炼的难度与成本。以铌硅超高温合金为例，其熔点超过两千度，具有良好的高温强度和加工性能等优点而有望成为航空、航天等领域用的新一代高温结构材料，被期望于代替镍基高温合金，实现提升叶片使用温度的目标。

但是由于铌硅超高温合金自身熔点较高，在熔炼大尺寸铌硅坯锭时，为了保证坯锭成分的均匀性，往往需要首先熔炼多个小尺寸纽扣锭，而后将多个小尺寸纽扣锭熔炼成一个大尺寸坯锭。这增加了熔炼大尺寸铌硅坯锭的成本。若是开发出一种可直接融化原料，连续制备铌硅合金棒材的方法，将大幅降低铌硅超高温合金坯锭的熔炼成本。

综上所述，现有的高温合金在制备过程中，由于需要先熔炼多个小尺寸纽扣锭，再将多个小尺寸纽扣锭熔炼成一个大尺寸坯锭，存在熔炼大尺寸坯锭成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的高温合金在制备过程中，由于需要先熔炼多个小尺寸纽扣锭，再将多个小尺寸纽扣锭熔炼成一个大尺寸坯锭，存在熔炼大尺寸坯锭成本高的问题。进而提供一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置与方法。

本发明的技术方案是：一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，它包括进料斗、进料斗支撑杆、螺旋叶片、叶片保护罩、水冷铜坩埚、引料头、抽拉杆、镓铟液容器、抽拉杆电机、电机、联轴器、导线、第一电源、电弧枪、电机支架、箱体、陶瓷管、加热线圈和第二电源；箱体水平布置，进料斗和电机分别通过进料斗支撑杆和电机支架固定在箱体的上端面上，电机的输出轴通过联轴器与螺旋叶片连接，所述螺旋叶片穿过箱体的上端面并向下延伸，叶片保护罩套装在螺旋叶片上，进料斗的出料端与叶片保护罩连通，进料斗的物料通过螺旋叶片混合并引流至水冷铜坩埚内，水冷铜坩埚固定安装在箱体的中部平台上，螺旋叶片的中心与水冷铜坩埚的中心对齐，加热线圈套装在水冷铜坩埚上并与箱体外部的第二电源连接，水冷铜坩埚中通有冷却水，冷却水由入水口进入，由出水口流出，水冷铜坩埚中下部嵌有陶瓷管，水冷铜坩埚内放有引料头，引料头穿过箱体的中部平台，且引料头的底部与抽拉杆相连，抽拉杆穿过镓铟液容器内的镓铟液后与位于箱体底部的抽拉杆电机相连，电弧枪穿过箱体的上端面，且电弧枪的枪头对准水冷铜坩埚的中心，电弧枪通过导线与第一电源相连。

进一步地，它还包括三个推进式混料器和三个推进杆，三个推进式混料器均位于进料斗内，相邻两个推进式混料器之间的夹角均为30度，每个推进式混料器中加有物料，三个推进式混料器中的三种物料的送料比与推进杆的推进速度成正比。

进一步地，它还包括入口调节环和送料管道，送料管道的一端与进料斗的底部连通，送料管道的另一端通过入口调节环与叶片保护罩连接，混合后的物料通过螺旋叶片送入水冷铜坩埚的熔池中。

进一步地，水冷铜坩埚为圆形，铜坩埚外径为30～120mm，水冷铜坩埚高度为50～150mm，水冷铜坩埚厚度为10～20mm，且水冷铜坩埚内通有冷却水。

进一步地，它还包括石墨热电偶，水冷铜坩埚的内侧下部嵌有的陶瓷管的高度为水冷铜坩埚高度的1/4，陶瓷管的厚度为水冷铜坩埚厚度的1/5，水冷铜坩埚的内侧上部嵌有石墨热电偶。

