[發明專利]制備鈦鋁基合金定向全片層組織的電磁成形裝置及方法

有效

• 申請號: 201210160188.7
• 申請日: 2012-05-22
• 公開（公告）號: CN102689000A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 杜玉俊;沈軍;熊義龍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22D27/02
• 分類號: B22D27/02;G01N1/28;C22C14/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明涉及材料加工技術，具體是一種制備鈦鋁基合金試樣的電磁成形裝置以及利用該裝置獲得鈦鋁基合金定向全片層組織的方法。

背景技術

TiAl基金屬間化合物密度低，比強度和比彈性模量高，在高溫時仍可以保持足夠高的強度和剛度，同時它還具有良好的抗蠕變及抗氧化能力等，是一種用于航天、航空及汽車用發動機耐熱結構件的新型結構材料。與γ單相組織和雙態組織相比，鈦鋁基合金定向全片層組織具有更好的高溫強度和室溫韌性，是有望近期應用于工業生產的高溫輕質結構材料，從而成為近年來研究的熱點。由M.Yamaguchi等對鈦鋁基合金PST晶體的研究表明，當外加載荷平行于片層方向時，屈服強度和延伸率達到最佳組合，此時室溫延伸率可以達到5-10％。

然而，由于凝固過程中的包晶相變對組成相的生長與取向有不同的影響。γ相不僅可以由液相析出的α母相形成，還可以由液相中析出的β相轉變為α相的母體中形成，而且還可以由液相中直接析出。另外，在定向凝固包晶反應過程中相的競爭與選擇及界面形態的演化也對鈦鋁基合金的凝固組織有著重要的影響。當高溫α相以擇優生長方向生長時，經過固態相變最終獲得垂直于生長方向的片層組織。當β相以擇優生長方向生長時，經過固態最終獲得平行于生長方向或者與生長方向成45°的片層組織。因此，常規的定向凝固方法難以獲得片層方向平行于生長方向的定向全片層組織。

為了制備出片層方向平行于生長方向的定向全片層組織，人們利用籽晶通過定向凝固方法控制高溫α相以非擇優生長方向生長，從而獲得片層方向平行于生長方向的定向全片層組織。該技術的核心思想是選用具有一定成分和組織的籽晶作為初熔區，然后以一定的抽拉速度進行定向凝固，從而控制母材合金從生長初始階段就以α相的非擇優方向生長，最終經過固態相變獲得片層方向平行于生長方向的定向全片層組織。然而，由于鈦鋁基合金中的Ti元素有很高的化學活性，幾乎與包括Al₂O₃、CaO、Y₂O₃在內的所有坩堝發生界面反應，嚴重影響了鈦鋁基合金定向全片層組織的定向生長及其力學性能。

由西北工業大學研發的電磁成形技術作為一種新型的材料電磁加工技術，特別適合于高熔點、易氧化、高活性金屬試樣的無污染制備。其基本原理是根據Maxwall理論，在成形感應器中加載高頻電流，使放入成形感應器中的金屬試樣產生感應電流，使得試樣熔化。與此同時，感應磁場和感應電流共同作用在熔體表面，產生一個指向熔體內部的電磁壓力。當作用在熔體表面的電磁壓力、熔體表面張力形成的壓力與靜壓力達到動態平衡時，即可穩定約束成形一定直徑的金屬試樣。此時，將下端浸入液態金屬冷卻液中的金屬試樣以一定的速度向下抽拉，即可獲得電磁成形定向凝固試樣。另外，通過改變成形感應器和屏蔽罩等相關參數，可以獲得不同直徑的電磁成形定向凝固試樣。

研究表明，電磁成形過程是一個線圈加熱能力與約束成形能力相互耦合作用的動態穩定過程，其中，成形感應器參數、熱力比和固/液界面位置等是決定電磁成形成功與否的重要依據。這就涉及到電磁成形過程中材料性狀、成形感應器形狀、屏蔽罩插入深度及抽拉速度等之間的相互關系，調節其中一個參數，其他的參數也要做相應的變化，才能保證電磁成形過程的順利進行。這就決定了電磁成形過程中液態熔區維持動態穩定的參數范圍較窄，無法在較大范圍內獨立調節熔體溫度和抽拉速度這兩個定向凝固過程中所關注的關鍵參數，這也是電磁成形技術長期停留在實驗研究階段的主要原因。另外，由于電磁成形過程中成形感應器受到電磁力的作用而劇烈晃動，且在反復裝卸過程中感應線圈容易松動，不利于電磁成形過程的控制和穩定成形，同時增加了等軸晶形核的可能，不利于柱狀晶的定向生長。

發明內容

為克服現有技術中存在的鈦鋁基合金中的Ti元素與坩堝發生的界面反應的不足，獲得無坩堝污染的鈦鋁基合金定向全片層組織，本發明提出了一種制備鈦鋁基合金定向全片層組織的電磁成形裝置及方法。

本發明提出的制備鈦鋁基合金定向全片層組織的電磁成形裝置包括保溫套、成形感應器、定位板、屏蔽罩、絕緣板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷結晶器上表面的絕緣板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感應器位于所述定位板的上表面；保溫套位于所述成形感應器的內環中；卡子固定在成形感應器的外圓周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感應器的中心孔與保溫套的中心孔同軸；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔內，該籽晶的下端與真空室內的抽拉桿連接，母材位于保溫套內，該母材的上端與真空室內的同步桿連接，并且所述籽晶與母材合金均與成形感應器的中心孔同軸。