大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法技术

大尺寸无孔洞缺陷的ＴｉＡｌ基合金锭的熔铸方法，它涉及一种ＴｉＡｌ基合金锭的熔铸方法。本发明专利技术解决了现有的ＴｉＡｌ基合金熔炼方法中，采用直接浇铸材料利用率低；采用ＩＳＭ熔铸技术难以得到大尺寸铸锭；采用ＶＡＲ熔铸技术，铸锭成分不均匀，无法精确控制低熔点元素的挥发损失量问题。它由以下两个步骤完成：ａ．采用ＩＳＭ熔铸技术熔铸ＴｉＡｌ基合金自耗电极；ｂ．采用ＶＡＲ熔炼技术重熔ＴｉＡｌ基合金电极制备ＴｉＡｌ基合金铸锭；ＩＳＭ熔铸技术熔铸ＴｉＡｌ基合金自耗电极的方法由以下步骤完成：ａ′．ＴｉＡｌ基合金原料的熔化；ｂ′．ＴｉＡｌ基合金电极的镶铸。利用该方法可熔铸出成分均匀一致的大尺寸的ＴｉＡｌ基合金铸锭。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种TiAl基合金锭的熔铸方法，具体涉及一种。
技术介绍
TiAl基合金是一种理想的高温轻质结构材料，有望广泛应用于航空航天和汽车等领域的热端部件上。获得该合金构件的一个重要途径是热机械处理，它的基本环节包括铸锭+锻造+机械加工。为了提高加工效率，对大尺寸TiAl基合金锭的需求日益迫切，采用直接浇铸方式铸造的TiAl基合金锭，其材料的利用率只有30％，其余部分存在缩孔和缩松。TiAl基合金凝固特点及物性特点决定了TiAl基合金锭的铸造难度，TiAl基合金熔炼过程的特殊性表现在(1)、合金元素溶解过程的反应热高；(2)、对间隙元素的敏感性高；(3)、相对于钛合金来说合金元素含量高；(4)、合金成分容错度小；(5)、合金中各元素物性差别大；(6)、合金熔体化学活性高。上述的这些特点给获得高质量的合金熔体增加了困难，这些特点决定了熔化炉必须利用水冷铜坩埚容纳活性合金熔体，以避免坩埚对合金熔体的污染。现有的熔炼方法都采用了真空和水冷铜坩埚技术，其中应用最为广泛的是采用真空自耗电极电弧熔炼(Vacuum ArcRemelting——VAR)和水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼(Induction Skull Melting——ISM)。采用ISM熔炼技术，TiAl基合金在熔炼过程中熔体温度及挥发损失量可以精确控制，所浇注的TiAl基合金铸锭可以保证铸锭成分，但利用ISM熔炼技术，采用常规铸锭技术很难得到较大尺寸的铸锭，一方面由TiAl基合金凝固过程的特点决定；另一方面决定于ISM熔炼所用的坩埚容量较小。采用VAR熔炼技术，合金在熔炼过程中，电极的熔化及熔体的凝固同时进行，较容易地实现顺序凝固，但在熔炼过程中，由于电极本身的成分均匀性对铸锭成分均匀性影响显著，如果用原始材料，如海绵钛、铝锭、块(颗粒)状合金元素直接用VAR熔化，得到的铸锭成分不均匀，而且低熔点元素的挥发损失量很大，更严重的是目前无法精确地控制低熔点元素的挥发损失量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有的TiAl基合金熔炼方法中，采用直接浇铸技术材料的利用率低；采用水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼技术难以得到较大尺寸的铸锭；采用真空自耗电极电弧熔炼技术，存在铸锭成分不均匀，无法精确控制低熔点元素的挥发损失量问题而提供的一种。它由以下步骤完成a、采用水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔炼技术熔铸TiAl基合金自耗电极；b、采用真空自耗电极电弧熔炼技术重熔TiAl基合金电极制备TiAl基合金铸锭；所述的水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极由以下步骤完成a′、TiAl基合金原料的熔化将海绵钛3放到水冷铜坩埚2内摆放好，海绵钛3的上端距水冷铜坩埚2的顶端留有1/4～1/3的空间，再将下层铝块6、中间合金5、上层铝块4按从下到上的顺序埋放在海绵钛3内的中部，将容纳水冷铜坩埚2的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氩气至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反复三次，始终将容纳水冷铜坩埚2的真空室的真空度保持在0.01～1Pa之间，之后接通水冷铜坩埚2电源，将水冷铜坩埚2内的合金原料熔化，电源频率控制在5～7kHz之间，电源功率控制在150～350kW之间，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保温5～10min，再将电源功率降低至200～300kW，保温3～5min；b′、TiAl基合金电极的浇注在电极头1下方的外表面上浇注TiAl基合金熔体，每次浇注的长度L为15～35cm，浇注温度为1550～1650℃，保证每炉熔体成分差＜0.2％，浇注后的TiAl基合金电极锭7在真空室中冷却至300℃以下，向真空室中充空气，取出TiAl基合金电极锭7，如此反复，直至所需要的电极长度。本专利技术具有以下有益效果一、本专利技术利用ISM熔炼技术和常规的VAR熔炼技术结合起来的双联技术制备TiAl基合金铸锭，利用ISM熔炼技术获得合金成分均匀的优点和常规的VAR熔炼技术局部熔化、顺序凝固的特点，采用ISM熔炼技术熔铸电极和常规的VAR熔炼技术进行重熔的双联熔铸技术熔铸成的TiAl基合金锭，可以显著提高铸锭的成品率，并且易于控制合金成分精度，利用ISM-VAR的双联熔铸技术可以浇铸出大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金铸锭。