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钛基合金的水冷电磁铜型定向凝固方法
技术领域：
本发明涉及一种金属定向凝固方法。
背景技术：
定向凝固是在控制铸件内部传热、传质和流动的条件下，金属(或晶体类材料)能够沿固定生长方向进行凝固或结晶的过程。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向平行的一组平行柱状晶，如果能够适当控制晶粒的生长过程，例如抑制外来生核，则晶体可以长成只有一个晶粒的结晶组织，称为单晶体。由此可见定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前这种限制性凝固技术的发展，一方面为现代凝固技术的发展提供强有力的理论支撑，例如关于许多凝固现象都要依赖于定向凝固方法来系统研究，另一方面为工程上提供大量性能优异和实用化的结构和功能材料，如定向或单晶的高温合金航空叶片、半导体硅电子材料、磁致伸缩材料、晶体发光材料、金属间化合物及各种金属基及无机复合材料等等。定向凝固技术的优越性直接表现在可以大范围控制凝固速率尺度，即定向凝固时材料的冷却速率可由10^-4K/·S到10⁴K/·S大范围变化，因此能从制备极慢的平衡组织到远离平衡的超细或亚稳态组织状态的大范围调整，又由于材料的组织状态与性能指标密切相关，所以定向凝固为材料成形制备过程提供了广泛的空间。当前世界上几乎所有的民用及军用先进发动机的涡轮及导向叶片，均采用了定向及单晶凝固的高温合金制造，极大的提高了材料的高温使用性能，这一事实充分体现了定向凝固技术的突出贡献。
众所周知的钛及其合金是一类在高温状态尤其是熔融条件下极为活泼的材料，自从二次世界大战以后，钛及其合金逐步进入实用化阶段，这主要是钛所具有的优异力学和物理性能所致，如低的密度、高的比强度和比刚度、高熔点、无磁性、耐腐蚀性和一定的耐热性等优点，在航空、航天、舰船、汽车、建筑、化工等诸多领域广泛应用，素有钛“钢”或二十一世纪的金属之称。但钛的化学活性大，加工、成形和制备较为困难，历来制约着这类材料的发展和应用。当前用于钛及其合金的加工方式主要包括：变形轧制、机械加工、粉末冶金和铸锭冶金几大类，几种成形方式的优缺点如表1所示。
表1 几种适用于钛合金的制备成形方法的比较

显微组织力学性能构件尺度工艺流程变形轧制组织不均匀，具有取决于轧制方向的亚组织，织构和层错缺陷合金的抗高温蠕变能力差大、中尺度构件，微小构件加工困难工艺过程复杂，有时涉及对材料的预处理，且相成分不合适的材料很难加工粉末冶金组织的均匀性取决于原料粉末，多孔洞，不致密由于间隙污染元素(C、H、O)含量大，综合力学性能差(塑性低)中、小尺度构件，大型构件加工困难涉及粉末制备、预制成形和烧结工艺等多过程，构件的质量控制较难铸锭冶金凝固速度慢，成分与相偏析较大，组织粗大，存在缩孔疏松由于存在与铸模的界面反应，合金的性能较低大、中、小尺度构件均适用铸型制备工艺复杂，需要热等静压等后处理工艺机械加工取决于原料组织取决于原料性能和加工结构大、中、小尺度构件均适用原材料利用率极低定向凝固(本方法)组织致密，无空洞缺陷，可调整组织状态为等轴晶、柱状晶或单晶合金的综合力学性能，尤其是高温力学性能提高很大中、小尺度构件，经改进后适合大尺度构件，但构件复杂程度还不高工艺过程连续进行，流程短，工艺相对简单
