一种真空电弧重熔装置及其工艺 【技术领域】
本发明涉及一种真空电弧重熔(VAR)装置及其工艺。背景技术
真空电弧重熔是一种对偏析敏感合金受控凝固的工艺。在这种工艺中，将一根圆柱形的合金电极装到炉子的水冷铜坩埚中。炉子是抽成真空地，并在电极(阴极)和坩埚底部(阳极)的起弧材料之间点燃直流电弧。电弧加热起弧材料和电极尖端，并最终将两者都熔化。当电极尖端熔化时，熔化的金属滴到下面的坩埚中。在此工艺中保持了一个向下延伸到半凝固区的液态熔池，所述半凝固区是到完全凝固锭块的过渡区域。坩埚的直径大于电极的直径。因此，不断缩小的电极应向下朝着阳极熔池表面移动，以在电极尖端和熔池之间保持一个稳定的平均距离。从电极尖端到液态金属熔池表面的平均距离称为电极间隙(ge)。
由于冷却水从坩埚壁上带走热量，在坩埚壁附近的熔化金属发生凝固。在熔池表面附近紧贴坩埚壁的位置凝固了一层固体材料，称为“架状物”。在熔池表面下的一定距离，材料变得完全固化，产生了完全致密的合金锭块。在经过了足够长的时间后，逐渐形成了稳定状态，形成位于完全凝固的锭块基体上方的碗状熔化材料。
真空电弧重熔工艺将电极材料转化为具有微晶粒尺寸的锭块，并提高了其化学和物理均匀性。真空电弧重熔工艺尤其适用于熔化镍基“超合金”(例如718合金)。这些材料包含大量的活性元素。真空电弧重熔工艺可以减少其包含的气体，尤其是氢和氧，还可以减少非金属杂质、中心气孔和偏析现象。重熔合金的机械性能，如延伸性和疲劳强度，都得到了提高。
在真空电弧重熔工艺过程中，易挥发的污染物质，如锰、铝和铬被蒸发。这些元素的蒸气立刻在温度较低的表面上凝结，例如在坩埚壁上凝固材料的架状物上方。另外，由于电弧在电极表面周围运动，一些颗粒溅到熔池外的坩埚壁上，被冷凝的蒸气物质形成的表面所俘获。
在架状物形成过程中，高熔点贫溶质的材料是首先在冷凝的挥发物和覆盖在坩埚壁上的溅出物上凝固的液态金属。另外，随着熔化的进行，出现在液态金属池表面上的氧化物和氮化物杂质往往被推到熔池的侧边，并在架状物处冷凝到已凝固材料之中。
随着电极的熔化和液态金属注入坩埚内，锭块架状物在其底部熔化，而在顶部又形成新的架状物。如果熔化和架状物形成保持稳定状态，那么架状物就会逐渐地形成、熔化并随着熔池表面向上方运动。只要能保持稳定状态，架状物就充当了冷凝的熔化溅出物和在坩埚壁上冷凝的蒸气物质之间的阻碍物。然而如果不能保持稳定状态，架状物就变得不稳定，脱落并掉入熔池中，沿蒸气物质表面、溅出物和高熔点贫溶质的材料移动。这样，在锭块中会出现贫溶质材料的闪亮的“白点”。如果有氧化物伴随贫溶质的材料，那么贫溶质的材料就以“脏白点”的形式出现。这些贫溶质材料和氧化物出现的区域是早期开裂的产生地，导致这种材料制成的零件寿命减短。
这就需要一种真空电弧重熔炉及其工艺，其可以避免熔化材料被溅出物和氧化物污染。发明内容
本发明提供了一种真空电弧重熔炉及其工艺，可以通过稳定锭块架状物来防止其突然断裂，从而避免污染。这种真空电弧重熔工艺在一种新设计的装置中进行，所述装置特征在于，坩埚壁上有一固定区域，使架状物不会变得不稳定。所述真空电弧重熔装置包括一炉腔，所述炉腔内有一由重熔材料制成的自耗电极和一坩埚。所述坩埚有壁，形成收集自耗电极中产生的熔化材料的容器。坩埚壁上有纹路，增加了其表面面积以及凝固的熔化材料的机械稳定性。
所述真空电弧重熔工艺包括将自耗电极装入炉腔中的冷却坩埚上方，所述坩埚包括刻有纹路的坩埚壁，形成了收集自耗电极中产生的熔化材料的容器。所述工艺包括在电极和坩埚底部之间加一直流电，使得电极尖端的材料被熔化。从电极尖端熔化的材料滴入坩埚中聚集，冷却形成锭块。其特征在于，凝固材料形成的架状物位于坩埚的有纹路的坩埚壁的附近，并处于凝固材料的下边界的上方。附图说明
