[發明專利]一種真空電弧重熔裝置及其工藝

無效

• 申請號: 01132689.1
• 申請日: 2001-08-31
• 公開（公告）號: CN1351181A
• 公開（公告）日: 2002-05-29
• 發明（設計）人: M·G·本茲;M·F·亨賴;小W·T·卡特;B·P·比萊
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C22B9/21
• 分類號: C22B9/21;B22D23/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 林長安

技術領域

本發明涉及一種真空電弧重熔(VAR)裝置及其工藝。

背景技術

真空電弧重熔是一種對偏析敏感合金受控凝固的工藝。在這種工藝中，將一根圓柱形的合金電極裝到爐子的水冷銅坩堝中。爐子是抽成真空的，并在電極(陰極)和坩堝底部(陽極)的起弧材料之間點燃直流電弧。電弧加熱起弧材料和電極尖端，并最終將兩者都熔化。當電極尖端熔化時，熔化的金屬滴到下面的坩堝中。在此工藝中保持了一個向下延伸到半凝固區的液態熔池，所述半凝固區是到完全凝固錠塊的過渡區域。坩堝的直徑大于電極的直徑。因此，不斷縮小的電極應向下朝著陽極熔池表面移動，以在電極尖端和熔池之間保持一個穩定的平均距離。從電極尖端到液態金屬熔池表面的平均距離稱為電極間隙(g_e)。

由于冷卻水從坩堝壁上帶走熱量，在坩堝壁附近的熔化金屬發生凝固。在熔池表面附近緊貼坩堝壁的位置凝固了一層固體材料，稱為“架狀物”。在熔池表面下的一定距離，材料變得完全固化，產生了完全致密的合金錠塊。在經過了足夠長的時間后，逐漸形成了穩定狀態，形成位于完全凝固的錠塊基體上方的碗狀熔化材料。

真空電弧重熔工藝將電極材料轉化為具有微晶粒尺寸的錠塊，并提高了其化學和物理均勻性。真空電弧重熔工藝尤其適用于熔化鎳基“超合金”(例如718合金)。這些材料包含大量的活性元素。真空電弧重熔工藝可以減少其包含的氣體，尤其是氫和氧，還可以減少非金屬雜質、中心氣孔和偏析現象。重熔合金的機械性能，如延伸性和疲勞強度，都得到了提高。

在真空電弧重熔工藝過程中，易揮發的污染物質，如錳、鋁和鉻被蒸發。這些元素的蒸氣立刻在溫度較低的表面上凝結，例如在坩堝壁上凝固材料的架狀物上方。另外，由于電弧在電極表面周圍運動，一些顆粒濺到熔池外的坩堝壁上，被冷凝的蒸氣物質形成的表面所俘獲。

在架狀物形成過程中，高熔點貧溶質的材料是首先在冷凝的揮發物和覆蓋在坩堝壁上的濺出物上凝固的液態金屬。另外，隨著熔化的進行，出現在液態金屬池表面上的氧化物和氮化物雜質往往被推到熔池的側邊，并在架狀物處冷凝到已凝固材料之中。

隨著電極的熔化和液態金屬注入坩堝內，錠塊架狀物在其底部熔化，而在頂部又形成新的架狀物。如果熔化和架狀物形成保持穩定狀態，那么架狀物就會逐漸地形成、熔化并隨著熔池表面向上方運動。只要能保持穩定狀態，架狀物就充當了冷凝的熔化濺出物和在坩堝壁上冷凝的蒸氣物質之間的阻礙物。然而如果不能保持穩定狀態，架狀物就變得不穩定，脫落并掉入熔池中，沿蒸氣物質表面、濺出物和高熔點貧溶質的材料移動。這樣，在錠塊中會出現貧溶質材料的閃亮的“白點”。如果有氧化物伴隨貧溶質的材料，那么貧溶質的材料就以“臟白點”的形式出現。這些貧溶質材料和氧化物出現的區域是早期開裂的產生地，導致這種材料制成的零件壽命減短。

這就需要一種真空電弧重熔爐及其工藝，其可以避免熔化材料被濺出物和氧化物污染。

發明內容

本發明提供了一種真空電弧重熔爐及其工藝，可以通過穩定錠塊架狀物來防止其突然斷裂，從而避免污染。這種真空電弧重熔工藝在一種新設計的裝置中進行，所述裝置特征在于，坩堝壁上有一固定區域，使架狀物不會變得不穩定。所述真空電弧重熔裝置包括一爐腔，所述爐腔內有一由重熔材料制成的自耗電極和一坩堝。所述坩堝有壁，形成收集自耗電極中產生的熔化材料的容器。坩堝壁上有紋路，增加了其表面面積以及凝固的熔化材料的機械穩定性。

所述真空電弧重熔工藝包括將自耗電極裝入爐腔中的冷卻坩堝上方，所述坩堝包括刻有紋路的坩堝壁，形成了收集自耗電極中產生的熔化材料的容器。所述工藝包括在電極和坩堝底部之間加一直流電，使得電極尖端的材料被熔化。從電極尖端熔化的材料滴入坩堝中聚集，冷卻形成錠塊。其特征在于，凝固材料形成的架狀物位于坩堝的有紋路的坩堝壁的附近，并處于凝固材料的下邊界的上方。

附圖說明

圖1是真空電弧重熔爐的剖視示意圖；

圖2是爐的坩堝壁和凝固錠塊的斷面示意圖；

圖3是有槽的坩堝壁的頂視圖；

圖4是有槽的坩堝壁和一部分凝固錠塊的斷面頂視圖；

圖5是有槽的坩堝壁的一部分的斷面正視圖；

圖6是坩堝整個圓周的頂視圖；

圖7是具有紋路的坩堝壁和凝固錠塊的斷面示意圖；

圖8是帶有鋸齒狀棱的試驗圖案的錠塊表面的照片；

圖9，10，11，12是刻有其他形狀紋路的坩堝壁的示意圖。

具體實施方式