进一步地，电弧枪的枪头距离水冷铜坩埚的熔池界面高度为1-5mm。

进一步地，引料头的成分与预定合金的成分相同，引料头的直径为10-50mm，引料头通过燕尾槽与抽拉杆相连。

本发明还提供了一种采用低成本短流程制备超高温合金棒材装置的制备方法，它包括以下步骤：

步骤一：准备工作：

将物料放入送料器内，引料头通过燕尾槽与抽拉杆相连，并将引料头放入水冷铜坩埚中，引料头的上表面高度距水冷铜坩埚的上表面高度20mm；

步骤二：引料头的融化：

分别对箱的中部平台上部和料斗进行抽真空，启动水冷铜坩埚和电弧枪内的循环冷却水，启动第一电源和第二电源，调整电弧枪22的位置，通过控制电弧枪和水冷铜坩埚共同作用熔化引料头；

步骤三：合金的制备：

启动电机，通过螺旋叶片开始向水冷铜坩埚中送入物料，当物料开始融化时，启动抽拉杆电机，下拉抽拉杆，通过热电偶的温度控制抽拉杆的速度与送料速度相匹配；

步骤四：棒材的冷却：

当步骤三中制备出的棒材生长至预定长度时，关闭电机，关闭第一电源和第二电源，快速下拉抽拉杆对棒材进行急速冷却；

步骤五：棒材冷却一分钟后，提升抽拉杆，取出棒材，关闭冷却水，至此，完成了超高温合金棒材的制备。

进一步地，步骤二中的循环冷却水温度需低于30度，当引料头熔化后，电弧枪与熔池界面距离保持5-20mm。

进一步地，步骤三中螺旋叶片的送料速率为1g～100g/分钟，抽拉杆的下拉速率为1～100mm/分钟；热电偶的测温点比预定熔池界面高度高1-3mm，当热电偶温度高于熔液温度时，降低送料速率，当热电偶温度低于熔液温度50度时，加快送料速度。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明是一种利用电弧熔炼、连续送料器和水冷铜坩埚相结合的低成本短流程制备超高温合金棒材的装备与方法，适用于铁基合金和铜基合金等高温材料的制备。

2、本发明的低成本短流程制备超高温合金棒材的装置相比于传统大尺寸超高温合金坯锭熔炼，具有可连续添加并熔化原料，短流程制备铌硅超高温合金棒材。另外，本发明的装置省略了现有技术中的制备合金棒料的一个工序，不但生产周期短、效率高，还适合连续生产。

3、本发明能够直接融化原料，连续制备铌硅合金棒材的方法，实现了低成本，短流程制备铌硅超高温合金棒材，大幅降低铌硅超高温合金坯锭的熔炼成本，该方法操作简单利于实现工业化生产的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是水冷坩埚的局部放大图。

图3是进料斗内部的结构示意图。

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，本实施方式包括进料斗1、进料斗支撑杆2、螺旋叶片6、叶片保护罩7、水冷铜坩埚11、引料头12、抽拉杆13、镓铟液容器15、抽拉杆电机16、电机18、联轴器19、导线20、第一电源21、电弧枪22、电机支架28、箱体23、陶瓷管27、加热线圈33和第二电源34；箱体23水平布置，进料斗1和电机18分别通过进料斗支撑杆2和电机支架28固定在箱体23的上端面上，电机18的输出轴通过联轴器19与螺旋叶片6连接，所述螺旋叶片6穿过箱体23的上端面并向下延伸，叶片保护罩7套装在螺旋叶片6上，叶片保护罩7也穿过箱体23的上端面，进料斗1的出料端与叶片保护罩7连通，进料斗1的物料通过螺旋叶片6混合并引流至水冷铜坩埚11内，水冷铜坩埚11固定安装在箱体23的中部平台上，螺旋叶片6的中心与水冷铜坩埚11的中心对齐，加热线圈33套装在水冷铜坩埚11上并与箱体23外部的第二电源34连接，水冷铜坩埚11中通有冷却水29，冷却水29由入水口25进入，由出水口26流出，水冷铜坩埚11中下部嵌有陶瓷管27，水冷铜坩埚11内放有引料头12，引料头12穿过箱体23的中部平台，且引料头12的底部与抽拉杆13相连，抽拉杆13穿过镓铟液容器15内的镓铟液14后与位于箱体23底部的抽拉杆电机16相连，电弧枪22穿过箱体23的上端面，且电弧枪22的枪头对准水冷铜坩埚11的中心，电弧枪22通过导线20与第一电源21相连。

