高潔凈度的鈦鋁金屬間化合物和高純度鈦合金的感應熔鑄方法與流程

本發明屬于有色金屬熔煉澆鑄領域，特別屬于鈦鋁金屬間化合物和鈦及鈦合金感應熔煉澆鑄技術領域。

背景技術：

鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性、低密度（4.3至4.6g/cm³）、高比強度，可以在500℃以下長期工作，廣泛應用于航空航天、化工、醫療等諸多方面；鈦鋁金屬間化合物密度約3.76至5.8g/cm³,可長期耐600至900℃高溫,并保持較高的強度，是制作某些航空航天結構件以及地面動力系統轉動或往復運動結構件的優異材料，能夠實現推力重量比值和燃油效率的大幅度提高，可廣泛應用于內燃機渦輪增壓器渦輪和工業燃氣輪機葉片方面。經世界各國近70年研究，鑄造為鈦及鈦合金、鈦鋁金屬間化合物復雜結構件的最經濟的制造工藝。由于該類合金或金屬間化合物含鈦量高，其高溫熔體活性大，熔煉控制難度大。目前，有三種主要熔煉方法，其一，真空電弧凝殼熔煉；其二，高能束（等離子或電子）冷床熔煉；其三，感應冷坩堝熔煉。以上方法中，為防止活性金屬鈦與熔煉容器反應，都采用了通冷卻水的銅制容器（冷坩堝或冷床），并在真空或惰性氣體空間中進行熔煉操作。

專利 CN 104646647A介紹了一種采用陶瓷坩堝的鈦基合金感應熔煉底漏式真空吸鑄設備及其控制方法，CN1699907A介紹了一種鈦及鈦合金熔煉用的坩堝內襯，專利CN1699906A介紹了一種鈦及鈦合金熔煉用復合坩堝，專利CN1583670A介紹了一種鈦及鈦合金熔煉坩堝材料，但這些專利在實踐中均無法避免間隙元素（O、N等）增加的問題。以上方法所用氧化物、氮化物或其組合制造的陶瓷坩堝，一般原料為高惰性的氧化釔、氧化鋯、氧化鈣、氮化硼等，無法避免活潑鈦金屬熔體與坩堝組成材料反應，造成間隙元素含量增加，澆鑄合金韌性變差，導致該類方法無法進行高韌性鈦鋁金屬間化合物或高純度鈦合金的熔煉澆鑄。

冷坩堝懸浮或冷床熔煉是滿足低間隙元素，高韌性鈦鋁金屬間化合物或高純度鈦合金的有效方法，但該類方法存在能耗高，設備安全性要求高等問題。國外有一些專利做了減少銅制水冷容器的嘗試，如U.S. Patent 5033948介紹了無坩堝感應熔煉，但該方法存在感應加熱融化激冷底座，引起合金成分失控偏離及設備損壞的問題。U.S. Patent 5033948介紹的無坩堝感應熔煉，感應線圈在爐體外部，導致效率降低，并要求爐體必須采用感應磁場可透過的材料制造，實踐難度大。U.S. Patent 5275229介紹的磁懸浮熔體處理裝置采用了螺旋軸線垂直和水平成環的雙線圈結構，并設計了復雜的坩堝底旋轉機構，加工要求高，制造難度大。

目前，缺乏高潔凈度鈦鋁金屬間化合物或高純度鈦合金的高效熔煉方法。本發明對鈦鋁金屬間化合物和鈦合金高潔凈度熔體、高能效熔煉澆鑄的存在的問題進行了解決。

技術實現要素：

本發明設計了一種新型的高溫活波金屬熔煉澆鑄方法，以鈦鋁金屬間化合物和鈦合金為例，但其適用范圍不限于鈦、鈦合金、鈦鋁金屬間化合物，還不止包含鋯、鋯合金、鉿及其合金等。可滿足該類型合金低間隙元素要求的熔煉澆鑄。

本發明方法的技術方案如下：采用熔煉室與鑄型室分開的結構和底漏式澆鑄方式，進行高溫活潑金屬的熔煉澆鑄。熔煉室內置可移動感應線圈，選取適當的頻率，自上而下融化金屬錠；通過帶坩堝（或矮坩堝）或無坩堝的真空感應熔煉裝置，設置支撐環隔離金屬與坩堝（或矮坩堝）底部或支撐底座（無坩堝時）的接觸，防止坩堝材料污染金屬并減少無益于金屬融化的熱傳遞以提高系統能效。

