一种钛合金真空自耗电弧熔炼细化晶粒的装置及方法

摘要

本发明属于金属熔体处理领域，具体涉及一种利用超声振动进行钛合金的真空自耗电弧熔炼晶粒细化的装置及方法。本发明选用超声波振动的方式实现，在真空自耗电弧熔炼的坩埚底部加入超声振动发生装置，采用与熔体材质相同的钛合金作为导波材料，保证熔体不受污染，且可以更好的传播超声波能量，在熔炼过程中，根据熔炼时间以及熔池形状等因素设置不同的振动参数，通过超声振动在熔体中的传播，造成熔体流动场、压力场及温度场的变化，从而产生一些特殊效果，达到细化晶粒的目的。本发明通过振动技术实现晶粒细化、减轻偏析、去除夹杂，从而达到改善钛合金铸锭微观组织的目的。

权利要求

1.一种钛合金真空自耗电弧熔炼细化晶粒的装置，其特征在于，在真空自耗炉的坩埚底部装入超声振动发生装置或机械振动装置，超声振动发生装置包括超声波换能器、预制导波块和超声波发生器，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，预制导波块放置在坩埚底垫上，形状为带杆状的圆饼状，圆饼直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm，杆状穿过坩埚底垫中心孔，与超声波换能器连接，预制导波块与坩埚底垫中心孔之间塞入密封圈，超声波换能器安装在坩埚底部的支撑筒体内并固定密封，超声波发生器安装于真空自耗炉外部位置，通过导线连接超声波换能器；机械振动装置包括机械振动电机、预制导波块和机械振动控制器，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，预制导波块放置在坩埚底垫上，形状为带杆状的圆饼状，圆饼直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm，杆状穿过坩埚底垫中心孔，与机械振动电机连接，预制导波块与坩埚底垫中心孔之间塞入密封圈，机械振动电机安装在坩埚底部的支撑筒体内并固定密封，机械振动控制器安装于真空自耗炉外部位置，通过导线连接机械振动电机；进行钛合金真空自耗电弧熔炼时，操作步骤如下：(1)按照上述装置的连接方式将装置安装后，将坩埚吊装入坩埚水套，在坩埚水套通入循环冷却水，开始真空自耗电弧焊接和熔炼；

(2)熔炼起弧后，当采用超声振动发生装置时，

待坩埚底部形成金属熔池，开启超声波发生器，超声波频率为20kHz，超声波发生功率为600W，随着熔炼的进行增大超声波功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加10W的速率进行，直到熔炼停弧；

当采用机械振动装置时，待坩埚底部形成金属熔池，开启机械振动控制器，振动功率为

500W，随着熔炼的进行增大振动功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加5W的速率进行，直到熔炼停弧；

(3)停弧后冷却后出炉，将预制导波块与换能器连接处拆除，此时预制导波块与熔体熔为一个铸锭，将预制导波块部分切除。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金真空自耗电弧熔炼细化晶粒的装置，其特征在于，所述预制导波块直接与超声波换能器通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金真空自耗电弧熔炼细化晶粒的装置，其特征在于，所述预制导波块与坩埚底垫的孔之间塞入2个密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金真空自耗电弧熔炼细化晶粒的装置，其特征在于，在坩埚底垫下部安装一套支撑架或者支撑筒体，将超声波发生装置固定在支撑架中。

说明书

一种钛合金真空自耗电弧熔炼细化晶粒的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属熔体处理领域，具体涉及一种利用超声振动进行钛合金的真空自耗电弧熔炼晶粒细化的装置及方法。