本实施方式还包括直线轴承5和骨架油封10，叶片保护罩7穿过箱体23的上端面处安装有直线轴承5，直线轴承5的下端与叶片保护罩7的外侧壁之间安装有骨架油封10。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括三个推进式混料器32和三个推进杆30，三个推进式混料器32均位于进料斗1内，相邻两个推进式混料器32之间的夹角均为30度，每个推进式混料器32中加有物料31，三个推进式混料器32中的三种物料31的送料比与推进杆30的推进速度成正比。如此设置，30度的排布方便送料，同时方便各个送料器之间焊接，角度太大占用空间大，角度太小不方便送料器之间组合焊接。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1说明本实施方式，本实施方式还包括入口调节环3和送料管道8，送料管道8的一端与进料斗1的底部连通，送料管道8的另一端通过入口调节环3与叶片保护罩7连接，混合后的物料通过螺旋叶片6送入水冷铜坩埚11的熔池中。如此设置，送料速度主要靠螺旋叶片转速控制，调节环主要有关闭送料和开始送料两个作用，其它组成与连接方式与具体实施方式一、二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的水冷铜坩埚11为圆形，铜坩埚外径为30～120mm，水冷铜坩埚高度为50～150mm，水冷铜坩埚厚度为10～20mm，且水冷铜坩埚11内通有冷却水。如此设置，便于制备出不同直径和大小的合金棒料。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说明本实施方式，本实施方式还包括石墨热电偶9，水冷铜坩埚11的内侧下部嵌有的陶瓷管27的高度为水冷铜坩埚11高度的1/4，陶瓷管27的厚度为水冷铜坩埚11厚度的1/5，冷铜坩埚11的内侧上部嵌有石墨热电偶9。如此设置，铜坩埚内有冷却水，占据空间，所以陶瓷管不能太厚，水冷铜坩埚11的内侧下部嵌有的陶瓷管27的高度为水冷铜坩埚11高度的1/4，这是因为没有陶瓷管的部分(坩埚上部3/4)为熔炼加热区域，有陶瓷管的部位为保温区，水冷坩埚冷却能力很强，陶瓷管可以保温。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1说明本实施方式，本实施方式的电弧枪22的枪头距离水冷铜坩埚11的熔池界面高度为1-5mm。如此设置，电弧枪启动时需要有引弧过程(电弧枪为正极，物料为负极，二者接近，空气电离，形成电弧)，若是电弧枪距离物料太远(大于1cm)，则无法引弧，即无法熔炼，并且当引弧成功后，电弧枪离界面太远，熔炼效率会降低，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1说明本实施方式，本实施方式的引料头12的成分与预定合金的成分相同，引料头12的成分与三个推进式混料器32中三种成分的混合相同，引料头采用电磁水冷坩埚熔炼的小铸锭，与本发明制备方法不同，引料头12的直径为10-50mm，引料头12通过燕尾槽与抽拉杆13相连。如此设置，引料头大部分熔化，而抽拉杆不熔化，这样每次切引料头就行，不用切抽拉杆，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。

本实施方式的引料头12大部分熔化，而非完全熔化，这样每次切引料头就行，不用切抽拉杆。抽拉杆的成分不变，所以抽拉杆通常与引料头成分不同。

具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的制备方法包括以下步骤：

步骤一：准备工作：

将物料31放入送料器32内，引料头12通过燕尾槽与抽拉杆13相连，并将引料头12放入水冷铜坩埚11中，引料头12的上表面高度距水冷铜坩埚11的上表面高度20mm；

步骤二：引料头12的融化：

分别对箱23的中部平台上部和料斗1进行抽真空，启动水冷铜坩埚11和电弧枪22内的循环冷却水，启动第一电源21和第二电源34，调整电弧枪22的位置，通过控制电弧枪22和水冷铜坩埚11共同作用熔化引料头12；

步骤三：合金的制备：

启动电机18，通过螺旋叶片6开始向水冷铜坩埚11中送入物料31，当物料31开始融化时，启动抽拉杆电机16，下拉抽拉杆13，通过热电偶9的温度控制抽拉杆13的速度与送料速度相匹配；

