一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法。该装置包括炉体、控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设于炉体内；感应熔炼单元用于对合金原料熔炼和精炼；电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体提纯处理；层凝单元用于对提纯后熔体冷却并使其形成层凝结构；温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；真空单元用于为炉体提供真空环境。本发明专利技术装置有助于解决难变形高温合金偏析严重、组织粗大和热塑性差的技术瓶颈。

【技术实现步骤摘要】
一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法
本专利技术属于难变形高温合金制备
，更具体地，涉及一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法。
技术介绍
作为发动机的核心热端部件，高温合金涡轮盘必须具有不断提高的承温承载能力，高温合金涡轮盘的制备技术成为现代航空发动机设计与制造的重大关键技术之一。目前，高性能航空发动机中涡轮盘的承温能力在700～800℃之间，所用难变形高温合金中Al+Ti+Nb含量高达10wt％，强化相含量在45～55％之间，接近铸造高温合金的水平。涡轮盘的制备工艺主要包括合金设计、三联冶炼(真空感应(VIM)+电渣重熔(ESR)+真空自耗自耗(VAR))、均匀化退火、反复镦拔开坯、模锻成型和热处理，最终制备成涡轮盘。现有的三联冶炼工艺存在生产周期长、成本高和材料的收得率较低等不足，尤其是无法解决合金元素偏析严重和热塑性差的技术瓶颈，导致合金的热加工性能极差。这些问题极大地限制了难变形高温合金水平的发展，并严重影响了相关型号发动机的研制。目前，真空感应熔炼技术是生产高温合金最成熟的技术，该技术对原材料尺寸和形状均无要求。但传统真空感应熔炼得到的难变形合金铸锭存在元素偏析程度高、组织比较粗大和大量缩孔等问题，其热加工能力很差。对于难变形高温合金真空感应熔炼获得的铸锭需要进一步精炼提纯才能进行高温变形。电子束提纯高温合金技术在温度、真空度以及凝固控制等方面具有明显的优势。此外，电子束的可控性好，可通过控制电子束来控制熔池的加热部位，从而保证熔池温度分布均匀，得到表面质量优良的铸锭。但是，电子束提纯过程中熔化原料的速度慢，明显增加了高能电子束系统的能耗，降低了电子枪的使用寿命；此外，现有电子束制备高纯合金只要求去除杂质元素，对金属的凝固组织无要求。因此，现有的电子束精炼提纯技术无法满足难变形高温合金对元素偏析和调控凝固组织的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对难变形高温合金传统三联冶炼周期长、成本高、铸态组织偏析严重和晶粒粗大的问题，提供一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置及方法，该装置有助于解决难变形高温合金偏析严重、组织粗大和热塑性差的技术瓶颈，从而实现难变形高温合金的低成本、短流程制备新工艺，为变形高温合金及其关键部件制造技术的发展和应用提供技术支撑。为了实现上述目的，本专利技术的一方面提供一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，该装置包括：炉体，控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体内；所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体进行提纯处理；所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；所述控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；所述真空单元用于为炉体提供真空环境。本专利技术的另一方面提供一种利用上述装置制备难变形高温合金的方法，该方法包括如下步骤：(1)利用真空单元将炉体内部抽真空，然后在感应熔炼单元中对合金原料进行熔炼和精炼，得到熔体；(2)所述熔体通过所述电子束提纯单元进行提纯，并在层凝单元中冷却形成层凝结构，得到难变形高温合金铸锭；其中，利用温度监测单元对所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度进行监测；利用控制单元控制所述感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行。本专利技术的技术方案具有如下有益效果：(1)可制备高均质难变形高温合金，本专利技术装置可以将元素的偏析程度控制在层覆层内，解决了高合金化难变形高温合金铸锭宏观偏析严重问题。(2)可实现凝固组织控制，传统变形高温合金生产过程中只注重纯净化冶炼，对合金凝固组织控制难度较大，本装置通过感应熔炼单元浇铸、电子束加热和层凝单元使合金凝固过程中产生沿竖直方向的温度梯度，控制合金的层覆层厚度和晶粒状态，提高了难变形高温合金的热塑性，解决了合金热加工性能差的问题。(3)实现难变形高温合金的短流程、低成本制备，传统难变形高温合金需要通过三联熔炼(真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗)制备出宏观偏析严重和组织粗大的铸锭，三联冶炼的生产周期长、成材率低和成本高。本专利技术装置集合金熔炼、精炼、层覆凝固于一体，实现单联冶炼(真空感应熔炼结合电子束层凝技术)新技术，达到难变形高温合金短流程、低成本制造目的。本专利技术的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。附图说明通过结合附图对本专利技术示例性实施方式进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本专利技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。图1示出了根据本专利技术的一个实施例的难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置的结构示意图。图2示出了根据本专利技术的一个实施例的装置中感应熔炼坩埚的结构示意图。图3示出了根据本专利技术的一个实施例的装置中水冷铜坩埚的结构示意图。图4示出了根据本专利技术的一个实施例的装置制备的难变形高温合金铸锭微观组织结构示意图。图5示出了根据本专利技术的一个实施例制备的难变形高温合金坯料在1100℃/0.1s-1的热压缩试样。图6示出了根据本专利技术的一个比较例制备的难变形高温合金坯料在1100℃/0.1s-1的热压缩试样。图7示出了根据本专利技术实施例和比较例制备的难变形高温合金坯料在1100℃/0.1s-1的热压缩应力应变曲线。其中，图中横轴表示应变，纵轴表示应力，MPa。附图标记说明：1.炉体；2.电子枪；3.感应熔炼坩埚；4.水冷铜坩埚；5.熔体；61.扩散泵，62.增压泵，63.机械泵；7.电磁阀；8.管道构件；9.旋转电机；10.水冷铜坩埚支撑台；11.红外影像仪；12.感应线圈；13.感应电源；14.进水口；15.出水口；16.铸锭；17.层凝组织；18.柱状晶粒；19.真空测试仪。具体实施方式下面将更详细地描述本专利技术的优选实施方式。虽然以下描述了本专利技术的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本专利技术更加透彻和完整，并且能够将本专利技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。本专利技术的一方面提供一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，该装置包括：炉体，控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体内；所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体进行提纯处理；所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，其特征在于，该装置包括：炉体，控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；/n所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体内；/n所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；/n所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体进行提纯处理；/n所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；/n所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；/n所述控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；/n所述真空单元用于为炉体提供真空环境。/n