背景技术

[0002] 钛合金以其比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能在航空航天、汽车工业、生物医药、石油化工等领域有广泛应用，钛合金的熔炼方法主要有真空自耗电弧熔炼法、非自耗电弧熔炼法、冷坩埚熔炼法、电渣熔炼法及电子束冷床炉熔炼法等，真空自耗电弧熔炼法有成本低、可生产大尺寸铸锭等优点，成为生产钛合金铸锭的主要方法，但其生产的钛合金铸锭存在成分偏析、凝固组织不均匀等缺陷，为获得质量良好的铸锭，人们研究各种改善组织、细化晶粒的方法，如改善调节熔炼电流、熔炼电压、搅拌磁场、熔速等控制参数，但是通过改善熔炼控制参数的方法，只能部分改善铸锭的凝固组织，当熔炼铸锭对组织质量要求较高时，如熔炼TiAl合金，其要求凝固组织晶粒更加细小均匀，此时仅通过改善熔炼控制参数来改善组织并不能完全满足铸锭对组织性能的要求，因此一种细化晶粒的振动技术应运而生。

[0003] 迄今为止，振动技术在金属凝固领域引起越来越广泛的重视，其在晶粒细化、除气、增加铸件组织均匀性和减少缩松等方面的研究都取得了较大进展，但是在真空自耗电弧炉熔炼过程中引入振动技术在国内外未见有相关研究。

发明内容

[0004] 本发明目的在于提供一种利用超声振动处理金属熔体的装置，通过在钛合金的真空自耗电弧熔炼中细化晶粒解决出现的偏析等组织缺陷的问题。

[0005] 本发明的技术解决方案是，

[0006] 在真空自耗炉的坩埚底部装入超声振动发生装置或机械振动装置，超声振动发生装置包括超声波换能器、预制导波块和超声波发生器，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，预制导波块放置在坩埚底垫上，形状为带杆状的圆饼状，圆饼直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm，杆状穿过坩埚底垫中心孔，与超声波换能器连接，预制导波块与坩埚底垫中心孔之间塞入密封圈，超声波换能器安装在坩埚底部的支撑筒体内并固定密封，超声波发生器安装于真空自耗炉外部位置，通过导线连接超声波换能器；机械振动装置包括机械振动电机、预制导波块和机械振动控制器，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，预制导波块放置在坩埚底垫上，形状为带杆状的圆饼状，圆饼直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm，杆状穿过坩埚底垫中心孔，与机械振动电机连接，预制导波块与坩埚底垫中心孔之间塞入密封圈，机械振动电机安装在坩埚底部的支撑筒体内并固定密封，机械振动控制器安装于真空自耗炉外部位置，通过导线连接机械振动电机；进行钛合金真空自耗电弧熔炼时，操作步骤如下：

[0007] (1)按照所述结构将装置安装后，将坩埚吊装入坩埚水套，在坩埚水套通入循环冷却水，开始真空自耗电弧焊接和熔炼；

[0008] (2)熔炼起弧后，当采用超声振动发生装置时，待坩埚底部形成金属熔池，开启超声波发生器，超声波频率为20kHz，超声波发生功率为600W，随着熔炼的进行增大超声波功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加10W的速率进行，直到熔炼停弧；

[0009] 当采用机械振动装置时，待坩埚底部形成金属熔池，开启机械振动控制器，振动功率为500W，随着熔炼的进行增大振动功率，按照熔池高度每增加10mm，功率增加5W的速率进行，直到熔炼停弧；

[0010] (3)停弧后冷却后出炉，将预制导波块与换能器连接处拆除，此时预制导波块与熔体熔为一个铸锭，将预制导波块部分切除。

[0011] 所述预制导波块直接与超声波换能器通过螺栓连接。

[0012] 所述预制导波块与坩埚底垫的孔之间塞入2个密封圈。

[0013] 在坩埚底垫下部安装一套支撑架或者支撑筒体，将超声波发生装置固定在支撑架中。

[0014] 本发明具有的优点和有益效果：

[0015] 当采用超声振动发生装置时，

[0016] 1)超声波在金属熔体中传播，使熔体原子受到周期性交变声场的作用，在声波的稀疏相内，熔体受到拉应力，若声压值足够大，则熔体被拉裂而形成空化泡，在随后来临的声波正压相内，这些空化泡将以极高的速度闭合或崩溃，从而在液体内产生瞬时的局部高温高压，这种局部高压在传播时会形成瞬间的高压冲击波，足以影响流体中的热力学平衡，也就是超声波的空化效应。

