专利名称：一种TiA1基合金板件的定向凝固方法
技术领域：
本发明涉及一种连续熔铸定向凝固方法。
背景技术：
现有的TiAl基合金定向凝固方法都是结合横截面为圆形的型腔进行熔铸加工，由于圆形型腔的冷坩埚在各个方向上磁感应强度分布以及金属熔化温度都是较为一致的，所以需要考虑的工艺条件相对来说比较简单，但对于比较复杂的矩形截面板件，通过现有的熔铸方法却无法实现熔铸，因为采用冷坩埚进行定向凝固首先面临的是合金的加热熔化和电磁力约束成形问题，对于在具有矩形截面的冷坩埚内进行的电磁熔化与约束成形，与以往的圆形截面冷坩埚相比无论是在磁感应强度的分布还是在成形和加热特性方面都有很大的不同，尤其是长宽比比较大的矩形截面铸锭，最明显的差别就是在铸锭的不同部位对电磁能量的吸收能力变的很复杂，坯料很难均匀熔化。对于矩形截面铸锭的冷坩埚电磁熔化、约束成形和定向凝固方法，目前还没有这方面的报道。本发明申请人曾申请过一种“钛基”合金的水冷电磁铜型定向凝固方法，公开号为CN1597184，但由于钛基合金与钛铝基合金成分上存在差异，合金的物理化学性质发生了很大变化，前者为无序化合金，而后者为有序金属间化合物，因此针对钛合金的定向凝固所采用的方法对于钛铝基合金是不适用的，而现有的公开文献并没有关于钛铝基合金大尺寸板件的定向凝固的报道。
发明内容
针对现有的定向凝固方法不适于板件的加工，同时现有的定向凝固方法不适于对TiAl基合金材质的加工问题，本发明提供一种可以得到性能优良铸锭的容电磁熔化、约束成形和定向凝固于一体的TiAl基合金板件的定向凝固方法，在具有电磁约束成形与定向凝固功能的电磁约束成形与定向凝固炉7内安装具有约束熔化合金和控制磁场分布功能的冷坩埚5，冷坩埚5的型腔5-1-1横截面为矩形，在冷坩埚5的外部固定有2～8匝感应线圈6，然后在冷坩埚5的型腔5-1-1内设有上端与上送料机构1固接的引锭4和下端与下抽拉机构2固接的TiAl基合金料棒3，所述TiAl基合金料棒3设置在引锭4的正上方，型腔5-1-1的宽W、长L、高H之间的比例为1∶2～6∶10～20，在冷坩埚5的坩埚本体5-1上开有可以保证坩埚内的磁场分布均匀的开缝5-6，将所述电磁约束成形与定向凝固炉7内抽真空到0.005～0.1Pa，然后反充氩气至2000～4000Pa，在TiAl基合金料棒3和矩形引锭4送入线圈6的磁场感应范围后，线圈6通入单相交流电，电源施加功率为75～100kW，停留20～25分钟后，TiAl基合金料棒3和矩形引锭4以0.01-0.05mm/min的速度向下运动，并使终料棒进入设置在其下方的结晶器8内即可。本发明针对TiAl基合金，通过实现电磁场下的连续熔化、成形，在与定向凝固技术结合的基础上，构成了连续定向凝固体系。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、约束成为具有矩形截面的坯件，并获得定向凝固组织，这些过程都是在对金属不会造成任何污染的冷坩埚中进行的，使用本发明的冷坩埚系统避免了传统模壳材料的污染，使铸锭中的氧、氮、氢等对性能不利的间隙元素含量大大降低，同时保证了所凝固合金的化学成分准确，使合金相的组成和晶粒组织分布均匀。通过控制温度梯度和抽拉速度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。本发明方法具有过程连续和流程短的特点，尤其是通过调整铸锭的不同部位对电磁能量的吸收能力从而控制坯料的均匀熔化，通过调整感应线圈的功率、频率来控制熔化后的液态金属在电磁推力作用下与坩埚内壁的软接触状态，当电磁推力与液态金属表面张力大于液态金属的静压力时会形成驼峰，通过尽量避免熔液在侧向上的散热情况下，控制熔液在轴向上形成一定的温度梯度从而获得定向凝固条件，本发明方法实现了液态下活泼的钛铝基合金的大尺寸异型坯锭的定向凝固，减少了产品加工缺陷，有利于提高合金的综合力学性能，特别是高温力学性能得到很大提高，并为具有优异性能的钛铝基合金零件的后续加工提供可靠的原料。为此本发明具有如下重要意义发展了针对TiAl基合金的优质、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，同时为研制更复杂形状零件的定向凝固方法奠定了基础。
