钛铝合金悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固方法技术

针对冷坩埚定向凝固技术存在着侧向散热的问题，本发明专利技术提供一种钛铝合金悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固方法，可较好地解决上述问题。将电磁冷坩埚定向凝固装置中的水冷铜坩埚置于封闭的炉体内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，水冷铜坩埚的内壁上设有一圈梯形凸台；工作时，线圈电流为150A，电源输出功率为45～55kW，抽拉速度为0.3～1.5mm/min，保温时间10～20min，抽拉距离60～100mm。本发明专利技术使坩埚内部的磁场分布更趋合理，内部的磁场强度也进一步增强，从而上料棒熔化后会获得更大的电磁悬浮力，这种冷坩埚设计可确保钛铝的悬浮熔化、连续浇注利定向凝固三者有机结合起来，对于获得方向性和形态良好的钛铝合金定向凝固组织起到了积极的促进作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种定向凝固方法。
技术介绍
随着航空、航天和能源等工业的蓬勃发展，传统材料与材料加工技术已经不能满足需求，对新型材料与新型材料加工技术的重视程度日益提高。其中减轻发动机结构零部件的自重和提高发动机燃烧温度是提高效率的有效途径。目前高温部件普遍采用镍基高温合金和钛合金材料，钛合金的使用温度达到600°C，镍基高温合金的工作温度接近1100°C。然而镍基高温合金密度大，而高温下钛合金的抗氧化性差，因此寻找一种轻质、耐高温和可靠性高的新型合金成为突破目前高温部件制造用材料的重要途径之一。近年来有关金属间化合物合金的研究越来越引起国内外的重视，其具有一般金属和合金所没有的高比强度、高比刚度，以及良好的抗高温氧化性、抗蠕变性和抗氢脆、抗燃烧等特性。其中钛铝合金由于具有高比强、高比刚、耐高温以及优异的抗氧化性，可满足7500C -8500C的耐热使用温度，是高性能发动机耐热结构的优秀候选金属间化合物合金之一。特别是采用定向凝固技术制备的钛铝合金，由于消除了与受力主应力方向相垂直的横向晶界，可极大地提高钛铝合金的机械性能以及提高耐热使用温度近100°C，是一种非常具有应用价值的新型合金。然而钛铝合金具有熔点高、化学活性高的特点，对其进行定向凝固时会与CaO、A1203、ZrO2等传统陶瓷材料发生物理化学反应，引入的杂质会严重损害钛铝合金的机械性能，特别是本来就很低的室温塑性，还会降低高温强度、抗氧化性和抗蠕变能力。由于传统的定向凝固方法很难克服钛铝合金在定向凝固组织制备中出现的问题，钛铝合金的制备与加工技术已经成为促进钛铝工程实用化的最大制约因素。冷坩埚定向凝固技术作为一种新型的定向凝固技术，采用感应加热的方法熔化金属，同时使用水冷铜壁制成坩埚本体，在电磁推力的作用下合金熔体与坩埚内壁分离，保证了合金熔体不与坩埚发生反应，而且坩埚可以多次重复使用，具有成本低的特点，特别适用于高熔点高化学活性的钛铝合金定向凝固。但是冷坩埚定向凝固技术始终存在着侧向散热的问题，对热流单向性的控制影响着定向凝固组织生长的稳定性。显然提高热流的单向流动能力，克服由于电磁推力不足产生的熔体贴附坩埚冷壁造成的侧向散热问题，是提高钛铝合金定向凝固技术方法先进性的首要选择。
技术实现思路
针对冷坩埚定向凝固技术存在着侧向散热的问题，本专利技术提供一种，可较好地解决上述问题。所述目的是通过如下方案实现的，将电磁冷坩埚定向凝固装置中的水冷铜坩埚置于封闭的炉体内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，水冷铜坩埚的内壁上设有一圈梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内，梯形凸台具有与水冷铜坩埚相同的开缝结构；梯形凸台上方设置有料棒，梯形凸台下方设置有底料，料棒底端和底料顶端都置于水冷铜坩埚内；工作时，线圈电流为150A，电源输出功率为45 55kW，抽拉速度为O. 3 1. 5mm/min,保温时间10 20min,抽拉距离60 100mm。水冷铜坩埚的高度为100mm，梯形凸台置于水冷铜坩埚内高度上的居中位置，底料顶端距水冷铜坩埚底部的距离为35 40mm。所述梯形凸台具有上倾斜表面，所述上倾斜表面与水平面间的夹角为30 60°。所述梯形凸台具有下倾斜表面，所述下倾斜表面与水平面间的夹角为30 60°。从距坩埚底部15mm开设长缝，开缝长度为65mm。所述开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处呈90°夹角。感应线圈米用外径9. 5 10. 5mm、内径5. 5 6. 5mm的T3铜管制成，铜管外面包裹环氧树脂和聚四氟乙烯带，高温部分再包裹陶瓷纤维带进行隔热处理，采用所述铜管绕制成半径为67 70mm的线圈4 5阻。水冷铜樹祸的外径为64mm, 甘祸的壁厚为13 15mm。所述水冷铜坩埚上下端头设置有屏敝环。本专利技术设置的带有斜度的内部凸台使坩埚的内部结构得到优化，导致坩埚内部的磁场分布更趋合理，内部的磁场强度也进一步增强，从而上料棒熔化后会获得更大的电磁悬浮力，这种冷坩埚设计可确保钛铝的悬浮熔化、连续浇注和定向凝固三者有机结合起来，对于获得方向性和形态良好的钛铝合金定向凝固组织起到了积极的促进作用。图7是采用本专利技术方法所得钛铝合金连续铸锭的宏观组织形貌，它存在四个区域，包括初始凝固区、定向组织稳态生长区、糊状区和液相冷却区。