传统的定向凝固技术主要是依据定向凝固设备或装置所能实现温度梯度的不同，被划分为功率降低法、快速凝固法和液态金属冷却法。液态金属冷却法是当前较为实用的定向凝固技术，由于采用热容量大的常温液态金属进行冷却，铸锭凝固中所释放的热量被迅速带走，如果将液态金属与铸锭直接接触，改善热交换条件，还会在固液界面处形成很高的温度梯度。将液态金属冷却装置(LMC)与Bridgman法、提拉法或者区熔法等结合，已经发展出多种定向凝固技术。但传统定向凝固中，由于试件的冷却速率受到固相端热量导出速率的限制，很难获得均匀的冷却速率，又由于为了获得均匀细化的定向凝固组织，大大降低了抽拉速度，生产效率低的问题很难解决。
为了细化定向凝固组织、减少凝固偏析和提高凝固速率，近年来研究了各种新型的定向凝固技术。包括：高梯度定向凝固方法、深过冷定向凝固方法、特种合金的电磁约束成形定向凝固方法、单晶连铸定向凝固方法、晶向控制定向凝固方法、高强韧陶瓷材料的定向凝固方法，上述方法均不能用于钛基合金的定向凝固，这是由于钛合金自身的高活泼性，在对其开展定向凝固时一个关键的问题就是如何避免容器材料(坩埚和铸型)对合金的污染，以便保持合金化学成分的准确性，消除物理和化学夹杂物对定向凝固铸件的侵蚀，保证合金经定向凝固制备后仍然具有较高地物理和力学性能，适于在特殊工业装备和场合的应用。
电磁流体力学通过将电磁场与流体力学相结合，为阐明流体在磁场作用下的各种行为奠定了基础。根据麦克斯韦电磁理论，交变电磁场能够将自身的能量在连续介质中进行转化，高温下呈流动状态的金属或合金，由于电导率高、磁阻小很容易受到磁场的焦耳热作用和洛仑兹力作用，这样在工业中就出现了电磁感应熔化、电磁搅拌、熔体形状控制、驱动/抑制流体流动、悬浮和雾化等多种形式的金属电磁加工技术。
目前，利用电磁流体力学原理的电磁连续铸造技术得到了很大发展，其原理为：当感应产生涡流后，涡流与磁场力相互作用，产生指向金属液内部的电磁推力，当推力大于金属液静压力时液态金属被推离感应器形成液柱，通过对下部金属的冷却和抽拉，形成了连续的铸造过程。电磁铸造技术(EMC)已经成功应用到铝合金的无模连续铸造中，每年依靠这种方法生产的铝合金锭坯约占世界总产量的30％以上。在钢铁坯锭生产中，人们也开始利用电磁场取代结晶器的作用使金属成型，以消除铸坯与结晶器相对摩擦而造成的表面缺陷。
然而钢铁材料密度大，只有在很大能量的电磁场作用下，电磁推力才能使得金属液柱保持侧面直立，实际中的交变电磁场不可能产生这样高的能量。1984年美国通用电器公司申报了在结晶器外施加交变电磁场，依靠结晶器壁承担部分金属液静压力的所谓软接触结晶器的专利，通过电磁推力与结晶器壁共同承担金属液静压力，减少了动压，为生产具有优异表面质量的钢铁坯锭材料奠定了基础，被称为软接触电磁连铸技术。此后，该技术在美国、法国、日本、韩国等国家以及国内都得到快速发展，采用软接触结晶器技术使得连铸坯质量明显提高，而所用的电磁推力远小于无模电磁连铸的电磁力。
电磁软接触式连铸技术的发展，在改善连铸钢坯质量，提高生产效率和缩短工艺流程方面具有明显优势，为生产无缺陷铸坯提供了技术保障。由于钢铁材料软接触电磁连铸技术的开发成功，带动了材料的电磁场加工技术的发展，进入上世纪90年代以后，该技术还向无弯月面连铸的方向发展，即热帽电磁连铸技术，通过在连铸结晶器的上部设置保温帽口，维持金属液量和温度恒定，同时在结晶器/液态金属/保温帽口交界点处施加高频电磁场，有效改善铸坯的初始凝固条件，控制了金属液的起始凝固位置，进一步改善了铸坯的表面质量。
