高洁净度的钛铝金属间化合物和高纯度钛合金的感应熔铸方法与流程

本发明属于有色金属熔炼浇铸领域，特别属于钛铝金属间化合物和钛及钛合金感应熔炼浇铸技术领域。

背景技术：

钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性、低密度（4.3至4.6g/cm³）、高比强度，可以在500℃以下长期工作，广泛应用于航空航天、化工、医疗等诸多方面；钛铝金属间化合物密度约3.76至5.8g/cm³,可长期耐600至900℃高温,并保持较高的强度，是制作某些航空航天结构件以及地面动力系统转动或往复运动结构件的优异材料，能够实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提高，可广泛应用于内燃机涡轮增压器涡轮和工业燃气轮机叶片方面。经世界各国近70年研究，铸造为钛及钛合金、钛铝金属间化合物复杂结构件的最经济的制造工艺。由于该类合金或金属间化合物含钛量高，其高温熔体活性大，熔炼控制难度大。目前，有三种主要熔炼方法，其一，真空电弧凝壳熔炼；其二，高能束（等离子或电子）冷床熔炼；其三，感应冷坩埚熔炼。以上方法中，为防止活性金属钛与熔炼容器反应，都采用了通冷却水的铜制容器（冷坩埚或冷床），并在真空或惰性气体空间中进行熔炼操作。

专利 CN 104646647A介绍了一种采用陶瓷坩埚的钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备及其控制方法，CN1699907A介绍了一种钛及钛合金熔炼用的坩埚内衬，专利CN1699906A介绍了一种钛及钛合金熔炼用复合坩埚，专利CN1583670A介绍了一种钛及钛合金熔炼坩埚材料，但这些专利在实践中均无法避免间隙元素（O、N等）增加的问题。以上方法所用氧化物、氮化物或其组合制造的陶瓷坩埚，一般原料为高惰性的氧化钇、氧化锆、氧化钙、氮化硼等，无法避免活泼钛金属熔体与坩埚组成材料反应，造成间隙元素含量增加，浇铸合金韧性变差，导致该类方法无法进行高韧性钛铝金属间化合物或高纯度钛合金的熔炼浇铸。

冷坩埚悬浮或冷床熔炼是满足低间隙元素，高韧性钛铝金属间化合物或高纯度钛合金的有效方法，但该类方法存在能耗高，设备安全性要求高等问题。国外有一些专利做了减少铜制水冷容器的尝试，如U.S. Patent 5033948介绍了无坩埚感应熔炼，但该方法存在感应加热融化激冷底座，引起合金成分失控偏离及设备损坏的问题。U.S. Patent 5033948介绍的无坩埚感应熔炼，感应线圈在炉体外部，导致效率降低，并要求炉体必须采用感应磁场可透过的材料制造，实践难度大。U.S. Patent 5275229介绍的磁悬浮熔体处理装置采用了螺旋轴线垂直和水平成环的双线圈结构，并设计了复杂的坩埚底旋转机构，加工要求高，制造难度大。

目前，缺乏高洁净度钛铝金属间化合物或高纯度钛合金的高效熔炼方法。本发明对钛铝金属间化合物和钛合金高洁净度熔体、高能效熔炼浇铸的存在的问题进行了解决。

技术实现要素：

本发明设计了一种新型的高温活波金属熔炼浇铸方法，以钛铝金属间化合物和钛合金为例，但其适用范围不限于钛、钛合金、钛铝金属间化合物，还不止包含锆、锆合金、铪及其合金等。可满足该类型合金低间隙元素要求的熔炼浇铸。

本发明方法的技术方案如下：采用熔炼室与铸型室分开的结构和底漏式浇铸方式，进行高温活泼金属的熔炼浇铸。熔炼室内置可移动感应线圈，选取适当的频率，自上而下融化金属锭；通过带坩埚（或矮坩埚）或无坩埚的真空感应熔炼装置，设置支撑环隔离金属与坩埚（或矮坩埚）底部或支撑底座（无坩埚时）的接触，防止坩埚材料污染金属并减少无益于金属融化的热传递以提高系统能效。