图1是电磁约束成形与定向凝固炉整体结构示意图，图2是横截面为矩形的冷坩埚结构示意图，图3是图2的俯视图，图4是对开六直缝坩埚本体1的俯视图，图5是图4的I处放大示意图，图6是对开四斜缝两直缝坩埚本体1的俯视图，图7是图6的B-B剖视图，图8是图6的K处放大示意图，图9是对开四斜缝四直缝坩埚本体1的俯视图，图10是图9的C-C剖视图，图11是具体实施方式
六所述结构示意图，图12是具体实施方式
七所述结构示意图，图13是具体实施方式
三所述结构示意图，图14是在Ti50Al-4匝-0.05mm/min-80kW条件下所得产品图片，图15是在Ti50Al-6匝-0.05mm/min-85kw条件下所得产品图片，图16是在Ti50Al-4匝-0.08mm/min-90kW条件下所得产品图片，图17是在Ti45Al-4匝-0.05mm/min-90kw条件下所得产品图片，图18是在Ti43Al-4匝-0.05mm/min-90kW条件下所得产品图片，图19是在Ti43Al1.5Si1.5Mo-4匝-0.01mm/min-75kW条件下所得产品图片，图20是在Ti48Al2Cr2Nb-6匝-0.05mm/min-80kW条件下所得产品图片，图21是具体实施方式
四所述结构示意图，图22是图21的J处放大图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的TiAl基合金板件的定向凝固方法为，在具有电磁约束成形与定向凝固功能的电磁约束成形与定向凝固炉7内安装具有约束熔化合金和控制磁场分布功能的冷坩埚5，冷坩埚5的型腔5-1-1横截面为矩形，在冷坩埚5的外部固定有2～8匝感应线圈6，然后在冷坩埚5的型腔5-1-1内设有上端与上送料机构1固接的引锭4和下端与下抽拉机构2固接的TiAl基合金料棒3，所述TiAl基合金料棒3设置在引锭4的正上方，型腔5-1-1的宽W、长L、高H之间的比例为1∶2～6∶10～20，在冷坩埚5的坩埚本体5-1上开有可以保证坩埚内的磁场分布均匀的开缝5-6，通过以上方法得到的电磁约束成形与定向凝固炉7的具体结构为在电磁约束成形与定向凝固炉7内设有引锭4和位于引锭4正上方的TiAl基合金料棒3，引锭4的横截面为矩形，所述引锭4的下端与下抽拉机构2固接，TiAl基合金料棒3的上端与上送料机构1固接；在TiAl基合金料棒3和引锭4的外部设有型腔横截面为矩形的冷坩埚5，冷坩埚5的外部设有感应线圈6，线圈6为2～8匝；在冷坩埚5的下方设有结晶器8，所述抽拉机构2穿过结晶器8与矩形引锭4连接。
由于申请人的目的是在已申报的圆柱坯料冷坩埚电磁连铸与定向凝固技术基础上，继续实现钛合金尤其是钛铝基合金的大尺寸板形坯锭的定向凝固成形。通过研究发现，不同宽厚比板形件，随着宽厚比增大，相邻两边所受的电磁压力差越大，磁感应强度沿板件外部轮廓线上呈现出在直边部分低，而在角部逐渐升高的马鞍形分布趋势就会越明显。当宽厚比过大(＞3)时，在板件的拐角处总是难以形成提前预设的形状，这是磁场的邻近效应作用的结果，因此矩形冷坩埚的结构对于钛铝基合金板件的定向凝固起着决定性的作用，为此本发明充分比较研究了几种矩形冷坩埚的设计方案从而确定了以下的坩埚结构。
如图2、图3所示，具有约束熔化合金和控制磁场分布功能的冷坩埚5的结构为冷坩埚5的型腔5-1-1横截面为矩形，它包括带有盲孔5-1-3和出水孔5-1-4的坩埚本体5-1、分配进水管5-2-1、循环出水管、入水管5-3、出水管5-4和法兰5-5法兰5-5为双层，上层法兰5-5-1与入水管5-3连接，上层法兰5-5-1上设有插入到盲孔5-1-3内的分配进水管5-2-1；下层法兰5-5-2与出水管5-4连接，在下层法兰5-5-2上设有与出水孔5-1-4连接的循环出水管，坩埚本体5-1的型腔5-1-1为相邻两面呈圆角过渡且上小下大的四棱台，型腔5-1-1的宽W、长L、高H之间的比例为1∶2～6∶10～20，在所述坩埚本体5-1上开有从外表面5-1-2到型腔5-1-1贯通的开缝5-6，开缝5-6为六至十八条；型腔5-1-1的相邻两面间的过渡圆角半径R为4～10mm；坩埚型腔的长宽高比例对定向凝固起着至关重要的作用，坩埚各部分恰当的比例可以控制电磁约束力尽可能均匀的分布，尽可能使金属熔化温度一致；型腔为上小下大的四棱台可以使冷坩埚保证铸锭顺利的拉出，尽量使铸锭不与坩埚内壁接触从而避免材料的污染。