[發明專利]一種鈦合金真空自耗電弧熔煉細化晶粒的裝置及方法

有效

• 申請號: 201611097354.8
• 申請日: 2016-12-02
• 公開（公告）號: CN106756137B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 郝孟一;王建磊;沙愛學;王資璐;傅宇飛;趙志偉
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C14/00;C22B9/20;C22B9/02
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 李建英

本發明屬于金屬熔體處理領域，具體涉及一種利用超聲振動進行鈦合金的真空自耗電弧熔煉晶粒細化的裝置及方法。本發明選用超聲波振動的方式實現，在真空自耗電弧熔煉的坩堝底部加入超聲振動發生裝置，采用與熔體材質相同的鈦合金作為導波材料，保證熔體不受污染，且可以更好的傳播超聲波能量，在熔煉過程中，根據熔煉時間以及熔池形狀等因素設置不同的振動參數，通過超聲振動在熔體中的傳播，造成熔體流動場、壓力場及溫度場的變化，從而產生一些特殊效果，達到細化晶粒的目的。本發明通過振動技術實現晶粒細化、減輕偏析、去除夾雜，從而達到改善鈦合金鑄錠微觀組織的目的。

技術領域

本發明屬于金屬熔體處理領域，具體涉及一種利用超聲振動進行鈦合金的真空自耗電弧熔煉晶粒細化的裝置及方法。

背景技術

鈦合金以其比強度高、耐腐蝕、耐高溫等優良性能在航空航天、汽車工業、生物醫藥、石油化工等領域有廣泛應用，鈦合金的熔煉方法主要有真空自耗電弧熔煉法、非自耗電弧熔煉法、冷坩堝熔煉法、電渣熔煉法及電子束冷床爐熔煉法等，真空自耗電弧熔煉法有成本低、可生產大尺寸鑄錠等優點，成為生產鈦合金鑄錠的主要方法，但其生產的鈦合金鑄錠存在成分偏析、凝固組織不均勻等缺陷，為獲得質量良好的鑄錠，人們研究各種改善組織、細化晶粒的方法，如改善調節熔煉電流、熔煉電壓、攪拌磁場、熔速等控制參數，但是通過改善熔煉控制參數的方法，只能部分改善鑄錠的凝固組織，當熔煉鑄錠對組織質量要求較高時，如熔煉TiAl合金，其要求凝固組織晶粒更加細小均勻，此時僅通過改善熔煉控制參數來改善組織并不能完全滿足鑄錠對組織性能的要求，因此一種細化晶粒的振動技術應運而生。

迄今為止，振動技術在金屬凝固領域引起越來越廣泛的重視，其在晶粒細化、除氣、增加鑄件組織均勻性和減少縮松等方面的研究都取得了較大進展，但是在真空自耗電弧爐熔煉過程中引入振動技術在國內外未見有相關研究。

發明內容

本發明目的在于提供一種利用超聲振動處理金屬熔體的裝置，通過在鈦合金的真空自耗電弧熔煉中細化晶粒解決出現的偏析等組織缺陷的問題。

本發明的技術解決方案是，

在真空自耗爐的坩堝底部裝入超聲振動發生裝置或機械振動裝置，超聲振動發生裝置包括超聲波換能器、預制導波塊和超聲波發生器，預制導波塊的材料選用與熔煉鈦合金材質相同的材料，預制導波塊放置在坩堝底墊上，形狀為帶桿狀的圓餅狀，圓餅直徑小于坩堝內徑，厚度為15～50mm，桿狀穿過坩堝底墊中心孔，與超聲波換能器連接，預制導波塊與坩堝底墊中心孔之間塞入密封圈，超聲波換能器安裝在坩堝底部的支撐筒體內并固定密封，超聲波發生器安裝于真空自耗爐外部位置，通過導線連接超聲波換能器；機械振動裝置包括機械振動電機、預制導波塊和機械振動控制器，預制導波塊的材料選用與熔煉鈦合金材質相同的材料，預制導波塊放置在坩堝底墊上，形狀為帶桿狀的圓餅狀，圓餅直徑小于坩堝內徑，厚度為15～50mm，桿狀穿過坩堝底墊中心孔，與機械振動電機連接，預制導波塊與坩堝底墊中心孔之間塞入密封圈，機械振動電機安裝在坩堝底部的支撐筒體內并固定密封，機械振動控制器安裝于真空自耗爐外部位置，通過導線連接機械振動電機；進行鈦合金真空自耗電弧熔煉時，操作步驟如下：

(1)按照所述結構將裝置安裝后，將坩堝吊裝入坩堝水套，在坩堝水套通入循環冷卻水，開始真空自耗電弧焊接和熔煉；

(2)熔煉起弧后，當采用超聲振動發生裝置時，待坩堝底部形成金屬熔池，開啟超聲波發生器，超聲波頻率為20kHz，超聲波發生功率為600W，隨著熔煉的進行增大超聲波功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加10W的速率進行，直到熔煉停弧；

當采用機械振動裝置時，待坩堝底部形成金屬熔池，開啟機械振動控制器，振動功率為500W，隨著熔煉的進行增大振動功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加5W的速率進行，直到熔煉停弧；

(3)停弧后冷卻后出爐，將預制導波塊與換能器連接處拆除，此時預制導波塊與熔體熔為一個鑄錠，將預制導波塊部分切除。