炉体与真空泵组组成真空系统，真空系统可以将炉膛内压力控制在0.1Pa至10Pa之间。感应电源通过水冷电缆引入熔炼室，进入熔炼室后，通过柔性电缆与熔炼室内壁连接，并可在垂直方向上下移动，该移动可手动或自动控制进行。熔炼室内部所有电缆均采取耐高温绝缘措施，防止金属飞溅以及真空环境下通电金属间产生电弧造成损伤。熔炼室可以充入适当压力的惰性气体，以减少熔炼金属中易烧损元素的损失，维护合金元素准确稳定。熔炼室惰性气体充填压力可以手动或自动控制并能够维持在设定范围。铸型室底部具有离心盘，可进行离心铸造，离心旋转转速可调、方向可调。熔炼室底漏中心孔与铸型室离心盘中心处于同一垂直线上，方便离心浇铸。方案总体结构图见图1。

方案细节之一：感应线圈选用适当的直径和高度，以熔炼适当重量的合金用于浇铸。

方案细节之二：感应线圈可上下移动，移动距离涵盖整个金属柱高度，移动装置为L型悬臂结构，移动装置驱动力来自手动、液压、气动或电力驱动即伺服或步进电机通过丝杠光杠带动线圈移动。

方案细节之三：金属隔离环采用与熔化合金料同材质或近似材质制造，但形式并不限于单独成环的结构；包括在金属棒料下部开洞形成凹坑一体隔离结构等诸如此类可起到隔离的作用的结构。该细节解释图见图2。

方案细节之四：熔炼室和铸型室之间设置闸板阀，进行腔室分离。

方案细节之五：底漏式支座或坩埚结构，可采用A，支撑底座，带水冷或不带水冷的；B，支撑底座，带水冷或不带水冷的，具有外加环状保护结构；C、矮坩埚；D，全坩埚；E以上A、B、C、D的两种或以上整体或部分组合，支撑座带水冷或不带水冷可分别组合。图3对此进行了有限例举。

附图说明

附图作为说明书的一部分，与具体实施方式共同提供对本发明的解释，绝无对本发明范围限制或缩小的含义。本发明共有三个图解释对其解释，方便正确理解，分别是：图1，整体结构图；图2，金属隔离支撑环结构图；图3，支撑底座及坩埚结构。

图1整体结构图各部位的名称分别是：101、熔炼室；102、水冷感应电缆接口；103、柔性水冷防飞溅电缆；104、水冷炉体；105、金属锭；106、金属隔离支撑环或类似结构；107、底漏孔；108、铸型承载离心系统；109、铸型；110、铸型承载填料；111、铸型室；112、闸板阀；113、支撑底座或坩埚；114、感应线圈支架；115、感应线圈；116、感应线圈移动机构；117、过滤网；118、真空系统接口法兰；119、窥镜；120、感应线圈动驱动设施。

图2金属隔离支撑环或类似结构图各图名称分别是：21、大径隔离支撑环；22、等径隔离支撑环；23、等效隔离支撑结构（平底）；24、等效隔离支撑结构（锥底）；25、等效隔离支撑结构（曲面底）。其中，201、金属锭；202、隔离支撑环；203、带隔离支撑结构的金属锭。

图3支撑底座及坩埚结构各图名称分别是：31、水冷支撑座；32、非水冷支撑座；33、冷却防护环；34、非冷却防护环；35、半高坩埚；36全高坩埚。其中，301、金属锭；302、隔离支撑环或类似结构；303、冷却水；304、底漏孔。

以图1为基础与图2、图3的任意部分的任意组合，均在本发明涵盖范围之内。

具体实施方式

具体实施方式示例为对本发明的举例阐述，无限制或缩小发明范围的含义。

具体实施方式一：以图1之整体结构，图2之21大径隔离支撑环结构，图3之31水冷支撑座结构，真空系统用大小罗茨泵及螺杆泵，配备10至20KW的感应电源，实现1Kg TA2纯钛合金锭融化浇铸，1Kg TC4钛合金熔炼浇铸，及约0.7Kg Ti-48Al-2Cr-2Nb金属间化合物熔炼浇铸。以上熔炼中，装炉合金锭尺寸介于Φ40至120mm，长度50至200mm，熔炼浇铸后铸件成分均匀，其中TA2、TC4合金间隙元素增量低于电弧熔炼方式。

具体实施方式二：以图1之整体结构，图2之23等效隔离支撑结构（平底），图3之32非水冷支撑座及35半高坩埚，真空系统采用真空包连通熔炼熔炼室（101）和铸型室（111），配备20至40Kw感应电源，实现1.7Kg TC4钛合金熔炼浇铸，约1.3Kg Ti-48Al-2Cr-2Nb金属间化合物熔炼浇铸。其装炉金属锭尺寸介于Φ55至150mm，长度介于120至260mm之间（含等效支撑结构部分）。