[发明专利]一种钛合金真空自耗电弧熔炼细化晶粒的装置及方法

说明书

本发明属于金属熔体处理领域，具体涉及一种利用超声振动进行钛合金的真空自耗电弧熔炼晶粒细化的装置及方法。本发明选用超声波振动的方式实现，在真空自耗电弧熔炼的坩埚底部加入超声振动发生装置，采用与熔体材质相同的钛合金作为导波材料，保证熔体不受污染，且可以更好的传播超声波能量，在熔炼过程中，根据熔炼时间以及熔池形状等因素设置不同的振动参数，通过超声振动在熔体中的传播，造成熔体流动场、压力场及温度场的变化，从而产生一些特殊效果，达到细化晶粒的目的。本发明通过振动技术实现晶粒细化、减轻偏析、去除夹杂，从而达到改善钛合金铸锭微观组织的目的。

技术领域

本发明属于金属熔体处理领域，具体涉及一种利用超声振动进行钛合金的真空自耗电弧熔炼晶粒细化的装置及方法。

背景技术

钛合金以其比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能在航空航天、汽车工业、生物医药、石油化工等领域有广泛应用，钛合金的熔炼方法主要有真空自耗电弧熔炼法、非自耗电弧熔炼法、冷坩埚熔炼法、电渣熔炼法及电子束冷床炉熔炼法等，真空自耗电弧熔炼法有成本低、可生产大尺寸铸锭等优点，成为生产钛合金铸锭的主要方法，但其生产的钛合金铸锭存在成分偏析、凝固组织不均匀等缺陷，为获得质量良好的铸锭，人们研究各种改善组织、细化晶粒的方法，如改善调节熔炼电流、熔炼电压、搅拌磁场、熔速等控制参数，但是通过改善熔炼控制参数的方法，只能部分改善铸锭的凝固组织，当熔炼铸锭对组织质量要求较高时，如熔炼TiAl合金，其要求凝固组织晶粒更加细小均匀，此时仅通过改善熔炼控制参数来改善组织并不能完全满足铸锭对组织性能的要求，因此一种细化晶粒的振动技术应运而生。

迄今为止，振动技术在金属凝固领域引起越来越广泛的重视，其在晶粒细化、除气、增加铸件组织均匀性和减少缩松等方面的研究都取得了较大进展，但是在真空自耗电弧炉熔炼过程中引入振动技术在国内外未见有相关研究。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用超声振动处理金属熔体的装置，通过在钛合金的真空自耗电弧熔炼中细化晶粒解决出现的偏析等组织缺陷的问题。

本发明的技术解决方案是，

在真空自耗炉的坩埚底部装入超声振动发生装置或机械振动装置，超声振动发生装置包括超声波换能器、预制导波块和超声波发生器，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，预制导波块放置在坩埚底垫上，形状为带杆状的圆饼状，圆饼直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm，杆状穿过坩埚底垫中心孔，与超声波换能器连接，预制导波块与坩埚底垫中心孔之间塞入密封圈，超声波换能器安装在坩埚底部的支撑筒体内并固定密封，超声波发生器安装于真空自耗炉外部位置，通过导线连接超声波换能器；机械振动装置包括机械振动电机、预制导波块和机械振动控制器，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，预制导波块放置在坩埚底垫上，形状为带杆状的圆饼状，圆饼直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm，杆状穿过坩埚底垫中心孔，与机械振动电机连接，预制导波块与坩埚底垫中心孔之间塞入密封圈，机械振动电机安装在坩埚底部的支撑筒体内并固定密封，机械振动控制器安装于真空自耗炉外部位置，通过导线连接机械振动电机；进行钛合金真空自耗电弧熔炼时，操作步骤如下：

(1)按照所述结构将装置安装后，将坩埚吊装入坩埚水套，在坩埚水套通入循环冷却水，开始真空自耗电弧焊接和熔炼；

(2)熔炼起弧后，当采用超声振动发生装置时，待坩埚底部形成金属熔池，开启超声波发生器，超声波频率为20kHz，超声波发生功率为600W，随着熔炼的进行增大超声波功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加10W的速率进行，直到熔炼停弧；

当采用机械振动装置时，待坩埚底部形成金属熔池，开启机械振动控制器，振动功率为500W，随着熔炼的进行增大振动功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加5W的速率进行，直到熔炼停弧；

(3)停弧后冷却后出炉，将预制导波块与换能器连接处拆除，此时预制导波块与熔体熔为一个铸锭，将预制导波块部分切除。