CN115265189A - 一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高熔点合金材料熔炼技术领域，涉及一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备和方法，包括电弧及线圈控制器、电弧枪控制杆、电弧磁控组件、熔炼炉、坩埚、电弧枪、抽真空机构和控制柜，其中电弧磁控组件，包括磁头、电磁屏蔽罩、感应线圈和永磁体组件，且永磁体组件的底端高度与电弧枪的钨级底端高度一致。本发明的优点：采用磁控电弧变温度梯度熔炼的设备和方法，可对高熔点合金熔体进行熔炼，同时，合金温度梯度及电弧作用范围可通过控制尖角磁场的大小进行控制，所获金属材料组织可调控。
Description
技术领域
本发明属于高熔点合金材料熔炼技术领域，涉及一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备和方法。
背景技术
高熔点合金广泛应用在航空、航天、民用等领域，由于高熔点合金是指熔点温度达1000K以上的合金，且部分高熔点合金十分活泼，熔炼较为困难。目前高熔点合金的主要熔炼方式为真空非自耗电弧炉，其温度可控，一次可熔炼多个合金铸锭，熔炼效率高。但真空非自耗电弧炉熔炼合金产生的温度梯度较大，使合金的组织梯度较大，组织不均匀，且在熔炼过程中，电弧吹力较大，合金粉末易吹飞，不利于成分的精准控制，因此，亟需一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备和方法。
发明内容
发明目的
本发明要解决的技术问题是克服真空非自耗电弧熔炼中铸锭组织不均匀，温度梯度不可控的问题，提供一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备和方法，搭建磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，获得组织可控的熔炼铸锭。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，其特征在于，包括电弧及线圈控制器、电弧枪控制杆、电弧磁控组件、熔炼炉、坩埚、电弧枪、抽真空机构和控制柜，所述电弧及线圈控制器设置在熔炼炉上方，且所述电弧及线圈控制器通过电源连接线与控制柜连接；所述电弧枪控制杆的顶端与电弧及线圈控制器相连接，所述电弧枪控制杆的底端伸入熔炼炉内；所述电弧磁控组件，包括磁头、电磁屏蔽罩、感应线圈和永磁体组件，所述磁头通过磁头连接柱固定在熔炼炉的内顶壁上，且所述磁头具有导入通道，所述感应线圈缠绕在所述磁头上，所述电磁屏蔽罩上部固定在磁头上，且电磁屏蔽罩罩设在感应线圈的外侧，电磁屏蔽罩的底端高度与感应线圈的底端高度一致；所述永磁体组件的上部固定在磁头上，且永磁体组件设置在电磁屏蔽罩的外侧，永磁体组件的底端高度与电弧枪的钨级底端高度一致；所述坩埚设置在熔炼炉内；所述电弧枪的一端与电弧枪控制杆的底端相连接，所述电弧枪的另一端穿过导入通道，且电弧枪的钨极位于坩埚的上方；所述抽真空机构与熔炼炉相连通；所述感应线圈和电弧枪均与电弧及线圈控制器电性连接。
作为上述方案的进一步描述，所述坩埚为水冷坩埚，坩埚通过支撑底座设置在熔炼炉内。
作为上述方案的进一步描述，所述永磁体组件包括第一永磁体单元和第二永磁体单元，所述第一永磁体单元有两条，所述第二永磁体单元有两条，每条所述第一永磁体单元和第二永磁体单元交错且呈等距离设置在磁头上，所述第二永磁体单元的长度大于第一永磁体单元的长度，且每条所述第一永磁体单元和第二永磁体单元的底端均与电弧枪的钨极底端平齐。
作为上述方案的进一步描述，还包括驱动电机，所述驱动电机设置在电弧及线圈控制器内；
作为上述方案的进一步描述，所述电极控制杆包括外套杆、伸缩杆和中心杆，所述外套杆的顶端与电弧及线圈控制器连接，外套杆的底端与熔炼炉顶壁固定连接；所述伸缩杆的直径小于外套杆，且伸缩杆的外径与外套杆的内壁之间具有空腔，伸缩杆的底端伸入进熔炼炉内；所述中心杆的一端与驱动电机驱动连接，且中心杆与伸缩杆的内壁螺纹连接，所述电弧枪设置在伸缩杆的底端。还包括保护气加压机构，所述保护气加压机构与熔炼炉相连通。
