[发明专利]连续冷坩埚定向凝固铸造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向凝固铸造方法。

背景技术

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℃。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750℃-850℃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℃，是一种非常具有应用价值的新型合金。

对钛铝合金进行定向凝固时，采用电磁冷坩埚定向凝固技术具有十分显著的优越性，但是，冷坩埚定向凝固技术始终存在着难以成形结构复杂铸件的问题，这极大地影响着这种定向凝固技术的实际应用。但将冷坩埚的连续熔化和金属液的连续充填功能与陶瓷模壳精密铸造相结合，在定向凝固时将石墨发热体设置于模壳外面，再于石墨发热体外面设置感应线圈，最终对模壳内的合金熔体起到加热保温作用。然而对于感应线圈所施加的电流、石墨发热体的半径以及石墨感应加热的稳态温度三者之间的关系尚不明确，因此，若能明确其中关系将对于此类合金铸件的定向凝固产生良好的推动效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于钛铝合金的连续冷坩埚定向凝固铸造方法，可较好地解决成形复杂铸件的问题，同时明确感应线圈所施加的电流、石墨发热体的半径以及石墨感应加热的稳态温度三者的关系，对于定向凝固铸造方法的研究具有积极的效果。

所述目的是通过如下方案实现的：

一种连续冷坩埚定向凝固铸造方法，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，棒料的下端部伸在水冷铜坩埚中，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，结晶器内设置有下抽拉杆，其特征在于：所述下抽拉杆上端固定有模壳，所述模壳外面设置有高55～65mm，外径55～65mm，内径40～50mm的圆环状石墨发热体，所述石墨发热体外面包裹有隔热保温层，所述隔热保温层外面设置有感应线圈，所述石墨感应加热稳态温度通过以下公式进行确定：其中I为输入电流，r为线圈半径，ε为0.9，a为经验参数2816681。

所述模壳为无底的环状，环状模壳的边缘固定在下抽拉杆上，所述下抽拉杆上表面预先设置有底料。

所述棒料为钛铝合金棒料，线圈输入电流150A，电源输出功率为45～55kW，上送料速度为1mm/min，下抽拉杆的抽拉速度为1.6～1.9mm/min，保温时间12～18min，抽拉距离60～80mm。

所述棒料为钛铝合金棒料，铸造时，关闭真空室炉门，启动真空系统，将真空室内气压抽至0.5Pa，然后充入高纯氩气至300Pa，反复数次；在感应线圈上通入频率为50KHz电流，缓慢增大电流，启动抽拉送料系统电机，将上送料速度定为1mm/min，抽拉速度定为1.78mm/min，下拉40mm距离后停止抽拉，关闭电源，待完全冷却后，打开炉门敲碎模壳取出铸件。

感应线圈采用外径9.5～10.5mm、内径5.5～6.5mm的铜管制成，铜管外面包裹环氧树脂和聚四氟乙烯带，采用所述铜管绕制成直径为134～140mm的线圈4匝。

本发明可较好地解决成形复杂铸件的问题，同时提供了输出电流、石墨发热体与石墨热力学温度之间的关系，为在实际使用中便捷控制工艺参数提供了依据。

附图说明

图1是不同输出电流下的石墨升温曲线图。

图2是不同输出电流下的钛铝升温曲线图。

图3是石墨稳态温度与输出电流的关系示意图。

图4是实施例二所述加热熔化后的上料棒形态图照片。

图5是本发明采用的电磁冷坩埚定向凝固装置的结构示意图。