以金属锭形式浇铸电子束熔炼的金属材料的方法和设备技术

一种用于将熔融金属材料浇铸成金属锭的方法和设备，其中，将熔融金属材料输送至铸型，以一台成象辐射计测定铸型内金属熔池的上表面温度及温度分布，该成象辐射计设在包封住铸型的真空室外面，通过观测孔观测熔池表面。以至少一个电子束枪将电子流射向金属锭熔池表面，有选择地调整电子束的强度，同时有选择地控制电子流冲击的位置，以保持所要求的预定熔池表面温度和温度分布，从而在凝固的金属锭中产生预定的金相组织。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于在电子束熔炼(EBM)和金属锭浇铸工艺过程中控制合金尤其是镍基高温合金凝固的方法和设备。对于某些应用，特别是对于普遍使用镍基高温合金的航空和航天领域来说，要求金属锭的组织不含有组织缺陷。这里所说的“缺陷”一词包括(但不限于)结疤、冷隔、缩松、晶粒度不均匀，以及导致产生裂纹或不均匀机械性能的化学偏析。电子束熔炼工艺提供了一种通过控制输入到正在凝固的金属锭中的热量来控制金属锭的组织、减少乃至消除上述缺陷的手段。对于这些金属锭的性能，还有一个要求是，它们不应含有大于成品零件晶粒度的氧化夹杂物，因为这些夹杂物对零件的低循环疲劳性能具有有害的影响。在有些电子束熔炼工艺中，在氧化夹杂物进入盛有熔融金属的锭模之前可以使这些夹杂物从熔融金属内浮上来。在用于生产合金的电子束熔炼工艺中通常使用二种基本的方法，即滴熔法和膛式熔化法。一般地说，用这些方法制成的最终产品是由熔融金属在铸型中凝固而成的金属锭。滴熔法采用一根进料电极，利用电子束使其熔化，熔化的金属液滴落在被浇铸的金属锭的上部表面上。相比之下，膛式熔化法使用借助于电子束熔化的进料，其中，熔融的金属被收集在一个水平的槽或炉膛内，利用另外设置的对准炉膛表面的电子束使其在炉膛内保持液体形式。然后将熔融金属输送到设置在锭模上方的浇口处。人们已经知道，在这二种方法中可以进一步使用电子束来加热铸型内金属的上表面，以影响正在凝固的金属锭的凝固和冷却。为了得到合平要求的合金凝固组织和铸锭表面状态，需要对金属锭进行适当的冷却。在此之前，有人已经提出了采用EBM滴熔法生产具有细小而均匀的晶粒的金属锭的方法。作为其中的一个例子，有一种方法采用连续铸造，在该方法中金属锭的上部表面温度被保持在合金的固相线温度以下但仍高于在熔融金属液滴和金属锭表面之间形成冶金结合的温度。在这一工艺方法中，未采取任何措施来测定金属锭表面温度以便用来控制滴落的速率和沉积方式，此外，在该方法中一般认为向金属锭上表面输入热量是不合乎需要的，这或许是固为缺乏直接测定表面温度以便控制滴落速率和沉积方式的手段。由于采用在合金固相线或低于合金固相线的温度的结果，所得产品不是真正的金属锭铸件，而是冶金结合的凝固液滴的堆积物，在其组织结构中形成了孔隙并夹带有杂质例如氧化夹杂物。以前还有人提出了EBM膛式熔化法用于生产具有合乎要求的内部组织及合格表面状态的金属锭，不过这些方法并未获得完全成功。这些现有技术方法通常包括目视观测熔池表面以及利用双色高温计测定某一或某些位置的温度，操作人员利用这些数据来人工控制电子束的功率和冲击式样以便产生所要求的熔池表面温度，从而达到获得所需要的铸锭凝固组织的目的。迄今为止，已经证实这种方法不足以精确地控制电子束功率和冲击式样以产生所要求的金属锭凝固组织。在一种以往的采用EBM膛式熔化工艺的金属锭浇铸方法中，其目标是将铸型中心处熔池表面温度保持稍低于合金的液相线温度，而使熔池边缘的温度保持略高于合金液相线温度。选定前一温度是为了形成固体微晶，它们起到了由以凝固形成金属锭的晶种作用;选定后一温度是为了避免在铸锭边缘形成冷隔或结疤。这一方法的优点是，可以目视监测熔池中心的温度，因为微晶的形成提供了一个可以用肉眼观察到的迹象，表明温度实际上已低于合金的液相线。但是，前已述及，目视观测和人工控制熔池表面温度不能提供生产具有的要求的凝固组织的金属锭所需要的控制精度。这种方法还有一个缺点是，在实施该方法时金属锭熔池表面上产生的温度梯度导致在熔池中产生不能允许的快速液体对流。这种快速熔池对流有可能将位于表面的不希望有的氧化夹杂物带入内部，使其夹杂在凝固的金属锭中。另外，采用这一方法时在表面上形成的温度梯度导致凝固的金属锭中不均匀的显微组织。还有人指出了与这一方法有关的另外一个缺点当所采用的温度低于液相线时，形成的熔池很浅，所产生的凝固组织对于以电子束加热形式施加的能量的微小变化格外敏感，这使得工艺过程更难于控制和实现。因此本专利技术的一个主要目的是，提供一种用于以金属锭的形式浇铸熔融金属材料的装置，其中凝固过程受到精确控制，从而使金属锭中形成予先规定的合乎要求的凝固组织。