CN117900435A - 铸造钛及钛合金细晶装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种铸造钛及钛合金细晶装置和方法。铸造钛及钛合金细晶装置包括真空室、铸型、铸型加热机构及旋转磁场发生机构。真空室内部具有用于熔化钛或钛合金的悬浮熔炼坩埚；铸型设置于真空室内并位于悬浮熔炼坩埚下方，能够接纳悬浮熔炼坩埚所熔化的熔体；旋转磁场发生机构包括旋转磁场发生电源及多个线圈，多个线圈设于真空室内并围绕铸型均匀分布，旋转磁场发生电源使线圈产生环绕该铸型旋转的旋转磁场；铸型加热机构位于线圈和铸型之间，可对铸型进行加热。该旋转磁场对铸型内部的熔体进行搅拌。本装置利用电磁搅拌旋转法，可以使钛及钛合金熔体快速充型。使得形核数量增加，抑制枝状晶的生长，达到细化晶粒、细化铸件凝固组织的目的。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，特别是涉及一种铸造钛及钛合金细晶装置及方法。
背景技术
铸造钛合金因具有比强度高、抗腐蚀、耐高/低温等优点，是航空、航天、石油、武器装备等领域的重要结构材料，随着国防科技的进步，对铸造钛合金的性能和稳定性要求也越来越高。粗大的晶粒是阻碍铸造钛合金发展的重要因素，其会降低材料强度、塑性及韧性，若在腐蚀环境下使用还容易造成晶间腐蚀，降低材料的使用寿命。
目前铸造钛合金的细晶方法包括合金化法、钛粉细化、热加工、特殊热处理法等。但这些方法有着自身的不足，如合金化法和钛粉细化会改变钛合金的成分，改变结构件的力学性能；热加工法在加工过程中会造成材料的开裂，而且对于复杂结构件不适用；特殊热处理法如循环热处理的合金细化效果有限，且周期长、效率低，造成成本增加。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的一个目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够实现晶粒细化的铸造钛及钛合金细晶装置。
本发明的另一目的在于提供能够实现晶粒细化的铸造钛及钛合金细晶方法。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，一种铸造钛及钛合金细晶装置，包括：
真空室，其内部具有用于熔化钛或钛合金的悬浮熔炼坩埚；
铸型，设置于所述真空室内并位于所述悬浮熔炼坩埚下方，能够接纳所述悬浮熔炼坩埚所熔化的熔体；
旋转磁场发生机构，包括旋转磁场发生电源及多个线圈，多个所述线圈设于所述真空室内并围绕所述铸型均匀分布，所述旋转磁场发生电源向所述线圈供电并使所述线圈产生环绕该铸型旋转的旋转磁场。该旋转磁场对铸型内部的熔体进行搅拌。
铸型加热装置，设置于铸型和线圈之间，用于在整个浇注过程中，持续对铸型进行加热，降低熔体冷却速度，加强熔体充型能力。
根据本发明的一实施方式，所述线圈的数量为3n，其中n＝1、2、4、8。线圈使用直径为0.5～4mm铜导线缠绕制成，线圈匝数为100～3000匝，旋转磁场为随时间进行周期性变化的交变电磁场，磁场中心的磁感应强度Bθ为：
本式中θ为单个线圈产生磁场B0与总磁场Bθ的夹角，与线圈的个数有关；ω为旋转磁场匀速旋转时的矢量，与外加电流和磁场强度有关。
旋转电磁场作用下金属液所受的电磁力遵循Maxwell方程，电磁力的周向分力F可表示为：
本式中α为涡流常数，与外加电流和磁场强度有关；r为熔池的半径，与铸件有关；t为磁场变化周期，自行设定。铸型根据铸件形状制作，熔池半径r根据铸件的形状，其设定值为0.5～220mm。
根据本发明的一实施方式，所述旋转磁场的频率为1～50Hz，磁场中心处空载磁感应强度为0.01～10T，作用时间为1～300s，正反转时间为0～10s。
根据本发明的一实施方式，所述铸型加热装置的加热温度为300～1000℃。
根据本发明的另一个方面，一种铸造钛及钛合金细晶方法，包括如下步骤：
使用铸型加热装置加热铸型；
将钛或钛合金在真空室内的悬浮熔炼坩埚中熔化为熔体；
将所述熔体倒入位于悬浮熔炼坩埚下方的铸型中；
使用旋转磁场发生装置产生环绕该铸型旋转的旋转磁场；
铸型内的熔体完全凝固后，关闭铸型加热装置和旋转磁场发生装置，待铸件冷却至300℃以下，取出铸件。
根据本发明的一实施方式，所述旋转磁场的频率为1～50Hz，磁场中心处空载磁感应强度为0.01～10T，作用时间为1～300s，正反转时间为0～10s。
根据本发明的一实施方式，所述铸型加热装置的加热温度为300～1000℃。
根据本发明的一实施方式，所述熔体过热度范围为50-300℃，真空室内的真空度范围为10-1～10-3Pa。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
