专利名称：制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法
技术领域：
本发明涉及材料加工技术，具体是ー种制备钛铝基合金试样的电磁成形装置以及利用该装置获得钛铝基合金定向全片层组织的方法。
背景技术：
TiAl基金属间化合物密度低，比強度和比弹性模量高，在高温时仍可以保持足够高的強度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等，是ー种用于航天、航空及汽车用发动机耐热结构件的新型结构材料。与Y単相组织和双态组织相比，钛铝基合金定向全片层组织具有更好的高温強度和室温韧性，是有望近期应用于エ业生产的高温轻质结构材料，从而成为近年来研究的热点。由M. Yamaguchi等对钛铝基合金PST晶体的研究表明，当外加载荷平行于片层方向时，屈服強度和延伸率达到最佳组合，此时室温延伸率可以达到 5-10%。 然而，由于凝固过程中的包晶相变对组成相的生长与取向有不同的影响。Y相不仅可以由液相析出的α母相形成，还可以由液相中析出的β相转变为α相的母体中形成，而且还可以由液相中直接析出。另外，在定向凝固包晶反应过程中相的竞争与选择及界面形态的演化也对钛铝基合金的凝固组织有着重要的影响。当高温α相以择优生长方向生长时，经过固态相变最终获得垂直于生长方向的片层组织。当β相以择优生长方向生长时，经过固态最终获得平行于生长方向或者与生长方向成45°的片层组织。因此，常规的定向凝固方法难以获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。为了制备出片层方向平行于生长方向的定向全片层组织，人们利用籽晶通过定向凝固方法控制高温α相以非择优生长方向生长，从而获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。该技术的核心思想是选用具有一定成分和组织的籽晶作为初熔区，然后以一定的抽拉速度进行定向凝固，从而控制母材合金从生长初始阶段就以α相的非择优方向生长，最終经过固态相变获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。然而，由于钛铝基合金中的Ti元素有很高的化学活性，几乎与包括Al203、Ca0、Y203在内的所有坩埚发生界面反应，严重影响了钛铝基合金定向全片层组织的定向生长及其力学性能。由西北エ业大学研发的电磁成形技术作为ー种新型的材料电磁加工技术，特别适合于高熔点、易氧化、高活性金属试样的无污染制备。其基本原理是根据Maxwall理论，在成形感应器中加载高频电流,使放入成形感应器中的金属试样产生感应电流,使得试样熔化。与此同时，感应磁场和感应电流共同作用在熔体表面，产生ー个指向熔体内部的电磁压力。当作用在熔体表面的电磁压力、熔体表面张カ形成的压カ与静压カ达到动态平衡吋，即可稳定约束成形一定直径的金属试样。此时，将下端浸入液态金属冷却液中的金属试样以一定的速度向下抽拉，即可获得电磁成形定向凝固试样。另外，通过改变成形感应器和屏蔽罩等相关參数，可以获得不同直径的电磁成形定向凝固试样。研究表明，电磁成形过程是ー个线圈加热能力与约束成形能力相互耦合作用的动态稳定过程，其中，成形感应器參数、热カ比和固/液界面位置等是决定电磁成形成功与否的重要依据。这就涉及到电磁成形过程中材料性状、成形感应器形状、屏蔽罩插入深度及抽拉速度等之间的相互关系，调节其中一个參数，其他的參数也要做相应的变化，才能保证电磁成形过程的顺利进行。这就决定了电磁成形过程中液态熔区維持动态稳定的參数范围较窄，无法在较大范围内独立调节熔体温度和抽拉速度这两个定向凝固过程中所关注的关键參数，这也是电磁成形技术长期停留在实验研究阶段的主要原因。另外，由于电磁成形过程中成形感应器受到电磁力的作用而剧烈晃动，且在反复装卸过程中感应线圈容易松动，不利于电磁成形过程的控制和稳定成形，同时增加了等轴晶形核的可能，不利于柱状晶的定向生长。

发明内容
为克服现有技术中存在的钛铝基合金中的Ti元素与坩埚发生的界面反应的不足，获得无坩埚污染的钛铝基合金定向全片层组织，本发明提出了一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法。本发明提出的制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置包括保温套、成形 感应器、定位板、屏蔽罩、绝缘板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷结晶器上表面的绝缘板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感应器位于所述定位板的上表面；保温套位于所述成形感应器的内环中；卡子固定在成形感应器的外圆周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感应器的中心孔与保温套的中心孔同轴；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔内，该籽晶的下端与真空室内的抽拉杆连接,母材位于保温套内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接,并且所述籽晶与母材合金均与成形感应器的中心孔同轴。