申请人申报的多功能冷坩埚电磁精确成形与定向凝固装置，在该装置的炉体内设有料棒，料棒包括上料棒和下料棒(下料棒又称底料)，上料棒通过上送料杆与上部电机连接，下料棒通过下抽拉杆与下部电机连接，所述下抽拉杆的下端还与旋角系统连接，在料棒的外部、感应线圈的内部设有水冷坩埚，炉体为双层结构，在炉体的内部下方即下料棒的正下方设有定向凝固结晶器，在定向凝固结晶器的内部装有金属冷却剂。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种与冷坩埚电磁精确成形与定向凝固装置配合使用的、可以对钛及其合金进行加工、具有过程连续和流程短特点的钛基合金的水冷电磁铜型定向凝固方法，在冷坩埚电磁精确成形与定向凝固装置的炉体内为先抽真空到0.05～1Pa，后返充氩气到300～400Pa，炉体内部设有料棒1，料棒1在外部设有水冷铜型2，水冷铜型2的外部设有感应线圈3，线圈3的匝数为2～4匝，所述料棒1包括上料棒1-1和底料1-2，在上料棒1-1和底料1-2送入线圈3的感应范围后，底料伸入铜型内50～70mm，线圈3通入单相交流电，电源施加功率为40～70kW，4～16分钟后，将上料棒1-1和底料1-2以1.4～80μm/s的速度向下运动，并使底料进入设置在其下方的结晶器9内即可。本发明针对钛合金，在水冷铜型中通过将电磁连续成形与定向凝固技术二者结合在一起，构成连续定向凝固体系。它通过带有感应加热功能的感应线圈对需要定向凝固的金属开展熔化、过热、约束形状、成形和凝固，而这些过程都是在对金属不会造成污染的分瓣式水冷铜型中进行的。金属液体在凝固过程中所需要保持的固液界面温度梯度是通过铜型内被过热熔体的高温度与已经伸入到下面的室温液态金属低熔点金属液中的低温度获得的，通过保持稳定的凝固速度，从而使固液界面保持稳定，这样就会维持这种连续的、定向的凝固过程的顺利进行。本发明的方法与几类适用于钛及其合金的加工方法比较具有过程连续和流程短的特点，尤其是在适当控制传热和传质及流动的加工条件下可以有目的的调整构件的组织形态，减少加工缺陷，有利于提高合金的综合力学性能，特别是对于高温使用很重要的高温力学性能。为此本发明具有如下重要意义：发展了针对钛合金等先进材料的优质、高效、安全、特殊和低成本的材料成形与制备技术，适应了当前经济、科技和国防事业发展对高性能材料需求量增大的迫切要求，保证我们在参与激烈的国际竞争过程中立于不败之地，同时发展先进的、特殊的加工成形方法也为降低生产成本和改善与生活环境的相容性奠定了基础。
附图说明：
图1是本发明方法所结合装置的结构示意图，图2是水冷铜型2与水管8连接结构示意图，图3是图2的A-A剖视图，图4是上送料杆21与上料棒1的连接结构示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式的工作过程如下：参照图1，将炉体4通过螺栓安装在支撑框架6上，支撑框架6呈水平用地脚螺栓6-1连接稳定地固定于地面之上；在炉体4内底部有两组循环水通道7，循环水通道7将炉体4与水管8连通，水管8的另一端与水冷铜型2连通，从而将炉体的水路与水冷铜型的水路连通；通过铜管8和循环水通道7的连接，还可以对水冷铜型2起到支撑作用；内部通水冷却的结晶器9采用焊接方式固定在炉体4的底部居中位置，其底部伸向炉体4的外部，为所实施的定向凝固提供强制冷却作用，其冷却作用是通过其内部盛装的低熔点合金冷却液10实现的，低熔点合金冷却液10为二元合金液或三元合金液，所述二元合金液为Ga-24.5％，In-75.5％，所述三元合金液为Ga-25％，In-13％，Sn-62％，或者三元合金液为Ga-21％，In-16％，Sn-63％。