[发明专利]一种高活性、高纯度及高熔点合金的真空吸铸设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料铸造冶金领域，具体地来说为一种高活性、高纯度及高熔点合金的真空吸铸设备及方法。

背景技术

高温结构、金属间化合物及钛合金等材料在能源、医疗卫生和航空航天等领域具有广阔应用前景。其中大多数具有高纯度、高活性和高熔点等特性，因此这类合金的铸锭冶金和精密铸造便成为应用研究的难点和热点。差压吸铸是一项成熟且普遍使用的成型技术，但目前主要针对1300℃以下的低熔点合金和非晶合金。就现有成熟的吸铸设备，无论是重力吸铸或反重力吸铸还是金属型吸铸均不适用于高温结构、金属间化合物及钛合金等活性高熔点合金，吸铸过程中存在易污染或成功率低等关键技术难题。例如，反重力真空吸铸炉在吸铸TiAl金属间化合物时，吸嘴和型壳容易与合金发生反应，使铸件最终氧含量超过1000PPM，大大降低合金性能。再例如，采用真空电弧熔炼吸铸炉吸铸TiAl合金和钛合金等活性高熔点合金时，由于合金熔点高，往往需要大的熔炼功率，这就使铜坩埚底部的石墨、氮化硼等喷嘴易与合金反应，严重破坏合金纯度和特性；同时直接的水冷结构使这些高熔点合金过热度不足而吸铸成功率很低，不具备实用性。目前成熟的各种推拉式金属型压力铸造设备，主要针对Al、Mg等低熔点合金，对于上述高熔点合金，无论是熔液过热度、流动性还是设备功率、使用寿命、工作原理均无法适用和实现。因此，开发和发明一种专门针对高活性、高纯度及高熔点合金的差压吸铸方法是十分必要的，并具有广阔的应用价值和市场前景。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题在于提供一种高活性、高纯度及高熔点合金的无污染吸铸设备，解决现有技术中金属型吸铸不适用于高温结构、金属间化合物及钛合金等活性高熔点合金，吸铸过程中存在易污染或成功率低等问题。

本发明采用如下的技术方案：

一种高活性、高纯度及高熔点合金的真空吸铸设备，包括上下设置的上真空室和下真空室，上真空室顶端设有电弧枪，底端设置有多个工位铜坩埚将上真空室与下真空室密封隔开，铜坩埚周围通过水循环水冷；在其中一个工位铜坩埚中紧配合镶嵌有合金锭坩埚，底部留有通孔，将上真空室与下真空室接通。

所述通孔的直径范围为Φ1mm-Φ10mm。

下真空室内对应通孔的下方放置有模具。

所述合金锭坩埚采用传导性能高和热容大的钨或铌合金作为材质。

所述合金锭坩埚的尺寸满足Ф100mm～200mm（直径）。

采用上述的高活性、高纯度及高熔点合金的真空吸铸设备进行合金的真空吸铸方法，将待吸铸母合金锭熔化至自动液封通孔，在上真空室与下真空室内通入不同量的气体以形成上、下真空室之间的气压差，在气压差的配合下通过熔化击穿母合金锭的底部凝壳自动吸铸至下真空室内的模具内。

具体步骤和工艺为：

1）将待吸铸的母合金锭放入合金锭坩埚内，抽真空至上真空室与下真空室内的真空度至少达到10^-2Pa；

2）充入高纯氩气至上真空室与下真空室内的气压为P₁；

3）开启循环水，开启电弧枪进行氩弧熔炼，当母合金锭表层完全熔化，将自动液封通孔，分隔上真空室与下真空室；在5-30千瓦之间，根据母合金锭熔化情况，至母合金锭表层完全熔化来调节功率。

4）保持电弧枪功率不变，向上真空室内充入高纯氩气至气压为P₂，使得P₁大于P₂；

5）增加电弧枪熔炼功率，将母合金锭底部凝壳熔化击穿。具体增加的功率数据，根据不同大小、成分的母合金锭凝壳击穿需要的功率增加速率，

进一步地，步骤3）中开启循环水保持合金锭坩埚的温度低于500℃。

本发明解决的主要技术难题如下：

1、吸铸高纯度和高活性合金的污染问题：采用传导性能好和热容大的Ф100～200mm大型合金锭做为吸铸坩埚，以替代铜坩埚，从而避免使用石墨、氮化硼等喷嘴带来的污染；由于合金锭热容大且传导性能好，高纯度和高活性合金熔化时，合金锭温度仍然较低，不会与其发生反应而是形成凝壳界面。

2、采用间接冷却方式解决高熔点合金的熔化透彻难题：将合金锭坩埚嵌入铜坩埚中并形成紧配合，冷却水利用两坩埚之间热传导对合金锭坩埚进行间接冷却，使合金锭坩埚温度既高于水冷铜坩埚又低于500℃，从而有利于高熔点母合金锭的熔化透彻，减薄吸铸时熔液与合金锭坩埚之间的凝壳厚度，而又不使合金锭坩埚与熔液反应形成污染。