[0017] 2)超声在金属熔体中传播时，熔体做激烈而快速地变化的机械运动，这种机械能量的传播对熔体凝固过程晶粒的细化作用产生很大效果。

[0018] 3)声空化及力学机制会引起熔体中流动场、压力场和温度场的变化，从而产生一些特殊的效果，对真空自耗熔炼铸锭的凝固过程、工艺特性和材料性能起到有益的作用。

[0019] 4)坩埚中金属熔体在整个超声波作用过程中慢慢冷却，可以使超声波在冷却过程中持续产生作用。

[0020] 当采用机械振动装置时，在铸锭中可以扩大等轴晶区域和使晶粒细化，1)由于振动产生的“粘性剪切”和上下冲刷作用，使已长大的枝晶被打断、碎裂，从而形成新的细小晶粒树枝晶。2)另一方面是由于振动所产生的搅动使在长大过程中树枝晶周围的液体造成了局部的温度起伏，从而有利于枝晶的熔断，导致新晶核的产生。3)液态金属的上下运动，增大了它的过冷度，有利于形成新的晶核。4)振动妨碍了树枝晶长大，和静置条件下相比，整个组织得到了细化。

[0021] 综上所述，超声振动和机械振动均使晶粒变细，去除熔体中的夹杂和气体，改善组织的均匀性，将其应用在钛合金的真空自耗熔炼中，可以防止铸锭的偏析，得到组织更好的铸锭。

附图说明

[0022] 附图1是真空自耗电弧熔炼利用超声波细化晶粒的装置示意图。

[0023] 图中：1辅助电极，2真空自耗电弧炉炉体，3电极，4坩埚，5熔体(铸锭)，6预制导波块，7坩埚底垫，8支撑架，9超声波换能器/机械振动电机，10超声波发生器/机械振动控制器。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明作详细说明。本发明提供一种真空自耗电弧熔炼过程晶粒细化的装置及方法，为使发明的目的和技术方案更加明确，结合附图和实施例对发明做进一步说明，应当理解，具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

[0025] 当采用超声振动发生装置时：

[0026] 所述的利用超声振动处理金属熔体的装置创新之处在于在真空自耗电弧炉中引入超声振动，且引入方式为下部引入，即在真空自耗电弧炉的坩埚底部引入。

[0027] 所述的利用超声振动处理金属熔体的装置结构如下：

[0028] 真空自耗电弧炉坩埚4、坩埚底垫7、超声波发生器10、超声波换能器9和预制导波块6。

[0029] 在坩埚底垫上装入预制导波块，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，形状为圆饼状，直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm且圆饼中心下部有一圆柱接头，圆柱接头穿过坩埚底垫与超声波换能器连接。

[0030] 将预制导波块直接与超声波换能器通过螺栓连接，以减少能量损失。

[0031] 由于熔炼时的坩埚环境为真空，在预制导波块与坩埚底垫的孔之间塞入2个密封圈，确保真空。

[0032] 在坩埚底垫下部安装一套支撑架或者支撑筒体，将超声振动发生装置固定在支撑架中，使装炉出炉过程中吊装坩埚更加方便。

[0033] 所述的利用超声振动进行钛合金的真空自耗电弧熔炼晶粒细化的方法包括如下步骤：

[0034] (1)将预制导波块装入坩埚底垫，在圆柱接头与底垫孔之间塞入密封圈；

[0035] (2)将预制导波块圆柱接头与超声波换能器紧密连接，减少超声能量损失，将超声波换能器做防水处理，并将其通过螺栓固定在底垫下部的支撑架中；

[0036] (3)将坩埚吊装入坩埚水套，在坩埚水套通入循环冷却水，开始真空自耗电弧焊接和熔炼；

[0037] (4)起弧后开启超声波控制器，超声振动随着预制导波块传递到金属熔体中，随着熔炼的进行调节超声波功率，达到更好的细化晶粒效果；

[0038] (5)停弧后冷却一段时间出炉，将预制导波块与换能器连接处拆除，此时预制导波块与熔体熔为一个铸锭。用带锯或线切割的办法，将预制导波块部分切除，切下后的铸锭为本发明的最终产品形式，切下的预制导波块可以重新加工利用。