冷坩埚在不开缝的情况下，由于坩埚壁的屏蔽作用，磁场很难进入到坩埚内部，坩埚开缝可以增加坩埚的透磁性。因而坩埚开缝的数目对于坩埚的设计具有至关重要的作用开缝越多，坩埚壁的透磁性越好，磁场能的利用率就越高，对于熔体的加热和约束成形越有利。理论上冷坩埚开缝越多，坩埚内部的磁感应强度越大，内部周向的磁场分布就会越均匀，因而在一定意义上可以说坩埚开缝数越多越好。但是当坩埚开缝达到一定的数目以后，再单纯的依靠增加开缝数来提高坩埚的透磁性，意义不是很明显，相反过多的开缝会导致坩埚整体强度的降低，以至于无法对熔体进行约束成形。开缝的数目还要考虑坩埚整体体积的大小，使每瓣有足够的空间安装冷却系统，保证坩埚在工作时不会因自身的感应加热而熔化。综合考虑各方面的因素，本发明最终确定开缝的数目为六至十八条，并且在使用的时候需要在开缝内填充绝缘材料，以保证冷坩埚分瓣式铜块彼此处于电绝缘状态，提高冷坩埚的电效率。
冷坩埚内型腔的过渡圆角半径也是影响矩形板料均匀熔化的重要因素。在圆角部位的加热能力与R0(圆角半径)的平方成正比，即q0=H024σδ4·R02,]]>由此可知R0越小感应加热功率越小角部越难以熔化，当R0小于电流透入深度δ时，角部的电流透入深度会明显增大，大于板件直边部分的电流透入深度，使感应电流经过的横截面A增大，使得电流密度J降低，于是加热能力就会降低；而当R0等于或大于电流透入深度δ时，角部的电流透入深度等于板件直边部分的电流透入深度，感应电流经过的横截面A不会增大，理论上的加热能力和直角部分相同，但由于角部散热能力较直边部分强，坯料仍难以均匀熔化。圆角形状产生的涡流流向也能明显改变试样表面电磁压力的分布，当圆角半径小于或接近集肤层厚度时，圆角与直边连接处形成一个电磁压力衰减区，会造成电磁压力在周向上分布不均匀，难以形成预期的形状。因而必须保证矩形冷坩埚的角部有一定的曲率，在电源频率为50kHz情况下，成形钛铝基合金的集肤层厚度为δ=1πfμσ=1π×50×103×1.25×10-6×1≈2.26mm]]>
根据以上分析情况，从而本实施方式确定型腔5-1-1的相邻两面间的过渡圆角半径R为4～10mm；本实施方式的工作过程如下参照图1，将“电磁约束成形与定向凝固炉”7通过螺栓安装在支撑框架11上，支撑框架11呈水平用地脚螺栓连接稳定地固定于地面之上；在电磁约束成形与定向凝固炉7内底部设有循环水通道12，循环水通道12将电磁约束成形与定向凝固炉7与入水管5-3连通，入水管5-3的另一端与冷坩埚5连通，从而将炉体7的水路与冷坩埚5的水路连通；通过入水管5-3和循环水通道12的连接，还可以对冷坩埚5起到支撑作用；内部通水冷却的结晶器8采用焊接方式固定在电磁约束成形与定向凝固炉7的底部居中位置，其底部伸向电磁约束成形与定向凝固炉7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镓铟锡三元合金(重量配比为60％Ga-25％In-15％Sn，熔点为10℃)实现的；将电磁约束成形与定向凝固炉7内抽真空到0.005～0.1Pa，然后反充氩气至2000～4000Pa，在TiAl基合金料棒3和矩形引锭4送入线圈6的磁场感应范围后，线圈6通入交流电，单相电源施加功率为75～100kW，停留20～25分钟后，TiAl基合金料棒3和矩形引锭4以0.01-0.05mm/min的速度向下运动，并使终料棒进入设置在其下方的结晶器8内即可。下抽拉机构2上的抽拉杆从结晶器8中穿过，引锭与抽拉杆连接，随抽拉杆移动进入镓铟锡三元合金中对连续凝固的坯锭冷却。
电磁连续铸造的实践表明，施加电磁场后，铸坯表面的粗糙度明显下降。这是因为电磁压力和感应热都随电流的加大而增加，因而使铸坯表面质量相应提高。但当磁场强度超过某一临界值时，将造成金属液面的波动，这种波动会导致铸坯表面缺陷。随着磁场频率的增加，这一临界值相应提高。