图1是真空电弧重熔炉的剖视示意图；
图2是炉的坩埚壁和凝固锭块的断面示意图；
图3是有槽的坩埚壁的顶视图；
图4是有槽的坩埚壁和一部分凝固锭块的断面顶视图；
图5是有槽的坩埚壁的一部分的断面正视图；
图6是坩埚整个圆周的顶视图；
图7是具有纹路的坩埚壁和凝固锭块的断面示意图；
图8是带有锯齿状棱的试验图案的锭块表面的照片；
图9，10，11，12是刻有其他形状纹路的坩埚壁的示意图。具体实施方式
根据本发明，真空电弧重熔工艺的坩埚壁上刻有纹路，增加了其表面面积，当架状物在其底部熔化而在顶部形成时，具有纹路的坩埚壁可以增加架状物的机械稳定性。纹路表面是一不平或紊乱的表面，相比平面其表面面积增加。此表面可以刻有如图所示的槽，或图案，或是有交替的脊和筋的波纹。表面特征可以是凹槽、褶、例如槽或凹痕的压痕，或者表面形成有犁沟、波纹或脊。
从附图和随后的具体讨论中可以很清楚地了解这些和其他特征，所述特征以实例进行介绍，但并不限于本发明优选实施例中的描述。
图1是真空电弧重熔炉10的剖视示意图，图2是炉的坩埚壁38和一部分凝固锭块的断面示意图。在图1和图2中，一个圆柱形的合金电极12被装入炉腔14的水冷铜坩埚16的上方。炉10包括直流电源18，抽真空口20，冷却水导管22，凸轮驱动螺杆24和凸轮驱动电机组件26。
参考图1和图2，在真空电弧重熔炉的操作过程中，炉腔14先被抽成真空，在电极(阴极)和坩埚16的底部(阳极)的起弧材料(例如金属片)之间点燃直流电弧。电弧加热起弧材料和电极尖端28，并最终将两者都熔化。当电极尖端28熔化时，被熔化的金属滴到下面的坩埚中并形成一熔池30。由于坩埚直径一般比电极直径大50到150毫米，因此电极可以向下朝着阳极熔池运动，从而在电极尖端28和熔池表面32之间保持一个平均距离。
由于冷却水36从坩埚壁38上带走热量，在坩埚壁附近的熔化金属发生凝固。在熔池表面下的一定距离，材料完全凝固，产生了完全致密的锭块40。在经过了一段时间后，逐渐形成了稳定状态，此时的特征是在完全凝固的锭块基体上方有一碗状的熔化材料。锭块40随着更多材料凝固而变得更大。
随着熔化的进行，出现在电极上的氧化物和氮化物漂移到熔池30的表面32中。所述氧化物和氮化物通常被推到熔池30的边上，并在架状物42处凝固成固体材料。所述架状物包括位于熔池表面32正下方的熔化界面上已凝固材料。在架状物42的正上方，溅出物和蒸气物质冷凝并形成了一硬壳似的边，称为冠顶44。
在熔化过程中，有些情况下架状物42或冠顶44会从坩埚壁38上脱落下来。架状物42坍塌，架状物上的材料和冠顶上的材料都掉入熔池30中。这些材料可沉入熔池中并被再次熔化，而留下的冠顶中的氧化物和氮化物材料成为聚集的缺陷。或者，如果架状物的质量很大，它可能只被部分地重熔，因此，凝固时还带有氧化物和氮化物。
图3，4，5，6，7显示了根据本发明的具有纹路表面52的坩埚壁38。图3是有槽的坩埚壁38的顶视示意图，图4是炉的坩埚壁38、有纹路的坩埚壁表面52和凝固锭块40的断面示意图，图5是有槽的坩埚壁38的一部分的正视图，图6是坩埚整个圆周的顶视图，其中纹路表面52上有垂直槽46，图7是坩埚16的断面示意图，其中纹路表面52上有垂直槽46。在这些图中，坩埚壁38上刻有纹路，使得在架状物和下面的锭块之间凝固了一个或多个支撑带。架状物在其底部熔化和顶部形成时，所述支撑带就为架状物提供了机械稳定。锭块上具有纹路的凝固表面与具有纹路的坩埚壁表面的互补，可以对架状物起支撑和机械稳定的作用。纹路表面52由于增大了水冷铜壁和液态金属池之间的接触面积，因此也提高了形成的架状物的冷却性能。架状物的冷却性能提高，增加了架状物的厚度，增强并进一步稳定了架状物。这种较厚、有支撑且更稳定的架状物能阻止架状物的突然断裂及随后污染凝固的锭块。
