[发明专利]用于获得由钛合金或钛铝金属间化合物制成的产品的方法

说明书

本发明涉及一种用于通过等离子体炬熔融获得由钛合金或钛铝金属间化合物制成的产品的方法，所述合金具有定向结构，所述方法包括：借助于等离子体炬(3)在铸造环(2)中加热熔融合金(1)；冷却所述铸造环的长度L1的冷区(21)，所述冷却形成合金的半固态冠(12)；加热所述铸造环的长度L2的热区(22)，从而形成凝固前沿(13)，所述凝固前沿相对于垂直于拉伸方向的平面的平坦度小于10°；以及在所述拉伸方向上以大于10supgt;‑4/supgt;m/s的速度拉伸凝固合金(14)。本发明还涉及一种用于实施所述方法的装置。

技术领域

本发明涉及用于制造合金，特别是如基于钛的合金或TiAl金属间化合物的航空合金的方法，以及用于实施这些方法的设备的领域。

背景技术

存在用于制造合金，特别是关于如基于镍的合金、基于钛的合金或TiAl金属间合金的航空合金的若干工艺。后者主要由纯净原材料制成，所述纯净原材料以圆柱形电极的形式压实，且接着在真空电弧重熔工艺(更通常称为VAR)中熔融，或通过回收边角料制成，真空感应熔融方法(更通常称为VIM)最常用于回收边角料(在冷坩埚中或在热坩埚中)。

然而，关于含有约50％铝原子的金属间合金，这些方法具有在真空下进行的缺点。考虑到熔融钛浴中铝的蒸气压，大量铝元素可能在熔融期间蒸发，这使对整体合金元素成分的控制变得困难。

对于这些合金，而且通常对于基于钛的合金，存在并仍在开发替代方法，即在冷坩埚中的等离子体炬熔融(或PAM-CHR，代表等离子体电弧熔融/冷炉床精炼)。在图1中示出此方法。此方法在大气压下使用氦气和/或氩气来馈送等离子体炬。中性气体压力能够将包含铝的反应性元素的蒸发限制在3到5个数量级，从而使得有可能熔融此类合金。更特别地，在此方法中，原材料MP(其可呈边角料、压块、棒或海绵/母合金混合物的形式)被推送到冷坩埚CR中，且通过一个或多个等离子体炬TC扫描坩埚的表面而熔融。随着熔融进行，液态金属AF朝向精炼区域移动，在所述精炼区域中，温度稳定且一些杂质被去除。接着，液态金属AF不连续地流入冷却铸造环AM中，所述冷却铸造环由铜制成，且从所述冷却铸造环逐步提取铸锭L。

从经济角度来看，PAM-CHR方法为钛重熔工艺中的最便宜的一种(成本减少20％到60％)：其还能够容易地回收边角料，而不必事先压实所述边角料；且使用等离子体炬将能量集中在需要的地方能够使所述工艺更加节能。在一些情况下，所产生铸锭的材料健康使得有可能在无任何额外的热机械转换处理的情况下使用此材料，以及直接从其块体上切割零件。

然而，对于一些合金，如基于钛的合金和TiAl金属间合金的情况，微观结构，特别是其定向，可直接影响所产生合金的机械特性。因此，这些合金的凝固期间的微观结构控制为需要改进的主要区域。在PAM-CHR的情况下，凝固基本上发生在铸造环处，所述铸造环如今由冷却铜制成。

PAM-CHR方法接近于现有技术中众所周知的连续铸造技术。然而，存在使得有可能在这些连续铸造工艺的凝固期间定向微观结构的解决方案。大多数解决方案是基于两个区域的使用，所述两个区域按顺序是金属维持液态的热区域和金属冷却的冷区域。

然而，这些解决方案无法直接应用于PAM-CHR方法。实际上，后者具有关于铸造环的独特特征，包括使用等离子体炬在铸造环上方加热液态金属表面，所述等离子体炬通常相对于铸造环居中。此配置会在液浴的表面处产生热通量，对于铸造具有圆形基底的圆柱形铸锭，所述热通量可根据等式Math.1进行建模，在所述等式中，η为炬的效率，Q为其功率(W)，σ为炬的作用半径(m)，以及r为距铸锭的中心的距离(m)：

[Math.1]

与铸锭的拉伸速度相关联的此类热通量分布与定向凝固不兼容，因为其造成铸造环处的非平面凝固前沿；在环的中心处比在环的边缘处更深。图2为使用此类工艺铸造的铸锭的截面。图3示意性地展示使用此类型的方法获得的凝固前沿的实例。