本发明铸造钛及钛合金细晶装置以及方法，利用电磁搅拌旋转法，可以使钛及钛合金熔体快速充型。在此基础上利用旋转磁场在铸件固液界面产生正反方向的电磁搅拌作用，使凝固界面前沿液态金属的运动速度达到最大值，在加速熔体充型的同时，降低熔体及凝固前沿的温度梯度，使得形核数量增加，抑制枝状晶的生长；同时利用凝固前沿强烈的熔体流动，打碎枝晶，形成新的游离晶核，达到细化晶粒、细化铸件凝固组织的目的，从而实现精密复杂铸件整体成形和晶粒细化的协同作用。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本发明一实施方式的铸造钛及钛合金细晶装置的示意图；
图2是图1中的线圈布置示意图；
图3是本发明工艺(a)和普通铸造工艺(b)制备出的Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y钛合金精密复杂铸件凝固组织对比图。
图4是本发明工艺(a)和普通铸造工艺(b)制备出的Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr钛合金精密复杂铸件凝固组织对比图。
图中：1、旋转磁场发生电源；2、线圈；3、铸型加热电源；4、铸型承载平台；5、真空室；6、铸型；7、悬浮熔炼坩埚；8、铸型加热装置；9、机械翻转电源；10、机械翻转系统；11、熔体。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
如图1及图2所示，本发明实施方式公开了一种铸造钛及钛合金细晶装置，该装置可以在钛及钛合金铸造过程中实现晶粒细化。本申请中的提到的钛指的是工业纯钛，其牌号有TA1、TA2、TA3。本发明用到的示例性自主开发钛合金材料为Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y、Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y、Ti2AlNb0.02Ta钛合金，详细成分如下表所示
本发明实施方式的铸造钛及钛合金细晶装置，包括真空室5、铸型6、铸型承载平台4、铸型加热装置8和旋转磁场发生机构。
真空室5的内部的真空度范围为10-1～10-3Pa。该真空室5的内部具有用于熔化钛或钛合金的悬浮熔炼坩埚7。该悬浮熔炼坩埚7通过机械翻转系统10设置在真空室5的内壁上。该机械翻转系统10由在机械翻转电源9供电，能够带动悬浮熔炼坩埚7翻转。该真空室5、悬浮熔炼坩埚7、机械翻转系统10以及机械翻转电源9均为现有技术。
铸型6设置在真空室5内，并且位于悬浮熔炼坩埚7的下方，能够接纳该悬浮熔炼坩埚7所熔化的熔体。该铸型6本身也是现有技术，该铸型6可为铸铁、石墨型、陶瓷型或砂型等材料。当悬浮熔炼坩埚7内放入的原料为工业纯钛时，该熔体即为液态的工业纯钛。当悬浮熔炼坩埚7内放入的原料为钛合金时，该熔体即为液态的钛合金。该悬浮熔炼坩埚7内的原料被熔化后，该机械翻转系统10将悬浮熔炼坩埚7向下翻转一定角度，该悬浮熔炼坩埚7内的熔体向外流动，落入到铸型6的内部。
该铸型承载平台4设置在铸型6的下方，它能够承载铸型6。
旋转磁场发生机构包括旋转磁场发生电源1以及多个线圈2，这些线圈2设有真空室5内部，并且围绕铸型6均匀分布。旋转磁场发生电源1用于向这些线圈2供电，并使线圈2产生环绕该铸型6旋转的旋转磁场。由图2可知，这些线圈2是绕着真空室5的中心呈均匀环形分布。该旋转磁场发生电源1向这些线圈2供电时，通过改变调整每个线圈2上的电流大小、电流方向、电流相位等参数，就可以使得这些线圈2产生不同的磁场，并最终形成绕着铸型6旋转的旋转磁场。该旋转磁场发生电源1的实际控制方式为现有技术。旋转磁场频率为1～50Hz，磁场中心处空载磁感应强度为0.01～10T，作用时间为1～300s，正反转时间为0～10s。
线圈2的数量为3n，(n＝1、2、4、8)。线圈使用直径为0.5～4mm铜导线缠绕制成，线圈匝数为100～3000匝。旋转磁场为随时间进行周期性变化得交变电磁场。
铸型加热装置8位于铸型6和线圈2之间，用于在整个浇注过程中，持续对铸型进行加热，降低熔体冷却速度，加强熔体充型能力。也就是说可以使得熔体充满铸型的型腔，不会使熔体在铸型内由于流动性不佳而产生孔隙等铸造缺陷。
本发明还公开了铸造钛及钛合金细晶方法，包括如下步骤：
使用铸型加热装置将铸型加热，加热温度可设置为300～1000℃。
将钛或钛合金在真空室内的悬浮熔炼坩埚中熔化为熔体；在此过程中，熔体过热度范围可设置为50-300℃，真空室内的真空度范围为10-1～10-3Pa。将所述熔体倒入位于悬浮熔炼坩埚下方的铸型中。