本实施方式的工作原理如下当感应线圈6内通入高频交变电流时，产生高频磁场，磁场通过开缝5-6进入坩埚内部与原料自身感应电流交互作用使原料熔化，熔化后的原料因重力作用与引锭结合在一起，液态原料会在电磁推力作用下与坩埚内壁出现软接触状态，当电磁推力与液态金属表面张力大于液态金属的静压力时会形成驼峰，且由于引锭底部的镓铟锡三元合金的强烈冷却作用，会沿轴向形成一定的温度梯度，在控制侧向散热的条件下获得定向凝固条件，调节上送料和下抽拉速度可进行连续铸造。炉体底部设有盛装镓铟合金液的结晶器8，下抽拉机构2上的抽拉杆从中穿过，引锭与抽拉杆连接，随抽拉杆移动进入镓铟锡三元合金中对连续凝固的样件冷却，由于镓铟锡三元合金的强冷可以在样件的纵向上形成很大的温度梯度，使液态金属不断的沿着该方向连续生长，最终长成定向组织。
具体实施方式
二可以保证坩埚内的磁场分布均匀的开缝5-6的结构为对开的六条直缝，或者为对开的四条斜缝和两条直缝，或者为对开的四条斜缝和四条直缝，在开缝内填充低电导率材料使得开缝两端电绝缘；所述开缝5-6的任一处横截面形状为靠近坩埚内侧的是两条宽度W1为0.1～0.5mm的平行直线5-6-1，其沿径向向外长度L1为2～4mm，该平行直线5-6-1通过直线5-6-2或弧线5-6-3过渡到坩埚本体5-1的外表面5-1-2上。经实验证实，所述开缝位置及开缝结构都可以很好的保证坩埚内的磁场分布均匀，使金属各位置的熔化温度一致，从而更好的实现合金材料的电磁约束与凝固过程。
具体实施方式
三本实施方式线圈6为单个线圈，本实施方式所述线圈6与功率为75～90kW的单相电源连接，型腔5-1-1的宽W、长L、高H之间的比例为1∶2.2～3.2∶10～15，其它与实施方式一相同的条件下，即可以得到长宽比为2～3的矩形坯料。控制单相电源的功率在这个范围内，可以使上送料熔化充分，并保持一定的过热度，在铸锭向下运动并约束成形时，具有足够的约束力，保证铸锭形状完整和获得定向凝固组织，由于本实施方式要求得到铸锭的长宽比较小，所以无需使用保温套10，参照图13。
具体实施方式
四本实施方式线圈6为单个线圈，使线圈6与功率为90～100kW的单相电源连接，型腔5-1-1的宽W、长L、高H之间的比例为1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩埚5与结晶器8之间设有双层钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套10，保温套10与冷坩埚5和结晶器8之间固定连接，所述感应线圈6通入单相交流电的频率为30～80kHz，其它与实施方式三相同的条件下，即可以得到长宽比为4～6的矩形坯料。控制单相电源的功率和坩埚比例在这个范围内，可以使上送料熔化充分，并保持一定的过热度即可获得定向凝固所需的温度梯度，在铸锭向下运动并约束成形时，具有足够的电磁约束力，保证铸锭形状完整和组织的定向凝固，由于本实施方式要求得到铸锭的长宽比较大，所以在矩形冷坩埚5与结晶器8之间设有双层钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套10，钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套10可以防止已凝固铸锭热量从侧面散失，从而更好的保证热量的轴向流动，使熔液在轴向上形成一定温度梯度从而获得性能优良的铸锭，参照图21、图22。
具体实施方式
五本实施方式的感应线圈6为双线圈，它包括上感应线圈6-1和下感应线圈6-2，上感应线圈6-1设置在TiAl基合金料棒3的外围，起到对TiAl基合金料棒3的熔化作用；下感应线圈6-2的位置与熔化后结合在引锭4上的合金相适应，它起到对熔化金属约束成形的作用；上感应线圈6-1为3～5匝，接通单相交流30～40kHz的电源，单相电源施加的功率为90～100kW；下感应线圈6-2为2～3匝，接通单相交流为70～80kHz的电源，单相电源施加功率为75～90kW。在加工过程中使用双感应线圈，通过控制各线圈的匝数以及使线圈与相适应功率和频率的电源连接，可以很好的提高熔化与约束成形效果。对不同磁场频率下铸坯质量的变化进行的研究结果表明，从工频到中频和高频，铸坯表面质量随磁场频率的增加而提高。交变电磁场在液态金属中感生的电磁压力是随磁场频率的提高而增加的。因此铸坯表面质量也相应提高。在磁场频率低的情况下，不仅电磁压力较小，而且金属液面的波动加剧，有恶化铸坯表面质量的倾向。磁场频率低则金属集肤层厚度大，产生的搅拌力大，反之约束力大。高频率电磁场下金属液驼峰的稳定性好，铸坯表面质量得到明显改善，所以应采用高频电磁场。但磁场频率过高使热损耗增大，磁场受到严重的屏蔽，能耗增加。最终本发明选择上感应线圈6-1与频率为30～40kHz电源连接，下感应线圈6-2与频率为70～80kHz的电源连接，保证了熔体具有一定的过热度，抑制了熔体过早生核结晶，从而提高了成形构件的表面质量，保证了定向凝固组织更好的实现。