【技术特征摘要】
1.一种难变形高温合金制备用电子束诱导层凝装置，其特征在于，该装置包括：炉体，控制单元、感应熔炼单元、电子束提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元；
所述感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元设置于所述炉体内；
所述感应熔炼单元用于对合金原料进行熔炼和精炼；
所述电子束提纯单元用于对熔炼和精炼后得到的熔体进行提纯处理；
所述层凝单元用于对提纯后的熔体进行冷却并使其形成层凝结构；
所述温度监测单元用于监测所述感应熔炼单元和所述层凝单元中的熔体温度；
所述控制单元用于控制感应熔炼单元、提纯单元、层凝单元、温度监测单元和真空单元的自动化运行；
所述真空单元用于为炉体提供真空环境。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感应熔炼单元包括：感应线圈、感应熔炼坩埚、感应电源和旋转电机；所述感应线圈缠绕于所述感应熔炼坩埚外壁上，所述感应线圈与所述感应电源连接，所述旋转电机设置于所述感应熔炼坩埚底部，用于控制所述感应熔炼坩埚翻转。


3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子束提纯单元设置在所述层凝单元上方，包括电子枪，所述电子枪设置于所述炉体内，用于发射电子束；
所述装置还包括电子枪真空部件，所述电子枪真空部件与所述电子枪连接，用于对所述电子枪进行抽真空。


4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述层凝单元包括水冷铜坩埚、水冷铜坩埚支撑台和伺服电机；所述水冷铜坩埚设置于所述水冷铜坩埚支撑台上，所述伺服电机设置于所述水冷铜坩埚支撑台下部，用于控制所述水冷铜坩埚支撑台沿竖直方向上下移动；所述水冷铜坩埚用于冷却进入的熔体。


5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞，崔传勇，周亦胄，孙晓峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21