一种使用上述的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备制备高熔点合金铸锭的熔炼方法，包括以下步骤：
步骤一：将待熔炼的高熔点合金放置在坩埚内部，并将电弧枪的钨级调至能够引弧的位置；
步骤二：开启抽真空机构，然后开启保护气加压机构将熔炼炉内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪进行熔炼，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化；
步骤三：再次采用电弧枪进行熔炼，电弧枪的电弧电流由0增长至500A，熔炼炉内的高熔点合金充分熔化，启动感应线圈，在磁场作用下，电弧枪对高熔点合金进行熔炼；
步骤四：在步骤3感应线圈的磁场下保持设定时间，然后减小电弧枪的电流至0，关闭电源，获得小温度梯度下的合金铸锭。
作为上述方案的进一步描述，所述步骤一的电弧枪的钨级距离待熔炼的金属不超过5mm。
作为上述方案的进一步描述，所述步骤二中电焊枪的熔炼温度大于等于高熔点合金溶液的液相线100℃；所述步骤四中电弧枪的电弧电流为每10s减小50A，并逐渐减小电流至0。
作为上述方案的进一步描述，所述步骤三中，通过电弧及线圈控制器进行感应线圈的电流及频率调控，在高熔点合金形成树枝晶组织时，控制高熔点合金在小于5*104K/m的小温度梯度下进行熔化及冷却，感应线圈频率为60-100Hz，感应线圈电流为50-150A；所述步骤四的设定时间为70-90s。作为上述方案的进一步描述，所述步骤三中，通过电弧及线圈控制器进行感应线圈的电流及频率调控，在高熔点合金形成柱状晶组织时，控制高熔点合金在温度梯度大于1.0*105K/m的大温度梯度下进行熔化及冷却，感应线圈频率为20-60Hz，感应线圈的电流为200-300A；所述步骤四的设定时间为70-90s。
优点及效果
1.本发明采用磁控电弧变温度梯度熔炼的设备和方法，可对高熔点合金熔体进行熔炼，同时，合金温度梯度及电弧作用范围可通过控制尖角磁场的大小进行控制，所获金属材料组织可调控。
2.本发明中金属铸锭在电弧作用下反复熔炼四次，获得均匀组织，进行最后一次熔炼时，通过磁控装置改变温度梯度，调控铸锭的组织。磁控装置可改变熔深，调控组织形态，熔深浅，即电弧作用于熔体沿高度方向距离浅，温度梯度小于5*104K/m，易趋近于形成树枝晶；熔深深，即电弧作用于熔体沿高度方向的距离深，温度梯度大于1.0*105K/m，易趋近于形成柱状晶。
附图说明
图1为本发明实施例的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备的结构示意图；
图2为本发明实施例的熔炼炉结构示意图；
图3为本发明实施例的电极控制杆的结构示意图；
图4为图1中D-D的剖视图；
图5为本发明实施例2在扫描电镜下变温度梯度的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc合金的树枝晶组织图片；
图6为本发明实施例5在扫描电镜下变温度梯度的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc合金的柱状晶组织图片。
附图标记说明：
1-电弧及线圈控制器；2-电极控制杆；21-驱动电机；22-中心杆；23-伸缩杆；24-外套杆；3-磁头炉体连接柱；4-电弧磁控组件；41-包括磁头；42-感应线圈；43-电磁屏蔽罩；44永磁体组件；5-熔炼炉；6-电弧枪；7-坩埚；701-坩埚进水管；702-坩埚出水管；8-电源连接线；9-电源控制柜；10-抽真空机构；11-保护气加压机构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
本发明的高熔点合金是指熔点温度达1000K以上的合金。
