运载和能源工业中迫切需要耐热轻量的钛铝合金叶片，但采用传统的定向凝固装置会造成严重的杂质污染，损害叶片的塑性和韧性。为了提高现有冷坩埚定向凝固装置的效率，又能克服不能铸造形状复杂叶片的缺陷，本发明专利技术提供了一种悬浮式冷坩埚连续充填定向凝固铸造装置。水冷铜坩埚内壁环向设置一梯形凸台，坩埚外部缠绕有上感应线圈，并使凸台置于线圈内，所激发的交变磁场通过坩埚开缝向内扩散产生热区，实现料棒悬浮给液。装置中还包括置于结晶器内的抽拉杆，所述抽拉杆上端面固定有横截面为叶片形状的模壳，模壳由外部感应石墨套加热。本发明专利技术实现了金属液的悬浮熔化给液，顺序充填和定向凝固，不但避免了钛铝合金熔体与模壳的化学反应，而且提高了钛铝合金定向凝固加工效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种冷坩埚定向凝固装置。
技术介绍
一.专利技术的背景和意义随着社会经济的快速发展，对具有更高性能和特殊功能的材料及加工技术提出了迫切的需求，作为时代标志的航天航空、石油化工和电力等工业部门非常需要耐高温、低密度、超高强和高弹性模量的轻质新型材料。TiAl基合金由于其低密度，良好的抗氧化性和优异的高温性能，是一种极具潜力的高温部件用材。特别是全片层组织的TiAl基合金(室温组织为Y-TiAl+Ci-Ti3Al双相组织)显示了良好的综合力学性能，受到了人们的关注。对于发动机用材，在低于760°C的工作温度下，目前TiAl基合金已被研制成先进航空发动机的涡轮叶片和导向叶片，这一方面提高了燃烧室的工作温度，可获得高的燃烧效率，另一方面减轻了发动机的自重，以降低强大的旋转离心力所带来的高工作应力，减轻了支撑件的重量，提高了零部件的整体工作寿命，最重导致飞行器自重减少。鉴于TiAl基合金在各类先进推进系统中广泛的应用前景，近年来对这类金属间化合物型合金材料的制备与加工工艺及其与组织和性能之间的关系开展了大量的研究，在改善这类合金的室温塑性、韧性，高温强度和抗高温蠕变性能等方面均有了长足进展。但TiAl基合金叶片机械加工比较困难，成本比较高。为了降低加工成本，节省大量的加工工时，目前TiAl基合金采用的主要加工成形工艺路线包括变形加工、铸造成形和粉末冶金成型等，但合金在铸造时容易产生收缩和孔洞等缺陷，不能保证其在重要部位的使用性能；粉末冶金还不易控制其氧、氮等间隙元素的含量，且抗蠕变性能差；变形加工后合金的综合力学性能匹配差，高温变形不均匀，动态再结晶不完全，表现出明显的力学各向异性。因此如何能达到合金高性能化的加工要求，对TiAl基合金在航空航天等工业上的应用具有重要作用。在长期的实验中，经研究人员仔细地观察发现合金的晶界在高温条件下是受力薄弱的地方，这是由于晶界处原子排列一般不规则，且杂质含量高，扩散较容易。这样就设想通过定向结晶和凝固的方法消除沿晶粒受力方向的横向晶界，以提高性能；进一步研究后又发现定向结晶的柱状晶，在其晶界处是裂纹容易萌生的部位，如果进一步消除晶界，将合金制成单晶，则会极大提高合金的性能，而这些必须通过定向凝固技术才能实现，因此开发新型的TiAl基合金定向凝固技术对提高TiAl基合金零部件的使用性能，加速其在航天航空、石油化工和电力等领域的应用着实具有实践意义。目前对于TiAl基合金进行定向凝固大多采用在石墨或者A1203、Y2O3以及CaO等陶瓷材料制成的坩埚容器中进行，由于液态下钛金属极为活泼，几乎与所有的金属或者陶瓷材料发生反应，因此合金的杂质含量高，定向凝固组织不稳定，反而有违于改善力学性能的初衷。因此对TiAl基合金进行定向凝固的主要障碍就是如何减少合金液的污染、控制合金成分的准确性和有效的控制凝固过程。二.本专利技术所涉及
的发展(一)定向凝固技术的发展所谓定向凝固是在控制坯件内部传热、传质和流动的条件下，控制金属或晶体类材料沿固定生长方向进行凝固或者结晶的技术手段。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向相平行的一组平行柱状晶，如果能够适当控制晶粒的生长过程，例如抑制外来生核，则晶体可以长成只有一个晶粒的结晶组织，称为单晶体。由此可见定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前这种限制性凝固技术的发展，一方面为现代凝固技术的发展提供强有力的理论支撑，例如关于许多凝固现象都要依赖于定向凝固方法来系统研究，另一方面为工程上提供大量性能优异和可实用化的结构和功能材料，如定向或单晶的高温合金航空叶片、半导体娃电子材料、磁致伸缩材料、GaAs晶体发光材料、金属间化合物及各种金属基及无机复合材料等等。定向凝固技术的优越性直接表现在可以大范围控制凝固速率，即定向凝固时材料的冷却速率可由10_4K/ · S到IO4K/ · S大范围变化，因此能实现在极慢速条件下制备平衡凝固组织到在极快条件下制备非平衡的超细或者亚稳态凝固组织的组织状态的大范围调整，又由于材料的组织状态与性能指标密切相关，所以定向凝固为材料加工过程提供了广泛的空间。当前世界上几乎所有的民用及军用先进发动机的高温合金涡轮及导向叶片，均采用定向凝固技术将其加工成柱晶或者单晶组织状态来使用，这极大地提高了其高温使用性能，这一事实体现了定向凝固技术的突出贡献，而且定向凝固是一个非常活跃的