；在冷坩埚电磁精确成形与定向凝固装置的炉体内为先抽真空到0.05～1Pa，后返充氩气到300～400Pa，炉体内部设有料棒1，料棒1在外部设有水冷铜型2，水冷铜型2的外部设有感应线圈3，线圈3的匝数为2～4匝，所述料棒1包括上料棒1-1和底料1-2，在上料棒1-1和底料1-2送入线圈3的感应范围后，底料伸入铜型内50～70mm，线圈3通入单相交流电，电源施加功率为40～70KW，4～16分钟后，将上料棒1-1和底料1-2以1.4～80μm/s的速度向下运动，并使底料进入设置在其下方的结晶器9内即可。结晶器9的中心有内部水套式循环水冷却的移料杆即下抽拉杆11，下抽拉杆11与结晶器9底部动密封连接，在定向凝固时作向下运动，起到将凝固的合金坯锭移离水冷铜型2的热区部分18的作用；下抽拉杆11的上下运动依靠固定在底座12上的伺服电机13带动，电机13带动与其连接的螺纹杆14运动，螺纹杆14带动与其连接的同步杆15运动，再通过同步杆15带动下抽拉杆11上下运动；下抽拉杆11的下端与固定在底座16上的旋角电机17连接，通过旋角电机17调整靠模角度和靠模形状可带动下抽拉杆11做小角度转动。
水冷铜型2由紫铜圆锭经机械加工而成，内部通孔，内部通孔的直径为30mm，如图2所示，水冷铜型2为内外通缝式分瓣结构，相邻两瓣之间的缝隙34的宽度L为0.3-0.8mm，缝隙34中填充云母低电导率材料使得瓣与瓣之间电绝缘，但缝隙34不贯穿整个高度方向，从上到下延长到三分之二至四分之三处为止；二到四匝螺旋式内部通水冷却的薄壁纯铜管线圈3紧密缠绕在水冷铜型2的外表面，当线圈3内部通入由电源供给的不同频率的交变电流时，可以激发交变磁场，并通过水冷铜型分瓣壁向内部扩散，产生加工过程所需要的热区18，由于电源频率不同对热区的能量分布影响很大，本方法选择了20kHz、50kHz和100kHz三种频率中的一种；另外为了保证热区稳定，线圈3向铜型2的不分缝区域延伸半匝距离左右；薄壁纯铜管线圈3向外延伸的两并排连接头，通过螺母和密封胶垫圈固定到已经通过绝缘盘19固定到炉体4上的电极接头20上，线圈3和水冷铜型2安装时要保持垂直度要求，以保证与料棒1同心；上送料杆21固定在同步杆22上，同步杆22与电机23连接，从而在送料速度可调的数字式伺服电机23的带动下完成送料运动，为了保证上送料杆21在送料过程中不发生热变形，所述上送料杆21采用水套结构，上送料杆21与炉体4之间用动密封连接，电机23通过已经焊接到炉体上的支架24固定；工作时，首先将底料1-2送入水冷铜型2内，此时起始溶化料35已经与底料1-2熔接在一起形成了终料棒，溶化料35溶化后所形成的直径为25～28mm，再通过上送料杆21将上料棒1-1送入水冷铜型2内，进入铜管线圈3范围内，但与溶化料35留出适当间隙，上料棒1-1和底料1-2进入线圈3感应范围的时间为，底料1-2先于上料棒1-15～10分钟进入，底料伸入铜型内50～70mm；当铜管线圈3内通入电源的高频单相交流电后，在电磁感应作用下，通过分瓣水冷铜型2内部，会在原料棒1-1和底料1-2上产生焦耳热和电磁推力，从而形成上部熔化、下部磁力约束的效果，熔滴落在底料1-2的熔体上并被约束后热成形，保持4～16分钟后，上送料杆21、下抽拉杆11在电机的带动下向下运动，上送料杆21和下抽拉杆11向下运动的速度为1.4～80μm/s，上送料杆21的速度根据下抽拉杆11确定；熔体逐渐凝固，下抽拉杆11带动底料1-2向下运动进入结晶器9内保持温度梯度，从而获得良好的定向凝固组织；为改善成形过程的润滑性和减弱水冷铜型2的激冷性，在加工准备时，在内壁均匀涂敷熔剂材料，所用熔剂为二元熔剂或三元熔剂或四元熔剂，按重量百分比计，二元熔剂为CaO-70％、CaF₂-30％；三元熔剂为CaO-70％、CaF₂-10％、CaCl₂-20％；四元熔剂为CaO-70％、CaF₂-10％、CaCl₂-5％、MgCl₂-15％。