使用旋转磁场发生装置产生环绕该铸型旋转的旋转磁场,该旋转磁场的频率可为1～50Hz，磁场中心处空载磁感应强度为0.01～10T，作用时间为1～300s，正反转时间为0～10s。
铸型内的熔体完全凝固后，关闭铸型加热装置和旋转磁场发生装置，待铸件冷却至300℃以下，取出铸件。
本发明的铸造钛及钛合金细晶装置以及方法，利用电磁搅拌旋转法，可以使钛及钛合金熔体快速充型。在此基础上利用旋转磁场在铸件固液界面产生正反方向的电磁搅拌作用，使凝固界面前沿液态金属的运动速度达到最大值，在加速熔体充型的同时，降低熔体及凝固前沿的温度梯度，使得形核数量增加，抑制枝状晶的生长；同时利用凝固前沿强烈的熔体流动，打碎枝晶，形成新的游离晶核，达到细化晶粒、细化铸件凝固组织的目的，从而实现精密复杂铸件整体成形和晶粒细化的协同作用。
下面的实施方式一和实施方式二以自主开发钛合金材料Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y和Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y的钛合金为例介绍铸造钛及钛合金细晶装置以及方法详细工作过程。过程中应用到的设备即为本发明的铸造钛及钛合金细晶装置。
实施方式一
使用铸型加热装置8将铸型6加热至900℃。
将Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y钛合金置于悬浮熔炼坩埚7中，抽真空并加热使其熔化至1780℃，在真空度10-1～10-3Pa下精炼600s，再将熔体的温度降至1750℃。
将熔体倒入铸型中进行浇铸。由于钛合金的熔点约为1670℃，故此时的熔体过热度为：1750-1670＝80℃。在浇铸时，使用机械翻转系统10将悬浮熔炼坩埚7中的Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y钛合金熔体11一次性浇铸到铸型6中。
开启旋转磁场发生电源1。旋转磁场发生电源1使线圈个数为6的线圈2产生旋转磁场，使熔体在旋转磁场作用下凝固。线圈2的尺寸为350×100×1000mm，由6个线圈组成，线圈周向分布，每个间隔60°，使用φ3mm铜导线对线圈进行缠绕，缠绕1500匝。控制旋转磁场发生电源1以控制交变电流为300A，旋转频率为4Hz，作用时间200s，正反向转换时间3s。
当铸型6内的熔体完全凝固后，关闭旋转磁场发生电源1，等待铸型温度降至300℃以下，打开炉门，取出铸件，该铸件为钛合金细晶铸件，铸型温度超过300℃，则会由于温度过高会造成铸件的变形和表面氧化变色。
请参见图3，该图3中a部分为本发明铸造钛及钛合金细晶方法生产的Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y钛合金铸件凝固组织金相图，b部分为普通铸造工艺制备的Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y钛合金铸件凝固组织金相图。试样取自铸件同一部位。其细晶效果主要体现在使用本发明中的铸造钛及钛合金细晶装置要比使用传统铸造装置(即不加细晶装置铸造)铸造出的铸件晶粒要更细小。图中用黑色线条框起来的区域显示的是钛合金晶粒，如图3a部分所示，使用本发明铸造的Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y钛合金，其晶粒尺寸在350～600μm之间，平均尺寸约为450μm；如图3b部分所示，使用传统工艺铸造的Ti5.8Al3.8V4.4Cu0.02Y钛合金，其晶粒尺寸在900～2000μm之间，平均尺寸约为1400μm。
实施方式二
使用铸型加热装置8将铸型6加热至1000℃。
将Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y钛合金置于悬浮熔炼坩埚7中，抽真空并加热使其熔化至1780℃，在真空度10-1～10-3Pa下精炼480s，再将熔体的温度降至1750℃。
将熔体倒入铸型中进行浇铸。由于钛合金的熔点约为1670℃，故此时的熔体过热度为：1750-1670＝80℃。在浇铸时，使用机械翻转系统10将悬浮熔炼坩埚7中的Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y钛合金熔体11一次性浇铸到铸型6中。