具体实施方式
六本实施方式为使用双线圈对料棒进行熔铸。本实施方式需要得到长宽比为2～3的矩形坯料，经理论分析和大量试验得到，型腔5-1-1的宽W、长L、高H之间的比例为1∶2.2～3.2∶10～15，上感应线圈6-1为3匝，使上感应线圈6-1与功率为80～90kW的单相电源连接，下感应线圈6-2为2匝，与功率为75～80kW的单相电源连接即可，其它与具体实施方式
三相同。控制功率在这个范围内，可以使上送料熔化充分，并保持一定的过热度，获得了定向凝固所需的温度梯度，在铸锭向下运动并约束成形时，具有足够的电磁约束力，保证铸锭形状完整和组织的定向凝固，由于本实施方式要求得到铸锭的长宽比比较小，所以无需使用保温套10，参照图11。
具体实施方式
七本实施方式为使用双线圈对料棒进行熔铸。本实施方式需要得到长宽比为4～6的矩形坯料，经研究和大量试验得到，型腔5-1-1的宽W、长L、高H之间的比例为1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩埚5与结晶器8之间设有双层钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套10，保温套10与冷坩埚5和结晶器8之间固定连接。上感应线圈6-1为3匝，使上感应线圈6-1与功率为90～100kW的单相电源连接，下感应线圈6-2为3匝，与功率为80～90kW的单相电源连接即可，其它与具体实施方式
四相同。控制功率在所述范围内，可以使上送料熔化充分，并保持一定的过热度，获得定向凝固所需的温度梯度，在铸锭向下运动并约束成形时，具有足够的电磁约束力，保证铸锭形状完整和组织的定向凝固，在矩形冷坩埚5与结晶器8之间设有双层钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套10，钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套10可以防止已凝固铸锭热量从侧面散失，从而更好的保证热量的轴向流动，使熔液在轴向上形成一定温度梯度从而获得性能优良的铸锭，参照图12。
具体实施方式
八冷坩埚高度主要由固液界面的位置以及熔体的高度所决定，而固液界面的位置和熔体的高度主要与线圈的设计有关。根据发明人研究，用直径是6～12mm紫铜管绕制的高度为60mm左右的线圈可以支撑20～30mm高的钛铝基合金熔体，实验中发现最合理的固液界面位置接近线圈磁场最大处，即线圈的h/2(h为高度)左右，然后再考虑坩埚的强度和冷却系统的安装，因此本实施方式使用直径为10mm的线圈绕制4匝，高度为61～65mm，绕制在高度H2为110mm的坩埚本体5-1的外面，参照图2、图3、图4、图5，所述坩埚本体5-1型腔5-1-1上部截面积为48×12mm2、下部截面积为50×14mm2，型腔5-1-1相邻两面之间的过渡圆角半径R＝4mm；开缝5-6为对开的六条直缝，开缝5-6的任一处横截面形状为位于坩埚本体5-1外侧的开缝是上下底宽度W2、W3分别为2mm、8mm、沿径向向外长度L2为14mm的梯形，位于坩埚本体5-1内侧的开缝是宽度W1为0.3mm、沿径向向外长度L1为4mm的窄缝，两部分之间用半径R2＝10mm的圆角过渡；位于坩埚本体5-1上开缝的总体高度H3为70mm。法兰5为与坩埚本体5-1相配合的矩形，法兰5的直径φ1为20mm，坩埚本体5-1内盲孔5-1-3的直径φ2为8mm、深D为100mm，插入到盲孔5-1-3内的分配进水管5-2-1的直径φ3为6mm、长L3为90mm，与出水孔5-1-4连接的循环出水管2-2的直径为6mm，冷却水循环采用上进侧出的模式。经过以上尺寸的配合，可以计算出进水截面积、盲孔内存水截面积与出水截面积之比为1∶0.8∶1，这样冷坩埚的冷却水进入坩埚后在里面存积比较少，冷水的利用率比较高，在长时间工作的条件下，冷坩埚的升温会比较缓慢。