一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，包括电弧及线圈控制器1、电弧枪控制杆2、电弧磁控组件4、熔炼炉5、坩埚7、电弧枪6、抽真空机构10和控制柜11，其中电弧及线圈控制器1设置在熔炼炉5上方，且电弧及线圈控制器1通过电源连接线10与控制柜11连接；电弧枪控制杆2的顶端与电弧及线圈控制器1相连接，电弧枪控制杆2的底端伸入熔炼炉5内；电弧磁控组件包括磁头41、电磁屏蔽罩43、感应线圈42和永磁体组件44，磁头4通过磁头连接柱3固定在熔炼炉5的内顶壁上，且磁头41具有导入通道，感应线圈42缠绕在磁头4上，电磁屏蔽罩43上部固定在磁头41上，且电磁屏蔽罩43罩设在感应线圈42的外侧，电磁屏蔽罩43的底端高度与感应线圈42的底端高度一致；永磁体组件的上部固定在磁头41上，且永磁体组件设置在电磁屏蔽罩43的外侧，永磁体组件的底端高度与电弧枪6的钨级底端高度一致；坩埚7设置在熔炼炉5内；电弧枪的一端与电弧枪控制杆2的底端相连接，电弧枪的另一端穿过导入通道，且电弧枪6的钨极位于坩埚7的上方；抽真空机构10与熔炼炉5相连通；感应线圈42和电弧枪6均与电弧及线圈控制器1电性连接。
本发明实施例的永磁体组件由四条第一永磁体单元组成，四条第一永磁体单元等间距设置在磁头且第一永磁体单元的底端与电弧枪6的钨极底端平齐。本发明的一永磁体单元的底端与电弧枪6的钨极底端平齐这种设计可以加强磁场对电弧的控制，从而更精确的控制电弧形状及熔池熔深，产生尖角磁场。
本发明实施例的坩埚7为水冷坩埚，水冷坩埚具有坩埚进水管701和坩埚出水管702，坩埚7通过支撑底座设置在熔炼炉5内。
本发明实施例的永磁体组件包括第一永磁体单元和第二永磁体单元，第一永磁体单元有两条，第二永磁体单元有两条，每条第一永磁体单元和第二永磁体单元交错且呈等距离设置在磁头41上，第二永磁体单元的长度大于第一永磁体单元的长度，且每条第一永磁体单元和第二永磁体单元的底端均与电弧枪6的钨极底端平齐；具体的，第一永磁体单元通过连接件固定在磁头41下部的侧壁上，第二永磁体单元通过螺栓固定在磁头41上部的侧壁上，且第一永磁体单元顶端的高度低于第二永磁体单元顶端的高度。本发明的第二永磁体单元的底端与电弧枪6的钨极底端平齐这种设计可以加强磁场对电弧的控制，从而更精确的控制电弧形状及熔池熔深，产生尖角磁场。
上述的设备还包括驱动电机21，驱动电机21设置在电弧及线圈控制器1内；电极控制杆2包括外套杆24、伸缩杆23和中心杆22，外套杆24的顶端与电弧及线圈控制器1连接，外套杆24的底端与熔炼炉5顶壁固定连接；伸缩杆23的直径小于外套杆24，且伸缩杆23的外径与外套杆24的内壁之间具有空腔，伸缩杆23的底端伸入进熔炼炉内；中心杆22的一端与驱动电机驱动连接，且中心杆22与伸缩杆23的内壁螺纹连接，电弧枪6设置在伸缩杆23的底端。本发明通过外套杆24将电弧及线圈控制器1固定在熔炼炉5上方，并通过驱动电机21与伸缩杆23的配合来控制电弧枪6的钨极与待熔炼金属的距离，这种设计各部件之间可单独拆卸、维修，便于后期维护，提高了设备的实用性。
上述的设备还包括保护气加压机构11，保护气加压机构11与熔炼炉5相连通。一种使用上述的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备制备高熔点合金铸锭的熔炼方法，包括以下步骤：
步骤一：将待熔炼的高熔点合金放置在坩埚7内部，并将电弧枪6的钨级调至能够引弧的位置；
步骤二：开启抽真空机构10，然后开启保护气加压机构11将熔炼炉5内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪6进行熔炼，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化；具体的，采用电弧枪6进行高熔点合金的熔炼，熔炼过程为：电弧电流由0增长至500A，并在500A保持1min，然后缓慢减小电流，电弧枪6的电流每10s降低50A，降低至0，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化，熔炼后将高熔点合金翻转；然后重复上述熔炼过程四次。
步骤三：再次采用电弧枪6进行熔炼，电弧枪6的电弧电流由0增长至500A，熔炼炉5内的高熔点合金充分熔化，启动感应线圈42，在磁场作用下，电弧枪6对高熔点合金进行熔炼；本次的熔炼，为控制凝固过程的组织，打开磁控，改变熔深，可以调控组织形态，熔深浅，即电弧作用于熔体沿高度方向距离浅，温度梯度小于5*104K/m，易趋近于形成树枝晶；熔深深，即电弧作用于熔体沿高度方向的距离深，温度梯度大大于1.0*105K/m，易趋近于形成柱状晶；
