[發明專利]鈦鋁合金葉片坯件連續冷坩堝定向凝固鑄造裝置

有效

• 申請號: 201210443793.5
• 申請日: 2012-11-08
• 公開（公告）號: CN102935507A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 丁宏升;李明亮;王永喆;陳瑞潤;郭景杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B22D27/02
• 分類號: B22D27/02
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 張偉

技術?領域

本發明涉及一種連續冷坩堝定向凝固鑄造裝置。

背景技術

一．發明的背景和意義

隨著社會經濟的快速發展，對具有更高性能和特殊功能的材料及加工技術提出了迫切的需求，作為時代標志的航天航空、石油化工和電力等工業部門非常需要耐高溫、低密度、超高強和高彈性模量的輕質新型材料。鈦鋁合金由于其低密度，良好的抗氧化性和優異的高溫性能，是一種極具潛力的高溫部件用材。特別是全片層組織的鈦鋁合金(室溫組織為γ-TiAl+α-Ti_?3Al雙相組織)顯示了良好的綜合力學性能，受到了人們的關注。

對于發動機用材，在低于760℃的工作溫度下，目前鈦鋁合金已被成功研制成先進航空發動機的渦輪葉片和導向葉片，這一方面提高了燃燒室的工作溫度，可獲得高的燃燒效率，另一方而減輕了發動機的自重，以降低強大的旋轉離心力所帶來的高工作應力，減輕了支撐件的重量，提高了零部件的整體工作壽命，最重導致飛行器自重減少。鑒于鈦鋁合金在各類先進推進系統中廣泛的應用前景，近年來對這類金屬間化合物型合金材料的制備與加工工藝及其與組織和性能之間的關系開展了大量的研究，在改善這類合金的室溫塑性、韌性，高溫強度和抗高溫蠕變性能等方面均有了長足進展。

但鈦鋁合金葉片機械加工比較困難，成本比較高。為了降低加工成本，節省大量的加工工時，目前鈦鋁合金采用的主要加工成形工藝路線包括變形加工、鑄造成形和粉末冶金成型等，但合金在鑄造時容易產生收縮和孔洞等缺陷，不能保證其在重要部位的使用性能；粉末冶金還不易控制其氧、氮等間隙元素的含量，且抗蠕變性能差；變形加工后合金的綜合力學性能匹配差，高溫變形不均勻，動態再結晶不完全，表現出明顯的力學各向異性。因此如何能達到合金高性能化的加工要求，對鈦鋁合金在航空航天等工業上的應用具有重要作用。

在長期的實驗中，經研究人員仔細地觀察發現合金的晶界在高溫條件下是受力薄弱的地方，這是由于晶界處原子排列一般不規則，且雜質含量高，擴散較容易。這樣就設想通過定向結晶和凝固的方法消除沿晶粒受力方向的橫向晶界，以提高性能；進一步研究后又發現定向結晶的柱狀晶，在其晶界處是裂紋容易萌生的部位，如果進一步消除晶界，將合金制成單晶，則會極大提高合金的性能，而這些必須通過定向凝固技術才能實現，因此開發新型的鈦鋁合金定向凝固技術對提高鈦鋁合金零部件的使用性能，加速其在航天航空、石油化工和電力等領域的應用著實具有實踐意義。

目前對于鈦鋁合金進行定向凝固大多采用在石墨或者Al₂O₃、Y₂O₃以及CaO等陶瓷材料制成的坩堝容器中進行，由于液態下鈦金屬極為活潑，幾乎與所有的金屬或者陶瓷材料發生反應，因此合金的雜質含量高，定向凝固組織不穩定，反而有違于改善力學性能的初衷。因此對鈦鋁合金進行定向凝固的主要障礙就是如何減少合金液的污染、控制合金成分的準確性和有效的控制凝固過程。

二．本發明所涉及技術領域的發展

(一)定向凝固技術的發展