在定向凝固的初始阶段，初始凝固区内的晶粒基本以等轴晶粒为主，随着抽拉的不断进行，凝固组织进入稳态生长阶段，此时等轴晶转变为柱状晶，但由于冷坩埚侧向散热作用的存在，部分柱状晶生长的起始端会与铸锭轴线呈倾斜角度，但是随着生长的进行，晶粒的生长方向重新接近轴线方向。还可以清楚地看出采用悬浮式冷坩埚定向凝固制得的定向凝固组织与过去使用的不设置凸台的冷坩埚相比具有更小的凝壳区域，侧向散热的现象得到了明显的改善，柱状晶生长方向与轴线方向呈现平行生长，靠近凝壳区域的少量在初始生长阶段偏离铸锭轴线方向的柱状晶，会随着生长的进行逐渐朝着竖直的方向生长。附图说明图1是功率、拉速、保温时间、抽拉距离分别为50kW、0. 5mm/min、5min、70mm参数下的固液界面宏观形貌图。图2是功率、拉速、保温时间、抽拉距离分别为50kW、0. 5mm/min、10min、70mm参数下的固液界面宏观形貌图。图3是功率、拉速、保温时间、抽拉距离分别为50kW、0. 5mm/min、15min、70mm参数下的固液界面宏观形貌图。图4是功率、拉速、保温时间、抽拉距离分别为50kW、0. 5mm/min、5min、40mm参数下的固液界面宏观形貌图。图5为50kW功率下，O. 5mm/min抽拉速度下界面前沿的树枝晶形貌图。图6为50kW功率下，O. 7mm/min抽拉速度下界面前沿的树枝晶形貌图。图7是采用本专利技术方法所得铸件宏观组织形貌图。图8是本专利技术所使用的定向凝固装置结构示意图。图9是冷坩埚的结构示意图。图10是图9的A-A剖视图。其中，1-料棒，2-感应线圈，3-水冷铜坩埚的开缝处，31 -梯形凸台，4-定向凝固铸锭，5-连接杆，6-冷却剂材料，7-抽拉杆，8-屏蔽环。具体实施例方式下面结合附图详细阐述本专利技术优选的实施方式。实施例一，将电磁冷坩埚定向凝固装置中的水冷铜坩埚置于封闭的炉体内，参照图8、图9，水冷铜坩埚3的外面设置有电磁感应线圈2，水冷铜坩埚3的内壁上设有一圈梯形凸台31，所述梯形凸台31置于感应线圈2的感应区内，梯形凸台具有与水冷铜坩埚相同的开缝结构；梯形凸台31的上方设置有料棒1，梯形凸台31的下方设置有底料4，开始工作时，料棒I的底端和底料4的顶端都置于水冷铜坩埚3内；工作时，线圈电流为150A，电源输出功率为45 55kW，抽拉速度为O. 3 1. 5mm/min,保温时间10 20min,抽拉距离60 100mm。凝固界面形貌在一定程度上反映着铸锭凝固组织的形成规律，在不同的工艺参数的条件下，凝固界面的形貌也不尽相同，随着保温时间的变化，在5min, IOmin, 15min, 20min不同的保温时间下，固液界面逐渐由凹形向凸形转变，在较短的保温时间下，熔体加热还不够完全，由于侧向散热的作用，靠近冷坩埚壁的熔体热量会大量散失，因此靠近坩埚壁的熔体温度较低，最先凝固，并在凝固界面上显示为侧向生长。当保温时间逐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛铝合金悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固方法，将电磁冷坩埚定向凝固装置中的水冷铜坩埚置于封闭的炉体内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，其特征在于：水冷铜坩埚的内壁上设有一圈梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内，梯形凸台具有与水冷铜坩埚相同的开缝结构；梯形凸台上方设置有料棒，梯形凸台下方设置有底料，料棒底端和底料顶端都置于水冷铜坩埚内；工作时，线圈电流为150A，电源输出功率为45～55kW，抽拉速度为0.3～1.5mm/min，保温时间10～20min，抽拉距离60～100mm。

【技术特征摘要】
1.一种钛铝合金悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固方法，将电磁冷坩埚定向凝固装置中的水冷铜坩埚置于封闭的炉体内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，其特征在于水冷铜坩埚的内壁上设有一圈梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内，梯形凸台具有与水冷铜坩埚相同的开缝结构；梯形凸台上方设置有料棒，梯形凸台下方设置有底料，料棒底端和底料顶端都置于水冷铜坩埚内；工作时，线圈电流为150A，电源输出功率为45 55kW,抽拉速度为O. 3 1. 5mm/min,保温时间10 20min,抽拉距离60 100mm。2.根据权利要求1所述的钛铝合金悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固方法，其特征在于水冷铜坩埚的高度为100mm，梯形凸台置于水冷铜坩埚内高度上的居中位置，底料顶端距水冷铜坩埚底部的距离为35 40mm。3.根据权利要求2所述的钛铝合金悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固方法，其特征在于所述梯形凸台具有上倾斜表面，所述上倾斜表面与水平面间的夹角为30 60°。4.根据权利要求3所述的钛铝合金悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宏升，王永喆，李明亮，张海龙，陈瑞润，郭景杰，傅恒志，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：