上述的步骤四：在步骤3感应线圈42的磁场下保持70-90s，然后减小电弧枪6的电流至0，关闭电源，获得小温度梯度下的合金铸锭。
上述步骤一的电弧枪6的钨级距离待熔炼的金属不超过5mm。
上述步骤二中电焊枪6的熔炼温度大于等于高熔点合金溶液的液相线100℃；步骤四中电弧枪6的电弧电流为每10s减小50A，并逐渐减小电流至0。
在上述的步骤三中，通过电弧及线圈控制器1进行感应线圈42的电流及频率调控，在高熔点合金形成树枝晶组织时，控制高熔点合金在小于5*104K/m的小温度梯度下进行熔化及冷却，感应线圈42频率为60-100Hz，感应线圈42电流为50-150A；
在上述的步骤三中，通过电弧及线圈控制器1进行感应线圈42的电流及频率调控，在高熔点合金形成柱状晶组织时，控制高熔点合金在温度梯度大于1.0*105K/m的大温度梯度下进行熔化及冷却，感应线圈42频率为20-60Hz，感应线圈42的电流为200-300A。
本发明中金属铸锭在电弧作用下反复熔炼四次，获得均匀组织，进行最后一次熔炼时，通过磁控装置改变温度梯度，调控铸锭的组织。磁控装置可改变熔深，调控组织形态，熔深浅，即电弧作用于熔体沿高度方向距离浅，温度梯度小于5*104K/m，易趋近于形成树枝晶；熔深深，即电弧作用于熔体沿高度方向的距离深，温度梯度大于1.0*105K/m，易趋近于形成柱状晶。
实施例1
一种使用上述的设备制备Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭的熔炼方法：
步骤一：将高熔点合金放置在坩埚7内部，并将电弧枪6的钨级调至能够引弧位置；
步骤二：开启抽真空机构10，然后开启保护气加压机构11，将熔炼炉5内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪6，对高熔点合金进行熔炼，熔炼过程为：电弧电流由0增长至600A，并在600A保持1min，缓慢减小电弧枪6的电流，每10s降低50A，降低至0，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化，熔炼后将高熔点合金翻转；然后重复上述的熔炼过程四次，可使高熔点合金的元素分布均匀，步骤三：进行第五次熔炼，将步骤二中的高熔点合金进行电弧熔炼，电弧电流由0增长至500A，金属充分熔化后，形成稳定流动，开启感应线圈42，在高熔点合金需要获得树枝晶组织时，将感应线圈42电流调节为100A，感应线圈42的频率为80Hz，在磁场作用下，控制高熔点合金在小于5*104K/m的小温度梯度下进行熔化及冷却。
步骤四：在感应线圈42的电流及频率下保持70s，减小电弧枪6电流至0，关闭电弧枪6及感应线圈42的电源。
步骤五：对获得的铸锭进行组织测试，组织均匀一致。
实施例2
一种使用上述的设备制备Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭的熔炼方法：
步骤一：将高熔点合金放置在坩埚7内部，并将电弧枪6的钨级调至能够引弧位置；
步骤二：开启抽真空机构10，然后开启保护气加压机构11，将熔炼炉5内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪6，对高熔点合金进行熔炼，熔炼过程为：电弧电流由0增长至600A，并在600A保持1min，缓慢减小电弧枪6的电流，每10s降低50A，降低至0，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化，熔炼后将高熔点合金翻转；然后重复上述的熔炼过程四次，可使高熔点合金的元素分布均匀，
步骤三：进行第五次熔炼，将步骤二中的高熔点合金进行电弧熔炼，电弧电流由0增长至500A，金属充分熔化后，形成稳定流动，开启感应线圈42，在高熔点合金需要获得树枝晶组织时，将感应线圈42电流调节为50A，感应线圈42的频率为60Hz，在磁场作用下，控制高熔点合金在小于5*104K/m的小温度梯度下进行熔化及冷却。
步骤四：在感应线圈42的电流及频率下保持70s，减小电弧枪6电流至0，关闭电弧枪6及感应线圈42的电源。
步骤五：对获得的铸锭进行组织测试，组织均匀一致。
实施例3
一种使用上述的设备制备Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭的熔炼方法：