，许多新型的定向技术正处于快速发展中。I.炉外结晶法(EP法)炉外结晶法又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的方法之一，Versnyder等早在20世纪50年代就应用于试验中。其原理是水冷模底部采用水冷铜底座，顶部覆盖发热剂，侧壁米用隔热层绝热，烧入金属液后，在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，使铸件自下而上，实现定向凝固。由于所能获得的温度梯度小和沿高度不断减小，而且很难控制。因此，该法只可用于制造要求不高的零件。2.功率降低法(ro法)在20世纪60年代，Versnyder等人提出了功率降低法。采用水冷底盘，上面放一个底部开放的模壳，外面套有石墨罩，石墨上套有中间抽头的两组感应线圈，在模壳上安有热电偶，在加入熔化好的金属液前，建立所要的温度场。自下而上顺序关闭加热线圈，调节功率，使金属建立一个自下而上的温度梯度场，实现定向凝固。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。由于其生长长度受到限制，并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。3.快速凝固法(HRS法)快速凝固法是Erickson等于1971年提出的，其装置和功率降低法相似，不过多了一个拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点，在炉子底部设有一个挡板，上面有一个略大于铸件形状的开口，把炉子和外部分开。抽拉装置将铸件以一定的速度从炉子的开口中移出或炉子移离铸件，在空气中冷却，而炉子始终保持加热状态。这种方法避免了炉膛对已凝固层的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶较长，组织细密挺直均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。但HRS法是靠辐射换热来冷却的，获得的温度梯度和冷却速度都很有限。4.液态金属冷却法(LMC法)为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法的基础上，采用液态金属冷却以增大冷却效果。该方法是Giamei等于1976年提出的。将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的、高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即液态金属冷却法。模壳直接进入液态金属冷却，散热增强冷却剂与模壳迅速达到热平衡，得到很大的温度梯度。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。常用的液态金属有Ga2In合金和Ga2I n2 Sn合金，以及Sn液和Al液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点稍高(232°C)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工本文档来自技高网...
【技术保护点】
连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，包括封闭的炉体、送料杆、料棒、水冷铜坩埚、感应线圈、抽拉杆、结晶器、冷却剂材料，位于炉体内的料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，料棒的下端部伸在水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚为开缝结构，水冷铜坩埚外部缠绕有上感应线圈用于激发交变磁场并通过开缝向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，抽拉杆置于结晶器内，其特征在于：所述水冷铜坩埚内壁环向设置梯形凸台，所述梯形凸台置于上感应线圈的感应区内；所述抽拉杆上端固定有横截面为叶片坯件形状的模壳，所述模壳外面设置有石墨发热体，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下感应线圈，所述模壳置于水冷铜坩埚的正下方。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：丁宏升，李明亮，王永喆，陈瑞润，郭景杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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