二、采用直接浇注方法浇铸成的TiAl基合金锭，其铸锭成品率＜40％；采用本专利技术的双联熔铸技术熔铸成的TiAl基合金锭，其铸锭成品率＞60％。三、在TiAl基合金原料的熔化方法中，金属原料采用分层摆放的方式，可防止热爆的发生，同时还可保证合金成分用量的精确。四、根据VAR熔炼炉的技术要求熔铸一次电极，主要参数为电极直径和电极长度，由于电极质量大于水冷铜坩埚感应熔炼炉的容量，因此需要运用镶铸技术以保证TiAl基合金锭实现大质量电极的制备。该技术运用的关键是(1)、每次浇注电极的长度；(2)、浇注温度；(3)、镶铸表面状态。利用镶铸技术可将TiAl基合金熔体与电极头牢固的连接起来。五、在ISM熔炼过程中根据镶铸的需要，要对TiAl基合金熔体成分和温度进行控制，控制TiAl基合金熔体温度时采用T＝F(G，P)模型，其中T、G、P分别为温度、炉料质量和熔炼功率，保证TiAl基合金熔体的浇注温度在1550～1650℃之间，控制TiAl基合金熔体成分时采用C＝F(Me+Ms+Mi+T+G)模型，其中C、Me、Ms、Mi、T、G分别为某组元的含量、该组元的挥发损失量、该组元在凝壳中的含量、该组元在炉料中的初始含量、TiAl基合金熔体温度和炉料质量，保证每炉TiAl基合金熔体成分差＜0.2％；控制每次浇注长度除考虑水冷铜坩埚的容量外，还需根据合金本身的收缩特性防止应力过大而造成电极断裂，因此每次浇注长度应控制在15～35cm之间。六、本专利技术的熔铸方法具有简单、容易实现的优点，利用该方法熔铸出的TiAl基合金铸锭成分均匀一致，铸锭成品率高，并可熔铸出大尺寸的TiAl基合金铸锭。附图说明图1是在水冷铜坩埚2中摆放金属原料的示意图，图2是熔铸TiAl基合金电极锭7的示意图，图3是电极头1的主视结构示意图，图4是TiAl基合金铸锭的取样位置图，图5是TiAl基合金铸锭内部的金相组织图。具体实施例方式具体实施方式一结合1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式由以下两个步骤完成a、采用水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔炼技术熔铸TiAl基合金自耗电极；b、采用真空自耗电极电弧熔炼技术重熔TiAl基合金电极制备TiAl基合金铸锭；所述的水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极由以下步骤完成a′、TiAl基合金原料的熔化将海绵钛3放到水冷铜坩埚2内摆放好，海绵钛3的上端距水冷铜坩埚2的顶端留有1/4～1/3的空间，再将下层铝块6、中间合金5、上层铝块4按从下到上的顺序埋放在海绵钛3内的中部，将容纳水冷铜坩埚2的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氩气至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反复三次，始终将容纳水冷铜坩埚2的真空室的真空度保持在0.01～1Pa之间，之后接通水冷铜坩埚2电源，将水冷铜坩埚2内的合金原料熔化，电源频率控制在5～7kHz之间，电源功率控制在150～350kW之间，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保温5～10m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸无孔洞缺陷的ＴｉＡｌ基合金锭的熔铸方法，它由以下两个步骤完成：ａ、采用水冷铜坩埚（２）真空感应凝壳熔炼技术熔炼ＴｉＡｌ基合金自耗电极；ｂ、采用真空自耗电极电弧熔炼技术重熔ＴｉＡｌ基合金电极制备ＴｉＡｌ基合金铸锭；其特征在于所述的水冷铜坩埚（２）真空感应凝壳熔炼技术熔铸ＴｉＡｌ基合金自耗电极由以下步骤完成：ａ′、ＴｉＡｌ基合金原料的熔化：将海绵钛（３）放到水冷铜坩埚（２）内摆放好，海绵钛（３）的上端距水冷铜坩埚（２）的顶端留有１／４～１／３的空间，再将下层铝块（６）、中间合金（５）、上层铝块（４）按从下到上的顺序埋放在海绵钛（３）内的中部，将容纳水冷铜坩埚（２）的真空室抽真空至０．０１～１Ｐａ，充氩气至５００～１２００Ｐａ，再抽真空至０．０１～１Ｐａ，如此反复三次，始终将水冷铜坩埚（２）内的真空度保持在０．０１～１Ｐａ之间，之后接通水冷铜坩埚（２）电源，将水冷铜坩埚（２）内的合金原料熔化，电源频率控制在５～７ｋＨｚ之间，电源功率控制在１５０～３５０ｋＷ之间，电源功率以≤０．５ｋＷ／ｓ的速率增加，保温５～１０ｍｉｎ，再将电源功率降低至２００～３００ｋＷ，保温３～５ｍｉｎ；ｂ′、ＴｉＡｌ基合金电极的浇注：在电极头（１）下方的外表面上浇注ＴｉＡｌ基合金熔体，每次浇注的长度（Ｌ）为１５～３５ｃｍ，浇注温度为１５５０～１６５０℃，保证每炉熔体成分差＜０．２％，浇注后的ＴｉＡｌ基合金电极锭（７）在真空室中冷却至３００℃以下，向真空室中充空气，取出ＴｉＡｌ基合金电极锭（７），如此反复，直至所需要的电极长度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏彦庆，郭景杰，丁宏升，吴士平，贾均，傅恒志，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]