参照图4，双向盲孔联结螺母25通过上螺纹，下销钉的方式将上送料杆21和上料棒1-1连接起来，即双向盲孔联结螺母25的上端与上送料杆21通过螺纹结构连接，在联结螺母25的侧面开孔25-1，孔25-1使测温的热电偶丝26能顺利通过，热电偶丝26引出端固定到接线盘27上并通过炉内补偿导线28和炉外导线29向外延伸并与测温装置联接；双向盲孔联结螺母25的下端通过销钉36与上料棒1-1连接，销钉36与螺母25、上料棒1-1都为松配合方式，这样可以保证上料棒1-1在进入水冷铜型2时具有足够的串动空间；炉体4的法兰口4-1为炉室抽真空和反充保护气体提供通道，抽真空过程由常规的真空系统完成；需要时，向炉体内充保护气体，保护气体由气体瓶供气；用于固定多路信号采集端子30的法兰盘31，采用密封胶圈密封并固定到炉体4上；本发明方法需要的所有水冷却系统都通过水管与水箱相连接，并通过水泵供水；炉体4的顶部有观察窗口32，内部夹持耐高温透明石英玻璃33可观察炉内加热情况。
本发明的工作原理包括电磁约束和定向凝固两个方面，在电磁约束方面，高频磁场将原料感应熔化，并形成驼峰，通过送料杆速度控制驼峰高度，增大功率使熔体过热度增大，且与铜型内壁接触面积减小，减小凝壳效应，使熔体处于稳定形态；在定向凝固方面，由于液态金属的超高强度冷却，形成大的温度梯度分布，电磁场搅拌使熔质分布均匀，电磁约束的软接触效应，使得侧向散热得到抑制，最后形成平界面的固液界面，最后获得水冷铜型的无污染定向凝固。
具体实施方式二：本实施方式为采用本发明方法对钛基合金实施定向凝固过程，合金成分为Ti-6wt％Al-4wt％V，这是一种通用钛合金，占目前工业钛合金使用量的90％以上，在速度为1mm/min，功率为48KW的条件下对这种合金施行定向凝固，对获得试样纵刨，打磨腐蚀后，整个刨面有三个大的柱状晶粒，凝固界面为平界面，可以获得定向凝固组织。定向凝固后的合金的抗拉强度变化不大，延伸率由8.2％提高到12.7％。
具体实施方式三：本实施方式为采用本发明方法对另一种钛基合金实施定向凝固过程，合金成分为Ti-36wt％Al合金，这是一种含高量铝的钛基金属间化合物材料，属于新型轻质耐高温结构材料，在航空发动机等高温部件中有着广泛的应用前景，在抽拉速度为0.2mm/min，功率为48KW时对这种化合物材料施行定向凝固，也可以获得定向凝固组织，说明在低出料速度情况下，可以获得具有凝固特征的定向凝固组织。抗拉强度由铸态的245MPa提高到287MPa，延伸率由0.1％提高到0.35％。
具体实施方式四：本实施方式为采用本发明方法对钛基合金实施定向凝固过程，合金成分为Ti-6wt％Al-4wt％V，这是一种通用钛合金，占目前工业钛合金使用量的90％以上，在速度为1mm/min，功率为56KW的条件下对这种合金施行定向凝固，对获得试样纵刨，打磨腐蚀后，整个刨面有三个大的柱状晶粒，凝固界面为平界面，可以获得定向凝固组织。定向凝固后的合金的抗拉强度变化不大，延伸率由8.2％提高到12.7％。
具体实施方式五：本实施方式为采用本发明方法对钛基合金实施定向凝固过程，合金成分为Ti-6wt％Al-4wt％V，这是一种通用钛合金，占目前工业钛合金使用量的90％以上，在速度为1mm/min，功率为66KW的条件下对这种合金施行定向凝固，对获得试样纵刨，打磨腐蚀后，整个刨面有三个大的柱状晶粒，凝固界面为平界面，可以获得定向凝固组织。定向凝固后的合金的抗拉强度变化不大，延伸率由8.2％提高到12.7％。