采用Ti50Al合金(本发明中合金成分均采用原子百分含量)，线圈与功率为80kW的单相电源连接，上送料机构与下抽拉机构以0.05mm/min的速度向下运动。所得产品图片如图14所示。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
八不同之处在于，使用直径为8mm的线圈绕制6匝，紧密环绕在高度H2为80mm的坩埚本体5-1外面，型腔5-1-1相邻两面之间的过渡圆角半径R＝9mm；开缝5-6为对开的四条斜缝和两条直缝，参照图6、图7、图8，开缝5-6的任一处横截面形状为靠近坩埚内侧的是两条宽度W1为0.2mm的平行直线5-6-1，其长度L1为2mm，该平行直线5-6-1通过弧线5-6-3过渡到坩埚本体5-1的外表面5-1-2上。采用Ti50Al合金，线圈与功率为85kW的单相电源连接，上送料机构与下抽拉机构以0.05mm/min的速度向下运动。所得产品图片如图15所示。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
八不同之处在于，坩埚本体5-1的高度H2设计为130mm，使用直径为12mm的线圈绕制4匝，型腔5-1-1相邻两面之间的过渡圆角半径R＝5mm；开缝5-6为对开的四条斜缝和四条直缝，参照图8、图9、图10，开缝5-6的任一处横截面形状为靠近坩埚内侧的是两条宽度W1为0.5mm的平行直线5-6-1，其长度L1为3mm，该平行直线5-6-1通过弧线5-6-3过渡到坩埚本体5-1的外表面5-1-2上。采用Ti50Al合金，线圈与功率为90kW的单相电源连接，上送料机构与下抽拉机构以0.08mm/min的速度向下运动。所得产品图片如图16所示。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
十不同之处在于，采用Ti45Al合金，4匝感应线圈，线圈与功率为90kW的单相电源连接，上送料机构与下抽拉机构以0.05mm/min的速度向下运动。所得产品图片如图17所示。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
十二不同之处在于，采用Ti43Al合金，4匝感应线圈，线圈与功率为90kW的单相电源连接，上送料机构与下抽拉机构以0.05mm/min的速度向下运动。所得产品图片如图18所示。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
十不同之处在于，采用Ti43Al1.5Si1.5Mo合金，4匝感应线圈，线圈与功率为75kW的单相电源连接，上送料机构与下抽拉机构以0.01mm/min的速度向下运动。所得产品图片如图19所示。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
十三不同之处在于，采用Ti48Al2Cr2Nb合金，6匝感应线圈，线圈与功率为80kW的单相电源连接，上送料机构与下抽拉机构以0.05mm/min的速度向下运动。所得产品图片如图20所示。
权利要求
1.一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于在具有电磁约束成形与定向凝固功能的电磁约束成形与定向凝固炉(7)内安装具有约束熔化合金和控制磁场分布功能的冷坩埚(5)，冷坩埚(5)的型腔(5-1-1)横截面为矩形，在冷坩埚(5)的外部固定有2～8匝感应线圈6，然后在冷坩埚(5)的型腔(5-1-1)内设有上端与上送料机构(1)固接的引锭(4)和下端与下抽拉机构(2)固接的TiAl基合金料棒(3)，所述TiAl基合金料棒(3)设置在引锭(4)的正上方，型腔(5-1-1)的宽(W)、长(L)、高(H)之间的比例为1∶2～6∶10～20，在冷坩埚(5)的坩埚本体(5-1)上开有可以保证坩埚内的磁场分布均匀的开缝(5-6)，将所述电磁约束成形与定向凝固炉(7)内抽真空到0.005～0.1Pa，然后反充氩气至2000～4000Pa，在TiAl基合金料棒(3)和矩形引锭(4)送入线圈(6)的磁场感应范围后，线圈(6)通入单相交流电，电源施加功率为75～100kW，停留20～25分钟后，TiAl基合金料棒(3)和矩形引锭(4)以0.01-0.05mm/min的速度向下运动，并使终料棒进入设置在其下方的结晶器(8)内即可。