步骤四：棒材的冷却：

当步骤三中制备出的棒材生长至预定长度时，关闭电机18，关闭第一电源21和第二电源34，快速下拉抽拉杆13对棒材进行急速冷却；

步骤五：棒材冷却一分钟后，提升抽拉杆13，取出棒材，关闭冷却水，至此，完成了超高温合金棒材的制备。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的循环冷却水温度需低于30度，当引料头12熔化后，电弧枪22与熔池界面距离保持5-20mm。，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说明本实施方式，本实施方式的步骤三中螺旋叶片6的送料速率为1g～100g/分钟，抽拉杆13的下拉速率为1～100mm/分钟；热电偶9的测温点比预定熔池界面高度高1-3mm，当热电偶9温度高于熔液温度时，降低送料速率，当热电偶9温度低于熔液温度50度时，加快送料速度。如此设置，为了控制坩埚内液面高度，防止坩埚内的液体溢出。其它组成与连接方式与具体实施方式一至九中任意一项相同。

由于本申请制备的棒料相比于现有技术节省了一个工序，提升了铸件性能。

现以制备Nb-16Si-24Ti合金为例：

步骤一：将纯铌颗粒、纯钛颗粒、纯硅颗粒分别放入送料器中，三种原料直径均为2mm，成分为Nb-16Si-24Ti，直径为40mm，高度为49mm的引料头12通过燕尾槽与抽拉杆13相连，放入内径为50mm、外径为70mm的水冷铜坩埚11中，引料头上表面高度距坩埚上表面高度为20mm，将物料31放入送料器32中。

步骤二：分别对箱体和料斗进行抽真空，而后冲入氩气，启动水冷铜坩埚内的循环冷却水，启动电弧枪电源，将电源功率调整至35kw，启动水冷铜坩埚电源、将电源功率调整至42kw，在电弧枪和水冷铜坩埚共同作用下，熔化引料头，调整电弧枪位置，距离熔池界面高度为5mm。

步骤三：通过推进杆将纯铌颗粒、纯钛颗粒、纯硅颗粒送入进料斗中，启动电机，通过螺旋叶片开始向水冷铜坩埚中混合的物料颗粒，当物料开始融化时，启动抽拉杆电机，下拉抽拉杆，下拉速率为10mm/min，通过热电偶温度，控制抽拉杆速度与送料速度相匹配。

步骤四：当棒材生长至400mm，关闭电机，关闭电源，快速下拉抽拉杆对棒材进行急速冷却。

步骤五：棒材冷却一分钟后，提升抽拉杆，取出棒材，关闭冷却水。

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)

1.一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，其特征在于：它包括进料斗(1)、进料斗支撑杆(2)、螺旋叶片(6)、叶片保护罩(7)、水冷铜坩埚(11)、引料头(12)、抽拉杆(13)、镓铟液容器(15)、抽拉杆电机(16)、电机(18)、联轴器(19)、导线(20)、第一电源(21)、电弧枪(22)、电机支架(28)、箱体(23)、陶瓷管(27)、加热线圈(33)和第二电源(34)；

箱体(23)水平布置，进料斗(1)和电机(18)分别通过进料斗支撑杆(2)和电机支架(28)固定在箱体(23)的上端面上，电机(18)的输出轴通过联轴器(19)与螺旋叶片(6)连接，所述螺旋叶片(6)穿过箱体(23)的上端面并向下延伸，叶片保护罩(7)套装在螺旋叶片(6)上，进料斗(1)的出料端与叶片保护罩(7)连通，进料斗(1)的物料通过螺旋叶片(6)混合并引流至水冷铜坩埚(11)内，水冷铜坩埚(11)固定安装在箱体(23)的中部平台上，螺旋叶片(6)的中心与水冷铜坩埚(11)的中心对齐，加热线圈(33)套装在水冷铜坩埚(11)上并与箱体(23)外部的第二电源(34)连接，水冷铜坩埚(11)中通有冷却水(29)，冷却水(29)由入水口(25)进入，由出水口(26)流出，水冷铜坩埚(11)中下部嵌有陶瓷管(27)，水冷铜坩埚(11)内放有引料头(12)，引料头(12)穿过箱体(23)的中部平台，且引料头(12)的底部与抽拉杆(13)相连，抽拉杆(13)穿过镓铟液容器(15)内的镓铟液(14)后与位于箱体(23)底部的抽拉杆电机(16)相连，电弧枪(22)穿过箱体(23)的上端面，且电弧枪(22)的枪头对准水冷铜坩埚(11)的中心，电弧枪(22)通过导线(20)与第一电源(21)相连。