[0039] 在真空自耗电弧炉底垫装入超声波发生装置。

[0040] 本发明选用的超声波发生器频率为20kHz，最大功率为3000W，且功率可连续调节，在熔炼过程中，由于坩埚中的钛合金熔体会随时间而升高，且随时间慢慢凝固，为了起到更好的细化晶粒效果，超声功率需随时间而改变。熔炼初期，即起弧阶段，电极块开始熔化，坩埚底部开始形成熔池，此时，由于坩埚底垫和坩埚壁的水冷作用，铸锭固液两相区较窄，偏析的程度较小，超声功率为600W；随熔炼的进行，固液两相区变宽，合金元素富集到液相区，偏析程度增大，超声功率为1200W，超声振动不但可以消除局部过热，而且可以根据其声空化效应等机制使晶粒细化；熔炼后期，底部的铸锭已经凝固成固相，此时的超声振动需穿透固相区作用到固液两相区及液相区，故超声功率为1800W。因为熔炼过程熔池随着时间而变化，功率的调节可以按照熔池高度每增加10mm，功率增加10W的速率进行，直到熔炼停弧。

[0041] 预制导波块材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，在起弧阶段，预制导波块上表面部分熔化，与熔炼钛合金熔为一体，这样在超声振动传播过程可以减少能量损失，使超声振动传播效率更高，对熔体的细化效果更明显，且不会对熔体造成污染。预制导波块为圆饼状，直径比坩埚内径小约3mm，厚度为30mm。

[0042] 将超声波换能器与预制导波块直接螺栓连接，减少超声波能量的损失，熔炼后预制导波块与铸锭结合为一体，取出铸锭时将预制导波块与超声波换能器连接处拆除，每次熔炼都消耗一个预制导波块，操作方便，节约工时。

[0043] 预制导波块与坩埚底垫的孔之间塞入2个密封圈，确保熔炼时坩埚中的真空环境，防止在熔炼过程中发生漏气。

[0044] 在坩埚底垫下部安装一套支撑架，将超声波换能器固定在支撑架中，不发生歪斜，确保在熔炼过程中超声振动的持续有效，并且方便在熔炼前后的装炉和出炉过程吊装坩埚。

[0045] 真空自耗电弧熔炼时，炉体和坩埚需用循环水进行冷却，坩埚放置在循环冷却水套中，超声波换能器所固定的支撑架也浸没在冷却水中，对超声波换能器做防水处理，避免装置进水失效。

[0046] 超声波换能器连接在超声波控制器上，超声波换能器发出的超声波频率由超声波控制器调节，超声波控制器放置在熔炼操作控制室。

[0047] 当采用机械振动装置时：

[0048] 所述的利用机械振动处理金属熔体的装置创新之处在于在真空自耗电弧炉中引入机械振动，且引入方式为下部引入，即在真空自耗电弧炉的坩埚底部引入。

[0049] 所述的利用机械振动处理金属熔体的装置结构如下：

[0050] 真空自耗电弧炉坩埚4、坩埚底垫7、机械振动控制器10、机械振动电机9和预制导波块6。

[0051] 在坩埚底垫上装入预制导波块，预制导波块的材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，形状为圆饼状，直径小于坩埚内径，厚度为15～50mm且圆饼中心下部有一圆柱接头，圆柱接头穿过坩埚底垫与机械振动电机连接。