所述成形感应器包括成形感应器内环、感应线圈和感应线圈固定架；感应线圈固定在感应线圈固定架的内表面，并被套装在所述成形感应器内环的外圆表面。所述保温套为锥形圆环；该保温套外表面的斜度与成形感应器内环的内表面的斜度相问。本发明还提出了ー种利用所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备钛铝基合金定向全片层组织的方法，所述的钛铝基合金是指利用籽晶通过常规的定向凝固方法能够获得定向全片层组织的钛铝基合金，包括以下步骤，第一歩，安装籽晶；将籽晶固定于真空室内的抽拉杆上；第二步，安装母材；将母材固定于真空室内的同步杆上，并使母材下端面与籽晶上端面的间隙为I 3mm ；第三步，调节籽晶和母材的高度；通过调节籽晶和母材的高度，使籽晶上端面距成形感应器内环顶端的距离为成形感应器内环高度的1/3 1/2，使籽晶和母材在加热过程中同时熔化；当调节好籽晶和母材的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6X KT3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体；第四步，加热熔化并约束成形；将IOKHz 50KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从OV开始，以20V/5min的阶梯方式增加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点；当所述交变电流的电压达到240V后停止増加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温；继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式増加至位于成形感应器中的籽晶和母材同时熔化，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为IOmm 20mm的圆柱状熔区；第五步，抽拉；待熔区高度稳定后保温10-30分钟，以5 μ m/s 50 μ m/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，实现钛铝基合金的电磁成形定向凝固，从而获得钛铝基合金定向全片层组织。为了防止成形感应器的反复装卸造成感应线圈松动，降低电磁成形过程中成形感应器受到电磁力的作用而剧烈晃动，本发明在原有成形感应器外増加了感应线圈固定架，即在感应线圈外侧用牙托粉和牙托水制成感应线圈固定架将感应线圈固定在一起，同时使感应线圈固定架包裹形成的成形感应器外径与水冷结晶器外径相同，并用螺钉将四个卡子呈十字对称安装，同时将成形感应器、定位板、屏蔽罩和绝缘板从上到下依次固定安装于水 冷结晶器的固定底座上。该感应线圈固定架提高了成形感应器的定位精度，同时降低了电磁成形过程中成形感应器的晃动所造成的成形的不稳定，避免了成形感应器反复装卸造成感应线圈的松动，从而使得电磁成形过程的控制更加精确。降低了因线圈晃动使等轴晶形核的可能，有利于柱状晶的定向生长。另外，在成形感应器内，増加了保温套。其中，保温套的外形尺寸根据需要进行加エ，即在保证保温套外表面倾角与成形感应器内壁相吻合的前提下，使保温套具有不同的下端外径、高度和壁厚。高度和壁厚可以调节保温套的保温能力。下端外径可以调节保温套相对于成形感应器的高度，通过调节保温套的下端外径和高度能够改变熔体中温度场峰值的位置。由于保温套不影响成形感应器内磁场的強度和分布，因此，増加不同型号的保温套能够在不影响电磁力的前提下，较大范围内的调节线圈的加热能力。本发明将籽晶装在真空室的抽拉杆上，将相同直径的母材装在同步杆上，并保证籽晶、母材、保温套、成形感应器、屏蔽罩和真空室内的抽拉杆同轴，同时保证母材下端面与籽晶上端面的间隙为l-3mm。调节籽晶和母材的高度，使籽晶上端面距成形感应器内环顶端的距离为成形感应器内环高度的1/3 1/2，使在加热过程中籽晶和母材同时熔化。当调节好籽晶和母材的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6X 10_3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体。将10KHz-50KHz的交变电流通入成形感应器中，以阶梯増加电压的方式増加交变电流的电压，至籽晶和母材同时熔化，并使熔体在电磁力的作用下约束成高度为10-20mm的圆柱状熔区。待熔区高度稳定后保温10-30分钟，然后以5_50 μ m/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，最终实现钛铝基合金的电磁成形定向凝固，从而获得钛铝基合金的定向全片层组织。所述利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备钛铝基合金定向全片层组织时，使用的籽晶和母材的合金成分如表I所示。表I中所示的籽晶成分(at% )为利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备钛铝基合金定向全片层组织时，所使用的籽晶的名义成分，所述的籽晶成分必须满足以下要求I、α相必须是初生相。2、加热至α2+Υ — α共析温度，片层组织是稳定的。3、加热时，α相是热力学稳定的，且α相体积分数的增加时通过增厚α相片层而不是形核为新的α片层。这样可使高温α相有与原始片层组织中的α片层相同的取向。