步骤一：将高熔点合金放置在坩埚7内部，并将电弧枪6的钨级调至能够引弧位置；
步骤二：开启抽真空机构10，然后开启保护气加压机构11，将熔炼炉5内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪6，对高熔点合金进行熔炼，熔炼过程为：电弧电流由0增长至600A，并在600A保持1min，缓慢减小电弧枪6的电流，每10s降低50A，降低至0，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化，熔炼后将高熔点合金翻转；然后重复上述的熔炼过程四次，可使高熔点合金的元素分布均匀，
步骤三：进行第五次熔炼，将步骤二中的高熔点合金进行电弧熔炼，电弧电流由0增长至500A，金属充分熔化后，形成稳定流动，开启感应线圈42，在高熔点合金需要获得树枝晶组织时，将感应线圈42电流调节为150A，感应线圈42的频率为100Hz，在磁场作用下，控制高熔点合金在小于5*104K/m的小温度梯度下进行熔化及冷却。
步骤四：在感应线圈42的电流及频率下保持70s，减小电弧枪6电流至0，关闭电弧枪6及感应线圈42的电源。
步骤五：对获得的铸锭进行组织测试，组织均匀一致。
实施例4
一种使用上述的设备制备Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭的熔炼方法：
步骤一：将高熔点合金放置在坩埚7内部，并将电弧枪6的钨级调至能够引弧位置；
步骤二：在开启抽真空机构10，然后开启保护气加压机构11将熔炼炉5内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪6，对高熔点合金进行熔炼，熔炼过程为：电弧电流由0增长至600A，并在600A保持1min，缓慢减小电弧枪6的电流，每10s降低50A，降低至0，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化，熔炼后将高熔点合金翻转；然后重复上述的熔炼过程四次，可使高熔点合金的元素分布均匀；
步骤三：将步骤二中的高熔点合金进行电弧熔炼，金属充分熔化后，形成稳定流动，开启感应线圈42，将感应线圈42电流调节为240A，感应线圈42的频率为40Hz，在磁场作用下，控制高熔点合金在大于1.0*105K/m的大温度梯度下进行熔化及冷却，高熔点合金需要获得柱状晶组织。
步骤四：在感应线圈42的电流及频率下保持90s，缓慢关闭电弧电源，关闭电弧枪6及感应线圈42的电源，获得小温度梯度下的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭。
步骤五：对获得的铸锭进行组织测试，组织均匀一致。
实施例5
一种使用上述的设备制备Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭的熔炼方法：
步骤一：将高熔点合金放置在坩埚7内部，并将电弧枪6的钨级调至能够引弧位置；
步骤二：在开启抽真空机构10，然后开启保护气加压机构11将熔炼炉5内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪6，对高熔点合金进行熔炼，熔炼过程为：电弧电流由0增长至600A，并在600A保持1min，缓慢减小电弧枪6的电流，每10s降低50A，降低至0，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化，熔炼后将高熔点合金翻转；然后重复上述的熔炼过程四次，可使高熔点合金的元素分布均匀；
步骤三：将步骤二中的高熔点合金进行电弧熔炼，金属充分熔化后，形成稳定流动，开启感应线圈42，将感应线圈42电流调节为200A，感应线圈42的频率为20Hz，在磁场作用下，控制高熔点合金在大于1.0*105K/m的大温度梯度下进行熔化及冷却，高熔点合金需要获得柱状晶组织。
步骤四：在感应线圈42的电流及频率下保持90s，缓慢关闭电弧电源，关闭电弧枪6及感应线圈42的电源，获得小温度梯度下的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭。