2.根据权利要求1所述的一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，其特征在于：它还包括三个推进式混料器(32)和三个推进杆(30)，三个推进式混料器(32)均位于进料斗(1)内，相邻两个推进式混料器(32)之间的夹角均为30度，每个推进式混料器(32)中加有物料(31)，三个推进式混料器(32)中的三种物料(31)的送料比与推进杆(30)的推进速度成正比。

3.根据权利要求2所述的一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，其特征在于：它还包括入口调节环(3)和送料管道(8)，送料管道(8)的一端与进料斗(1)的底部连通，送料管道(8)的另一端通过入口调节环(3)与叶片保护罩(7)连接，混合后的物料通过螺旋叶片(6)送入水冷铜坩埚(11)的熔池中。

4.根据权利要求1或3所述的一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，其特征在于：水冷铜坩埚(11)为圆形，铜坩埚外径为30～120mm，水冷铜坩埚高度为50～150mm，水冷铜坩埚厚度为10～20mm，且水冷铜坩埚(11)内通有冷却水。

5.根据权利要求4所述的一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，其特征在于：它还包括石墨热电偶(9)，水冷铜坩埚(11)的内侧下部嵌有的陶瓷管(27)的高度为水冷铜坩埚高度(11)高度的1/4，陶瓷管(27)的厚度为水冷铜坩埚(11)厚度的1/5，水冷铜坩埚(11)的内侧上部嵌有石墨热电偶(9)。

6.根据权利要求1所述的一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，其特征在于：电弧枪(22)的枪头距离水冷铜坩埚(11)的熔池界面高度为1-5mm。

7.根据权利要求1所述的一种低成本短流程制备超高温合金棒材的装置，其特征在于：引料头(12)的成分与预定合金的成分相同，引料头(12)的直径为10-50mm，引料头(12)通过燕尾槽与抽拉杆(13)相连。

8.一种采用权利要求1至7中任意一项所述的一种低成本短流程制备超高温合金棒材装置的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：准备工作：

将物料(31)放入送料器(32)内，引料头(12)通过燕尾槽与抽拉杆(13)相连，并将引料头(12)放入水冷铜坩埚(11)中，引料头(12)的上表面高度距水冷铜坩埚(11)的上表面高度20mm；

步骤二：引料头(12)的融化：

分别对箱(23)的中部平台上部和料斗(1)进行抽真空，启动水冷铜坩埚(11)和电弧枪(22)内的循环冷却水，启动第一电源(21)和第二电源(34)，调整电弧枪(22)的位置，通过控制电弧枪(22)和水冷铜坩埚(11)共同作用熔化引料头(12)；

步骤三：合金的制备：

启动电机(18)，通过螺旋叶片(6)开始向水冷铜坩埚(11)中送入物料(31)，当物料(31)开始融化时，启动抽拉杆电机(16)，下拉抽拉杆(13)，通过热电偶(9)的温度控制抽拉杆(13)的速度与送料速度相匹配；

步骤四：棒材的冷却：

当步骤三中制备出的棒材生长至预定长度时，关闭电机(18)，关闭第一电源(21)和第二电源(34)，快速下拉抽拉杆(13)对棒材进行急速冷却；

步骤五：棒材冷却一分钟后，提升抽拉杆(13)，取出棒材，关闭冷却水，至此，完成了超高温合金棒材的制备。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤二中的循环冷却水温度需低于30度，当引料头(12)熔化后，电弧枪(22)与熔池界面距离保持5-20mm。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤三中螺旋叶片(6)的送料速率为1g～100g/分钟，抽拉杆(13)的下拉速率为1～100mm/分钟；

热电偶(9)的测温点比预定熔池界面高度高1-3mm，当热电偶(9)温度高于熔液温度时，降低送料速率，当热电偶(9)温度低于熔液温度50度时，加快送料速度。

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