4、冷却时，此过程是可逆的，片层组织原来的取向可保存。同时，利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备TiAl基合金定向全片层组织时，所用籽晶的片层方向须与定向凝固时的抽拉方向平行。表I中所示的母材成分(at% )为能够由所对应的籽晶成功引晶的母材合金的名义成分。所述适于利用籽晶通过电磁成形定向凝固方法制备TiAl基合金定向全片层组织的母材合金是指利用籽晶通过常规的定向凝固能够获得定向全片层组织的钛铝基合金。表I
权利要求
1.一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置，其特征在于，包括保温套、成形感应器、定位板、屏蔽罩、绝缘板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷结晶器上表面的绝缘板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感应器位于所述定位板的上表面；保温套位于所述成形感应器的内环中；卡子固定在成形感应器的外圆周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感应器的中心孔与保温套的中心孔同轴；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔内，该籽晶的下端与真空室内的抽拉杆连接,母材位于保温套内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接，并且所述籽晶与母材合金均与成形感应器的中心孔同轴。
2.一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置，其特征在于，所述成形感应器包括成形感应器内环、感应线圈和感应线圈固定架；感应线圈固定在感应线圈固定架的内表面，并被套装在所述成形感应器内环的外圆表面。
3.一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置，其特征在于，所述保温套为锥形圆环；该保温套外表面的斜度与成形感应器内环的内表面的斜度相同。
4.ー种利用权利要求I所述制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置制备钛铝基合金定向全片层组织的方法，所述的籽晶是指利用籽晶通过常规的定向凝固方法能够获得定向全片层组织时所用的籽晶，所述的钛铝基合金是指利用籽晶通过常规的定向凝固方法能够获得定向全片层组织的钛铝基合金；其特征在于，包括以下步骤， 第一歩，安装籽晶；将籽晶固定于真空室内的抽拉杆上； 第二步，安装母材；将母材固定于真空室内的同步杆上，并使母材下端面与籽晶上端面的间隙为I 3mm ； 第三步，调节籽晶和母材的高度；通过调节籽晶和母材的高度，使籽晶上端面距成形感应器内环顶端的距离为成形感应器内环高度的1/3 1/2，使籽晶和母材在加热过程中同时熔化；当调节好籽晶和母材的高度后，关闭定向凝固设备的真空室门并抽真空至6X KT3Pa后，随后充入高纯氩气作为保护气体； 第四步，加热熔化并约束成形；将IOKHz 50KHz的交变电流通入成形感应器中，并将所述交变电流的电压从OV开始，以20V/5min的阶梯方式増加至240V，使位于成形感应器中的籽晶和母材的温度逐步加热至接近所述籽晶和母材的熔点；当所述交变电流的电压达到240V后停止増加电压5min，对所述籽晶和母材的温度保温；继续将所述交变电流的电压从240V开始，以5V/5min的阶梯方式増加至位于成形感应器中的籽晶和母材同时熔化，并使籽晶和母材熔化后形成的熔体在电磁力的作用下约束成高度为IOmm 20mm的圆柱状熔区； 第五步，抽拉；待熔区高度稳定后保温10-30分钟，以5 μ m/s 50 μ m/s的速度从上至下抽拉，进行电磁成形定向凝固，实现钛铝基合金的电磁成形定向凝固，从而获得钛铝基合金定向全片层组织。
全文摘要
一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法，屏蔽罩安放在位于水冷结晶器上表面的绝缘板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感应器位于所述定位板的上表面；保温套位于所述成形感应器的内环中；卡子固定在成形感应器的外圆周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感应器的中心孔与保温套的中心孔同轴；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔内，该籽晶的下端与真空室内的抽拉杆连接，母材位于保温套内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接，并且所述籽晶与母材合金均与成形感应器的中心孔同轴。本发明能够彻底消除坩埚污染对合金成分和组织的影响，制备出较理想的定向全片层组织，并提高了成形感应器的定位精度。
文档编号G01N1/28GK102689000SQ201210160188
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者杜玉俊, 沈军, 熊义龙 申请人:西北工业大学