开启旋转磁场发生电源1。旋转磁场发生电源1使线圈个数为3的线圈2产生旋转磁场，使熔体在旋转磁场作用下凝固。线圈2的尺寸为150×80×400mm，由3个线圈组成，线圈周向分布，每个间隔120°，使用φ2mm铜导线对线圈进行缠绕，缠绕1000匝。控制旋转磁场发生电源1以控制交变电流为250A，旋转频率为8Hz，作用时间150s，正反向转换时间3s。
当铸型6内的熔体完全凝固后，关闭旋转磁场发生电源1，等待铸型温度降至300℃以下，打开炉门，取出铸件，该铸件为钛合金细晶铸件，铸型温度超过300℃，则会由于温度过高会造成铸件的变形和表面氧化变色。
请参见图4，该图4中a部分为本发明铸造钛及钛合金细晶方法生产的Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y钛合金铸件凝固组织金相图，b部分为普通铸造工艺制备的Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y钛合金铸件凝固组织金相图。试样取自铸件同一部位。其细晶效果主要体现在使用本发明中的铸造钛及钛合金细晶装置要比使用传统铸造装置(即不加细晶装置铸造)铸造出的铸件晶粒要更细小。图中用黑色线条框起来的区域显示的是钛合金晶粒，如图4a部分所示，使用本发明铸造的Ti5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y钛合金，其晶粒尺寸在400～700μm之间，平均尺寸约为550μm；如图4b部分所示，使用传统工艺铸造的TTi5Al2Nb2Zr1.5Mo0.5Cr0.02Y钛合金，其晶粒尺寸在900～2000μm之间，平均尺寸约为1600μm。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。
Claims (7)
1.一种铸造钛及钛合金细晶装置，其特征在于，包括：
真空室，其内部具有用于熔化钛或钛合金的悬浮熔炼坩埚；
铸型，设置于所述真空室内并位于所述悬浮熔炼坩埚下方，能够接纳所述悬浮熔炼坩埚所熔化的熔体；
铸型承载平台，设置于铸型的下方，承载所述铸型；
旋转磁场发生机构，包括旋转磁场发生电源及多个线圈，多个所述线圈设于所述真空室内并围绕所述铸型均匀分布，所述旋转磁场发生电源向所述线圈供电并使所述线圈产生环绕该铸型旋转的旋转磁场；
铸型加热装置，设置于铸型和线圈之间，用于在整个浇注过程中，持续对铸型进行加热，降低熔体冷却速度，加强熔体充型能力。
2.根据权利要求1所述的铸造钛及钛合金细晶装置，其特征在于，所述线圈的数量为3n，其中n＝1、2、4、8。
3.根据权利要求1所述的铸造钛及钛合金细晶装置，其特征在于，所述旋转磁场的频率为1～50Hz，磁场中心处空载磁感应强度为0.01～10T，作用时间为1～300s，正反转时间为0～10s。
4.一种铸造钛及钛合金细晶方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用铸型加热装置加热铸型；
将钛或钛合金在真空室内的悬浮熔炼坩埚中熔化为熔体；
将所述熔体倒入位于悬浮熔炼坩埚下方的铸型中；
使用旋转磁场发生装置产生环绕该铸型旋转的旋转磁场；
铸型内的熔体完全凝固后，关闭铸型加热装置和旋转磁场发生装置，待铸件冷却至300℃以下，取出铸件。
5.根据权利要求4所述的铸造钛及钛合金细晶方法，其特征在于，所述旋转磁场的频率为1～50Hz，磁场中心处空载磁感应强度为0.01～10T，作用时间为1～300s，正反转时间为0～10s。
6.根据权利要求4所述的铸造钛及钛合金细晶方法，其特征在于，所述铸型加热装置的加热温度为300～1000℃。
7.根据权利要求4所述的铸造钛及钛合金细晶方法，其特征在于，所述熔体过热度范围为50-300℃，真空室内的真空度范围为10-1～10-3Pa。
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| CN202410126564.3A CN117900435A (zh) | 2024-01-30 | 2024-01-30 | 铸造钛及钛合金细晶装置和方法 |
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ID=90681894
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
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2024
- 2024-01-30 CN CN202410126564.3A patent/CN117900435A/zh active Pending
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