本发明涉及负压吸铸,特别是涉及一种钛合金构件制备方法、装置及导流管半径确认方法。
背景技术：
1、目前，对于进入熔炼，如钛合金的熔炼方式有真空自耗电弧熔炼(var)、电子束冷床熔炼(ebchm)、真空悬浮熔炼(vim)，其中真空自耗电弧熔炼(var)主要适用于大型钛合金铸件的熔炼浇注，一次可以浇注100-500kg钛合金熔体，电子束冷床熔炼(ebchm)主要与水冷结晶器相结合从而实现大型钛锭的连续铸造，真空悬浮熔炼(vim)通过高频电磁场使钛合金原料在真空水冷铜坩埚环境中悬浮熔炼，使熔体尽量脱离与坩埚的接触，避免传统熔炼过程中因坩埚材质（如石墨或陶瓷）与熔体反应生成的氧化物、夹杂物（如碳化钛、二氧化硅）污染。其中，真空电弧熔炼(var)、电子束冷床熔炼(ebchm)多用于大型钛合金铸件的熔炼浇注以及大型钛锭的连续铸造；通过真空悬浮熔炼(vim)所得到的钛合金熔体成分均匀性好，构件浇注成形多采用此法。
2、通过上述方式进行熔炼之后，现有技术中，还会结合坩埚倾转加重力的铸造方法将熔体浇注于模具中，实现铸造，然而，采用这种浇注方式所得流体流速缓慢，且部分高熔点钛合金粘度较低，在坩埚倾转的过程中熔体热量散失严重；同时，坩埚倾转加离心铸造的方法对模具设计和转速控制要求极高，易产生应力集中，模具成本高，功耗大，所得铸件易于产生元素偏析的现象。因此，有必要探索新的技术方案，以提高熔体的流动充型效率和铸件质量，同时提高钛合金构件的材料利用率。
技术实现思路
1、本发明提供一种钛合金构件制备方法、装置及导流管半径确认方法，其可改善现有的通过熔炼与坩埚倾转加重力相结合的铸造方式存在充型时间较长，热量散失严重的技术问题，并可改善因离心铸造而出现的应力集中、元素偏析的问题，提高铸件质量。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
3、第一方面，本发明提供一种钛合金构件制备方法，包括以下步骤：
4、基于原材料的预定熔炼功率p1，分阶段对原材料进行熔炼，至加热温度达到预定浇注温度t，并对熔炼后的原材料进行保温；
5、确定堵片材料的熔炼功率p2，基于所述堵片材料的熔炼功率p2分阶段对堵片进行熔炼，至堵片材料在预定时间段内完全熔化，其中，所述基于所述堵片材料的熔炼功率p2分阶段对堵片材料进行熔炼包括：
6、堵片阶段一：在原材料全部熔化之前，通过将功率从1%p2逐步升高至50%p2，以对堵片材料进行预热；
7、堵片阶段二：在原材料全部熔化时，通过将功率从60%p2逐步升高至70%p2，以使堵片材料温度达到熔点并开始熔化；
8、堵片阶段三：通过将功率从100%p2逐步升高至120%p2，以使堵片材料完全熔化；
9、对模具施加负压，将熔化后的堵片材料和熔化后的原材料对模具进行负压充型。
10、本发明的有益效果是：在原材料全部熔化之前，通过1-50%p2的功率逐渐对堵片进行预热，可以适当提前升高堵片的温度，便于后续熔化，堵片熔炼阶段的堵片阶段一与原材料的熔炼阶段重叠，可缩短熔炼时间，堵片熔炼阶段的堵片阶段二进一步提高了堵片的温度，使得堵片温度接近熔点，并同时通过升高的堵片温度可间接对熔炼后的原材料底部进行保温，减小熔体底部的热量散失，在堵片熔炼阶段的堵片阶段三，通过100-120%p2的超功率p2的功率将堵块在高温加热下快速熔化，使得导流通道导通，以在负压下，将熔化后的堵片材料和熔化后的原材料对模具进行快速充型，以改善现有的通过熔炼与坩埚倾转加重力相结合的铸造方式存在充型时间较长，热量散失严重的技术问题，并可改善因离心铸造而出现的应力集中、元素偏析的问题，提高铸件质量。
11、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