2.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到长宽比为(2～3)的矩形坯料时，型腔(5-1-1)的宽(W)、长(L)、高(H)之间的比例为1∶2.2～3.2∶10～15，线圈(6)与功率为75～90kW的单相电源连接。
3.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到长宽比为4～6的矩形坯料时，型腔(5-1-1)的宽(W)、长(L)、高(H)之间的比例为1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩埚(5)与结晶器(8)之间设有双层钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套(10)，线圈(6)与功率为90～100kW的单相电源连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于所述感应线圈(6)通入单相交流电的频率为30～80kHz。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于所述感应线圈(6)包括上感应线圈(6-1)和下感应线圈(6-2)，所述上感应线圈(6-1)为3～5匝，通入单相交流电的频率为30～40kHz，单相电源施加功率为90～100kW；下感应线圈(6-2)为2～3匝，通入单相交流电的频率为70～80kHz，单相电源施加功率为75～90kW。
6.根据权利要求5所述的一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到长宽比为2～3的矩形坯料时，型腔(5-1-1)的宽(W)、长(L)、高(H)之间的比例为1∶2.2～3.2∶10～15，上感应线圈(6-1)与功率为80～90kW的单相电源连接，下感应线圈(6-2)与功率为75～80kW的单相电源连接。
7.根据权利要求5所述的一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，其特征在于需要得到长宽比为4～6的矩形坯料时，型腔(5-1-1)的宽(W)、长(L)、高(H)之间的比例为1∶4.2～6.2∶16～20，在矩形冷坩埚(5)与结晶器(8)之间设有双层钼片内衬硅酸铝耐火纤维制保温套(10)，上感应线圈(6-1)与功率为90～100kW的单相电源连接，下感应线圈(6-2)与功率为80～90kW的单相电源连接。
全文摘要
一种TiAl基合金板件的定向凝固方法，涉及一种连续熔铸定向凝固方法。对于比较复杂的矩形截面铸锭(板件)，通过现有的熔铸方法无法实现定向凝固。TiAl基合金板件的定向凝固方法为，在TiAl基合金料棒3和矩形截面引锭4送入线圈6的电磁感应范围后，线圈6通入单相交流电，电源施加功率为75～100kW，停留20～25分钟后，TiAl基合金料棒3和矩形引锭4以0.01－0.05mm/min的速度向下运动，并使终料棒进入设置在其下方的结晶器8内即可。本发明方法发展了针对TiAl基合金的优质、高效、安全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，为研制形状更复杂活性金属铸锭的定向凝固方法奠定了基础。
文档编号B22D11/11GK1733391SQ20051001029
公开日2006年2月15日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者丁宏升, 王艳丽, 李春晖, 毕维生, 郭景杰, 傅恒志 申请人:哈尔滨工业大学