步骤五：对获得的铸锭进行组织测试，组织均匀一致。
实施例6
一种使用上述的设备制备Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭的熔炼方法：
步骤一：将高熔点合金放置在坩埚7内部，并将电弧枪6的钨级调至能够引弧位置；
步骤二：在开启抽真空机构10，然后开启保护气加压机构11将熔炼炉5内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪6，对高熔点合金进行熔炼，熔炼过程为：电弧电流由0增长至600A，并在600A保持1min，缓慢减小电弧枪6的电流，每10s降低50A，降低至0，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化，熔炼后将高熔点合金翻转；然后重复上述的熔炼过程四次，可使高熔点合金的元素分布均匀；
步骤三：将步骤二中的高熔点合金进行电弧熔炼，金属充分熔化后，形成稳定流动，开启感应线圈42，将感应线圈42电流调节为300A，感应线圈42的频率为60Hz，在磁场作用下，控制高熔点合金在大于1.0*105K/m的大温度梯度下进行熔化及冷却，高熔点合金需要获得柱状晶组织。
步骤四：在感应线圈42的电流及频率下保持90s，缓慢关闭电弧电源，关闭电弧枪6及感应线圈42的电源，获得小温度梯度下的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc铸锭。
步骤五：对获得的铸锭进行组织测试，组织均匀一致。
图5为本发明实施例2在扫描电镜下变温度梯度的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc合金树枝晶的组织图片，其中，树枝晶的尺寸多为100-300μm。图中最大Nbss相尺寸达到50μm。部分树枝晶中间还形成了Nbss/Nb5Si3共晶组织，共晶组织非常细小，其中Nbss相达到微米级。由此可知，本发明的磁控电弧变温度梯度熔炼设备有利于高熔点合金提升室温断裂韧性。
图6为本发明实施例5在扫描电镜下变温度梯度的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc合金的柱状晶组织图片，在较小的温度梯度下进行凝固，组织为较小的等轴晶。可以看出，利用本发明涉及的磁控电弧变温度梯度熔炼的装置和方法制备的Nb-Si-Ti-ZrC-Sc合金中显微组织呈细小的等轴晶，组织相对细小，Nb5Si3相的尺寸多为5-10μm的岛屿状，弥散的分布在Nbss相基体上。由此可知，本发明的磁控电弧变温度梯度熔炼设备有利于改变且增加裂纹在高熔点合金中的扩展路线，从而具备提升力学性能的效果。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，其特征在于，包括电弧及线圈控制器(1)、电弧枪控制杆(2)、电弧磁控组件(4)、熔炼炉(5)、坩埚(7)、电弧枪(6)、抽真空机构(10)和电源控制柜(9)，
所述电弧及线圈控制器(1)设置在熔炼炉(5)上方，且所述电弧及线圈控制器(1)通过电源连接线与电源控制柜(9)连接；所述电弧枪控制杆(2)的顶端与电弧及线圈控制器(1)相连接，所述电弧枪控制杆(2)的底端伸入熔炼炉(5)内；
所述电弧磁控组件(4)，包括磁头(41)、电磁屏蔽罩(43)、感应线圈(42)和永磁体组件(44)，所述磁头(4)通过磁头连接柱(3)固定在熔炼炉(5)的内顶壁上，且所述磁头(41)具有导入通道，所述感应线圈(42)缠绕在所述磁头(4)上，所述电磁屏蔽罩(43)上部固定在磁头(41)上，且电磁屏蔽罩(43)罩设在感应线圈(42)的外侧，电磁屏蔽罩(43)的底端高度与感应线圈(42)的底端高度一致；所述永磁体组件的上部固定在磁头(41)上，且永磁体组件设置在电磁屏蔽罩(43)的外侧，永磁体组件的底端高度与电弧枪(6)的钨级底端高度一致；所述坩埚(7)设置在熔炼炉(5)内；
所述电弧枪的一端与电弧枪控制杆(2)的底端相连接，所述电弧枪的另一端穿过导入通道，且电弧枪(6)的钨极位于坩埚(7)的上方；所述抽真空机构(10)与熔炼炉(5)相连通；
所述感应线圈(42)和电弧枪(6)均与电弧及线圈控制器(1)电性连接。