爐體與真空泵組組成真空系統，真空系統可以將爐膛內壓力控制在0.1Pa至10Pa之間。感應電源通過水冷電纜引入熔煉室，進入熔煉室后，通過柔性電纜與熔煉室內壁連接，并可在垂直方向上下移動，該移動可手動或自動控制進行。熔煉室內部所有電纜均采取耐高溫絕緣措施，防止金屬飛濺以及真空環境下通電金屬間產生電弧造成損傷。熔煉室可以充入適當壓力的惰性氣體，以減少熔煉金屬中易燒損元素的損失，維護合金元素準確穩定。熔煉室惰性氣體充填壓力可以手動或自動控制并能夠維持在設定范圍。鑄型室底部具有離心盤，可進行離心鑄造，離心旋轉轉速可調、方向可調。熔煉室底漏中心孔與鑄型室離心盤中心處于同一垂直線上，方便離心澆鑄。方案總體結構圖見圖1。

方案細節之一：感應線圈選用適當的直徑和高度，以熔煉適當重量的合金用于澆鑄。

方案細節之二：感應線圈可上下移動，移動距離涵蓋整個金屬柱高度，移動裝置為L型懸臂結構，移動裝置驅動力來自手動、液壓、氣動或電力驅動即伺服或步進電機通過絲杠光杠帶動線圈移動。

方案細節之三：金屬隔離環采用與熔化合金料同材質或近似材質制造，但形式并不限于單獨成環的結構；包括在金屬棒料下部開洞形成凹坑一體隔離結構等諸如此類可起到隔離的作用的結構。該細節解釋圖見圖2。

方案細節之四：熔煉室和鑄型室之間設置閘板閥，進行腔室分離。

方案細節之五：底漏式支座或坩堝結構，可采用A，支撐底座，帶水冷或不帶水冷的；B，支撐底座，帶水冷或不帶水冷的，具有外加環狀保護結構；C、矮坩堝；D，全坩堝；E以上A、B、C、D的兩種或以上整體或部分組合，支撐座帶水冷或不帶水冷可分別組合。圖3對此進行了有限例舉。

附圖說明

附圖作為說明書的一部分，與具體實施方式共同提供對本發明的解釋，絕無對本發明范圍限制或縮小的含義。本發明共有三個圖解釋對其解釋，方便正確理解，分別是：圖1，整體結構圖；圖2，金屬隔離支撐環結構圖；圖3，支撐底座及坩堝結構。

圖1整體結構圖各部位的名稱分別是：101、熔煉室；102、水冷感應電纜接口；103、柔性水冷防飛濺電纜；104、水冷爐體；105、金屬錠；106、金屬隔離支撐環或類似結構；107、底漏孔；108、鑄型承載離心系統；109、鑄型；110、鑄型承載填料；111、鑄型室；112、閘板閥；113、支撐底座或坩堝；114、感應線圈支架；115、感應線圈；116、感應線圈移動機構；117、過濾網；118、真空系統接口法蘭；119、窺鏡；120、感應線圈動驅動設施。

圖2金屬隔離支撐環或類似結構圖各圖名稱分別是：21、大徑隔離支撐環；22、等徑隔離支撐環；23、等效隔離支撐結構（平底）；24、等效隔離支撐結構（錐底）；25、等效隔離支撐結構（曲面底）。其中，201、金屬錠；202、隔離支撐環；203、帶隔離支撐結構的金屬錠。

圖3支撐底座及坩堝結構各圖名稱分別是：31、水冷支撐座；32、非水冷支撐座；33、冷卻防護環；34、非冷卻防護環；35、半高坩堝；36全高坩堝。其中，301、金屬錠；302、隔離支撐環或類似結構；303、冷卻水；304、底漏孔。

以圖1為基礎與圖2、圖3的任意部分的任意組合，均在本發明涵蓋范圍之內。

具體實施方式

具體實施方式示例為對本發明的舉例闡述，無限制或縮小發明范圍的含義。

具體實施方式一：以圖1之整體結構，圖2之21大徑隔離支撐環結構，圖3之31水冷支撐座結構，真空系統用大小羅茨泵及螺桿泵，配備10至20KW的感應電源，實現1Kg TA2純鈦合金錠融化澆鑄，1Kg TC4鈦合金熔煉澆鑄，及約0.7Kg Ti-48Al-2Cr-2Nb金屬間化合物熔煉澆鑄。以上熔煉中，裝爐合金錠尺寸介于Φ40至120mm，長度50至200mm，熔煉澆鑄后鑄件成分均勻，其中TA2、TC4合金間隙元素增量低于電弧熔煉方式。

具體實施方式二：以圖1之整體結構，圖2之23等效隔離支撐結構（平底），圖3之32非水冷支撐座及35半高坩堝，真空系統采用真空包連通熔煉熔煉室（101）和鑄型室（111），配備20至40Kw感應電源，實現1.7Kg TC4鈦合金熔煉澆鑄，約1.3Kg Ti-48Al-2Cr-2Nb金屬間化合物熔煉澆鑄。其裝爐金屬錠尺寸介于Φ55至150mm，長度介于120至260mm之間（含等效支撐結構部分）。