图3，4，5，6，7显示了有槽46的坩埚壁38，所述槽包括斜侧面48和平底面50，所述侧面和底面都位于否则是平面的坩埚壁表面52上。选择槽46的形状、深度和间距，可以使其容易被液态金属填充，凝固成筋状，并在架状物底部熔化和顶部形成时，所述槽不会完全重熔。
槽46可以从正交于槽基体的垂直线向外偏一角度，槽的拐角可做成圆角，使得槽可以容易地被充满，而且在锭块凝固后锭块可以容易地从坩埚上脱离。槽46的角度最大可与垂直线成60度，较理想是5到30度，最好在10到20度。
对于任何形状的纹路，应将尖角修圆，以使锭块的脱离更容易，而且避免所得的锭块上有尖角。可以用从圆角圆弧的里面测出的圆角半径来表示所测的圆角。圆角半径在一个较宽的范围内都可被接受，最大可到槽宽的二分之一，较理想是槽宽的八分之一到二分之一左右，最好是槽宽的四分之一到二分之一左右。
所述槽的形状可以是矩形、梯形或半圆形。所有能容易充满且在锭块40完全凝固后可以使锭块从坩埚16上脱离的形状都可以接受。槽深可在八分之一到四分之三英寸，最佳范围为四分之一到二分之一英寸左右。典型的槽宽应在八分之一到二英寸左右，最佳范围为四分之一到二分之一英寸。在多数情况下，槽宽随坩埚的尺寸而变化。槽深或槽宽在坩埚圆周上所占的比例应在0.001到0.05左右，较理想是0.002到0.04左右，最好是0.006到0.02左右。内圆周上每英寸内槽的出现频率可在0.1到5左右，较理想是0.3到4左右，最好是0.5到3左右。
图3，4，5，6和7显示了一优选实施例，其中坩埚壁38上刻有梯形槽46。其他形状从矩形到半圆形都可以使用。例如，所有能容易充满且在锭块40完全凝固后可以使锭块从坩埚16上脱离的形状都可以接受。
从图8和随后的具体讨论中可以很清楚地了解这些和其他特征。所述特征以实例进行介绍，但并不局限于本发明所描述的优选实施例。
图8是使用本发明的优选实例作为例子，在标准商用真空电弧重熔熔化情况下，一小片试验的超合金718(大致含镍，19％铬，18％铁，5％铌，3％钼，1％钛和0.6％铝)的凝固锭块表面的照片。在此例中，将一个标准商用级、直径为20英寸的真空电弧重熔坩埚的上部改造为二个90度圆弧纹路壁试验部分，这二个纹路壁试验部分被二个90度圆弧光滑壁比较部分隔开。
坩埚壁的纹路是一系列的垂直槽，槽深约为四分之一英寸，槽宽约为四分之一英寸，间距为坩埚壁内圆周上每二分之一英寸上分布一个槽。选择这样的深度和宽度是为了在坩埚中的液态金属上升时，凝固在槽中的筋不会重熔。选择这样的内圆周面上槽位的数量是使重熔的架状物刚性稳定性增加。槽的侧壁从正交于槽基体的垂直线向外偏14度左右的角度，槽的拐角做成圆角，使得槽可以容易地被液态金属充满，而且在锭块凝固后锭块可以容易地从坩埚上脱离。
在此工艺的模制过程中可以观察到产生了稳定的架状物。与无纹路壁的炉中所得的锭块相比，图8中所示718合金锭块的特点是白点和脏白点的程度都得到了减轻。
虽然这里描述的是本发明的一个优选实施例，但本发明可以进行变化和修改，因此并不局限于实例中的具体情况。例如，本发明可以连同模制任何合适材料的工艺一起使用，比如高合金铁基钢，或高合金钛，如钛17(含钛，5％铝，4％铬，4％钼，2％锡，2％锆)。图9，10，11，和12显示了纹路壁表面52的其他例子。图9显示了具有裂隙56和尖点58的纹路，图10显示了具有尖点58和平底面50的纹路，图11显示了具有裂隙56和平顶面60的纹路，图11显示了具有裂隙56和平顶面60的纹路，而图12显示了另一优选结构，其具有修圆的起伏形状62。本发明包括了在随后的权利要求范围内的所有变化和修动。