本专利技术的另一目的是，将成象辐射计与EBM膛式或滴熔装置配合起来使用，其中，设置成象辐射计是为了测定熔池上表面温度以及提供与该表面上温度分布有关的图象。本专利技术的另一目的是，提供一种以金属锭形式浇铸熔融金属材料的方法，这一方法包括，精确地测量和监控熔池上表面温度以及使电子束流射向熔池上表面以便在基本上整个熔池上表面上保持大致均一的温度。本专利技术还有一个目的是，提供一种以金属锭形式浇铸熔融金属材料的方法，其中熔池上表面温度由成象辐射计测量，并且通过该成象辐射计产生与所述表面上温度有关的图象，利用这一图象控制射向熔池上表面的电子流的强度及其轰击区域，以使熔池表面上保持大致均匀的温度。通过提供一种采用电子束熔炼(EBM)膛式或滴落工艺以金属锭形式浇铸熔融金属材料的设备实现了本专利技术的上述及其它目的，其中使用成象辐射计来测定铸型内熔池的上表面温度，提供与该表面上温度分布有关的图象或者提供反映这一温度分布的信号，这种设备配备有一个或多个电子束枪，用以将电子流射向熔池表面，以便产生或保持予定的熔池表面温度分布，这一温度分布通过成象辐射计来测量和检验。在本专利技术的方法中，提供了用以在铸型中将熔融的金属材料浇铸成金属锭的EBM膛式或滴落工艺，这一方法包括以下步骤测定熔池上表面温度分布，有选择地控制射向熔池表面的电子流的位置并调整其强度，以便在熔池表面上保持所要求的、予先选定的温度分布。该方法的重要方面包括，在基本上整个熔池表面上保持大致均匀的温度分布。该温度最好是保持略高于正在浇铸成锭的金属材料的液相线温度。本专利技术的设备和方法的其它特征包括，使用一个设置在靠近铸型内熔池表面的黑体参照辐射源，以便能够在炉子操作过程中定时核查成象辐射计的标定精度并测定观测孔的透射损失。此外，用以使电子束瞄准熔池表面上所要求的面积或区域并调整电子流强度的电子束枪控制系统被连接到成象辐射计的输出端，其中，可以利用所检测的温度分布的视频显示来帮助操作人员将电子流对准熔池表面上特定区域，以保持予定的表面温度分布。作为一种供选择的方案，可以将成象辐射计与电子束枪控制的联接件与用于接收输出信号的装置和用于自动控制电子束瞄准及其强度的装置相连接。本专利技术的这些技术特征及其优点对于本专业的普通技术人员来说是容易理解的，读了下述对本专利技术优选实施方案的详细描述并参看附图将会更容易理解本专利技术，在所有附图中相同的标号代表相同的零部件。附图说明图1是示意说明本专利技术的EBM膛式装置的一个有代表性的实施方案的剖面图。图2是本专利技术的一个优选实施方案中EBM炉的铸型部分、成象辐射计以及有关零部件的示意图。先看图1，图中示意地说明了适用于实施本专利技术的EBM膛式装置的一个有代表性的实施方案。炉膛10由炉床12构成。炉床12中包含有冷却管14，水或其它冷却液循环流过该冷却管。在这一实施方案中炉床包括了一个用来将熔融金属材料输送到锭模的装置，在下文中将对此进一步详细说明。在炉膛的入口处，采用已知方法按箭头A所示使待精炼及浇铸成锭的合金棒料16连续地朝着炉膛移动。作为供选用的替代方案，上述供入炉膛的原本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于以金属锭形式浇铸熔融金属材料的设备，包括：用于限制和盛装引入其中的熔融金属材料的铸型装置，该铸型装置带有用于冷却所述熔融金属材料使之凝固形成金属锭的装置，该铸型装置的底部有一个开口使得可以逐步从中拉出所述的金属锭；设置在予定位置的成象辐射计，其中所述铸型装置的上部处在该成象辐射计的视场内，这一成象辐射计可以测定在铸型装置所述上部的熔融金属材料的熔池上表面的温度和温度分布；至少一个用于使电子流射向熔池上表面的电子束枪装置，这一电子束枪装置还包含有用于调整电子流强度的装置和用于使电子流射向熔池上表面上予先选定区域的装置；用于有选择地控制所述电子流强度的调整以及有选择地控制所述电子流射向熔池上表面的予定区域的控制装置，该控制装置带有根据成象辐射计测得的温度分布与予定温度分布之间的差别而产生信号的装置；将铸型装置和用以把熔融金属材料引入该铸型的装置封闭趣来的真空室，所述真空室上至少设置了一个第一观测孔，该真空室用来保持适合于上述至少一个电子束枪装置有效工作的予定内部压力。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RD里尔奎斯特，CB阿达锡克，GB亨特，RG孟席斯，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]