2.根据权利要求1所述的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，其特征在于：所述坩埚(7)为水冷坩埚，坩埚(7)通过支撑底座设置在熔炼炉(5)内。
3.根据权利要求1所述的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，其特征在于：所述永磁体组件包括第一永磁体单元和第二永磁体单元，所述第一永磁体单元有两条，所述第二永磁体单元有两条，每条所述第一永磁体单元和第二永磁体单元交错且呈等距离设置在磁头(41)上，所述第二永磁体单元的长度大于第一永磁体单元的长度，且每条所述第一永磁体单元和第二永磁体单元的底端均与电弧枪(6)的钨极底端平齐。
4.根据权利要求2或3所述的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，其特征在于：还包括驱动电机(21)，所述驱动电机(21)设置在电弧及线圈控制器(1)内；所述电极控制杆(2)包括外套杆(24)、伸缩杆(23)和中心杆(22)，所述外套杆(24)的顶端与电弧及线圈控制器(1)连接，外套杆(24)的底端与熔炼炉(5)顶壁固定连接；所述伸缩杆(23)的直径小于外套杆(24)，且伸缩杆(23)的外径与外套杆(24)的内壁之间具有空腔，伸缩杆(23)的底端伸入进熔炼炉内；所述中心杆(22)的一端与驱动电机驱动连接，且中心杆(22)与伸缩杆(23)的内壁螺纹连接，所述电弧枪(6)设置在伸缩杆(23)的底端。
5.根据权利要求4所述的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备，其特征在于：还包括保护气加压机构(11)，所述保护气加压机构(11)与熔炼炉(5)相连通；所述的感应线圈(42)为交流感应线圈。
6.一种使用如权利要求5所述的磁控电弧变温度梯度熔炼的设备制备高熔点合金铸锭的熔炼方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将待熔炼的高熔点合金放置在坩埚(7)内部，并将电弧枪(6)的钨级调至能够引弧的位置；
步骤二：开启抽真空机构(10)，然后开启保护气加压机构(11)将熔炼炉(5)内的真空度控制在0.05MPa，开启电弧枪(6)进行熔炼，将高熔点合金的金属颗粒充分熔化；
步骤三：再次采用电弧枪(6)进行熔炼，电弧枪(6)的电弧电流由0增长至500A，熔炼炉(5)内的高熔点合金充分熔化，启动感应线圈(42)，在磁场作用下，电弧枪(6)对高熔点合金进行熔炼；
步骤四：在步骤3感应线圈(42)的磁场下保持设定时间，然后减小电弧枪(6)的电流至0，关闭电源，获得小温度梯度下的合金铸锭。
7.根据权利要求6所述的使用磁控电弧变温度梯度熔炼的设备制备高熔点合金铸锭的熔炼方法，其特征在于：所述步骤一的电弧枪(6)的钨级距离待熔炼的金属不超过5mm。
8.根据权利要求6所述的使用磁控电弧变温度梯度熔炼的设备制备高熔点合金铸锭的熔炼方法，其特征在于：所述步骤二中电焊枪(6)的熔炼温度大于等于高熔点合金溶液的液相线100℃；所述步骤四中电弧枪(6)的电弧电流为每10s减小50A，并逐渐减小电流至0。
9.根据权利要求8所述的使用磁控电弧变温度梯度熔炼的设备制备高熔点合金铸锭的熔炼方法，其特征在于：所述步骤三中，通过电弧及线圈控制器(1)进行感应线圈(42)的电流及频率调控，在高熔点合金形成树枝晶组织时，控制高熔点合金在小于5*104K/m的小温度梯度下进行熔化及冷却，感应线圈(42)频率为60-100Hz，感应线圈(42)电流为50-150A；所述步骤四的设定时间为70-90s。
10.根据权利要求8所述的使用磁控电弧变温度梯度熔炼的设备制备高熔点合金铸锭的熔炼方法，其特征在于：所述步骤三中，通过电弧及线圈控制器(1)进行感应线圈(42)的电流及频率调控，在高熔点合金形成柱状晶组织时，控制高熔点合金在温度梯度大于1.0*105K/m的大温度梯度下进行熔化及冷却，感应线圈(42)频率为20-60Hz，感应线圈(42)的电流为200-300A；所述步骤四的设定时间为70-90s。
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