[0052] 将预制导波块直接与机械振动电机通过螺栓连接，以减少能量损失。

[0053] 由于熔炼时的坩埚环境为真空，在预制导波块与坩埚底垫的孔之间塞入2个密封圈，确保真空。

[0054] 其特征在于，在坩埚底垫下部安装一套支撑架或者支撑筒体，将机械振动装置固定在支撑架中，使装炉出炉过程中吊装坩埚更加方便。

[0055] 所述的利用机械振动进行钛合金的真空自耗电弧熔炼晶粒细化的方法包括如下步骤：

[0056] (1)将预制导波块装入坩埚底垫，在圆柱接头与底垫孔之间塞入密封圈；

[0057] (2)将预制导波块圆柱接头与机械振动电机紧密连接，减少超声能量损失，将机械振动电机做防水处理，并将其通过螺栓固定在底垫下部的支撑架中；

[0058] (3)将坩埚吊装入坩埚水套，在坩埚水套通入循环冷却水，开始真空自耗电弧焊接和熔炼；

[0059] (4)起弧后开启机械振动控制器，机械振动随着预制导波块传递到金属熔体中，随着熔炼的进行调节振动功率，达到更好的细化晶粒效果；

[0060] (5)停弧后冷却一段时间出炉，将预制导波块与机械振动电机连接处拆除，此时预制导波块与熔体熔为一个铸锭。用带锯或线切割的办法，将预制导波块部分切除，切下后的铸锭为本发明的最终产品形式，切下的预制导波块可以重新加工利用。

[0061] 在真空自耗电弧炉底垫装入机械振动装置。

[0062] 本发明选用的机械振动电机最大功率为1500W，且功率可连续调节，在熔炼过程中，由于坩埚中的钛合金熔体会随时间而升高，且随时间慢慢凝固，为了起到更好的细化晶粒效果，振动功率需随时间而改变。熔炼初期，即起弧阶段，电极块开始熔化，坩埚底部开始形成熔池，此时，由于坩埚底垫和坩埚壁的水冷作用，铸锭固液两相区较窄，偏析的程度较小，振动功率为500W；随熔炼的进行，固液两相区变宽，合金元素富集到液相区，偏析程度增大，振动功率为800W，超声振动不但可以消除局部过热，而且可以根据其声空化效应等机制使晶粒细化；熔炼后期，底部的铸锭已经凝固成固相，此时的机械振动需穿透固相区作用到固液两相区及液相区，故振动功率为1000W。因为熔炼过程熔池随着时间而变化，功率的调节可以按照熔池高度每增加10mm，功率增加5W的速率进行，直到熔炼停弧。

[0063] 预制导波块材料选用与熔炼钛合金材质相同的材料，在起弧阶段，预制导波块上表面部分熔化，与熔炼钛合金熔为一体，这样在机械振动传播过程可以减少能量损失，使机械振动传播效率更高，对熔体的细化效果更明显，且不会对熔体造成污染。预制导波块为圆饼状，直径比坩埚内径小约3mm，厚度为30mm。

[0064] 将机械振动电机与预制导波块直接螺栓连接，减少超声波能量的损失，熔炼后预制导波块与铸锭结合为一体，取出铸锭时将预制导波块与机械振动电机连接处拆除，每次熔炼都消耗一个预制导波块，操作方便，节约工时。

[0065] 预制导波块与坩埚底垫的孔之间塞入2个密封圈，确保熔炼时坩埚中的真空环境，防止在熔炼过程中发生漏气。

[0066] 在坩埚底垫下部安装一套支撑架，将机械振动电机固定在支撑架中，不发生歪斜，确保在熔炼过程中超声振动的持续有效，并且方便在熔炼前后的装炉和出炉过程吊装坩埚。

[0067] 真空自耗电弧熔炼时，炉体和坩埚需用循环水进行冷却，坩埚放置在循环冷却水套中，机械振动电机所固定的支撑架也浸没在冷却水中，对超声波换能器做防水处理，避免装置进水失效。

[0068] 机械振动电机连接在超声波控制器上，机械振动电机功率由机械振动控制器调节，机械振动控制器放置在熔炼操作控制室。