12、进一步，所述基于原材料的预定熔炼功率p1，分阶段对原材料进行熔炼，至加热温度达到预定浇注温度t，并对熔炼后的原材料进行保温，包括：
13、原材料阶段一：通过将功率从1%p1逐步升高至30%p1，以对原材料进行预热；
14、原材料阶段二：通过将功率从30%p1逐步升高至70%p1，以对原材料进行加热，至原材料开始熔化，形成初始熔池；
15、原材料阶段三：通过将功率从70%p1逐步升高至100%p1，以对原材料进行加热，至原材料完全转变为液态金属，形成均匀的熔池；
16、加热温度达到预定浇注温度t，并对熔炼后的原材料进行保温。
17、进一步，所述确定堵片的熔炼功率p2，包括：
18、对堵片在相同工作环境下进行加热使其温度升高至熔点，此时开始计时，继续加热，至堵片在预定熔化时间段内完全熔化，记录此时的熔炼功率为p2。
19、第二方面，本发明提供一种钛合金构件制备装置，应用于所述的钛合金构件制备方法，包括：
20、坩埚（1），所述坩埚（1）外侧绕有一级线圈（11）；
21、导流管（2），其竖向设置，且其上端伸入所述坩埚（1）的下端，所述导流管（2）套设有隔热管（21），所述隔热管（21）外绕有二级线圈（22）；
22、模具（3），其向上开口并连通所述导流管（2）的下端；
23、吸铸泵（4），其进口连通有吸铸阀（41），所述吸铸阀（41）的进口连通所述模具（3）的下端。
24、第三方面，本发明提供一种导流管半径确认方法，包括以下步骤：
25、根据以下公式确定铸型内部金属液总重量：
26、
27、式中，v为铸件及浇冒口体积(m3)，l为填充率(%)，ρ为预定浇注温度t时对应的金属液密度(kg/m3)；
28、根据以下公式确定浇注时间t：
29、
30、式中，k为系数；
31、根据以下公式确定熔体浇注速度ν1（kg/s）：
32、
33、根据以下公式确定体积流量q（m3/s）：
34、
35、根据以下公式确定导流管的流口截面积s（m2）：
36、
37、式中，ν’为熔体在导流管中的平均流速（m/s），其可通过以下公式确定：
38、
39、式中，c1为流速系数，g为重力加速度，h为坩埚内熔体液面到导流管出口的高度；
40、根据以下公式确定导流管半径r（m）：
41、
42、式中，π为常数，取3.14。
1.一种钛合金构件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种钛合金构件制备方法，其特征在于，所述基于原材料的预定熔炼功率p1，分阶段对原材料进行熔炼，至加热温度达到预定浇注温度t，并对熔炼后的原材料进行保温，包括：
3.根据权利要求2所述一种钛合金构件制备方法，其特征在于，所述原材料阶段一的加热时间为8-10min，所述原材料阶段二的加热时间为6-10min，所述原材料阶段三的加热时间为6-10min。
4.根据权利要求1所述一种钛合金构件制备方法，其特征在于，在对原材料进行加热时，对原材料抵接于堵块的底部进行加热。
5.根据权利要求1所述一种钛合金构件制备方法，其特征在于，所述确定堵片的熔炼功率p2，包括：
6.根据权利要求1所述一种钛合金构件制备方法，其特征在于，所述堵片阶段一的加热时间为6-10min，所述堵片阶段二的加热时间为10-20min。
7.根据权利要求1所述一种钛合金构件制备方法，其特征在于，所述对模具施加负压，将熔化后的堵片材料和熔化后的原材料对模具进行负压充型，包括：
8.根据权利要求1所述一种钛合金构件制备方法，其特征在于，所述预定浇注温度t比原材料的合金液相线温度高50-60℃。
9.一种钛合金构件制备装置，应用于如权利要求1-8任一项所述的钛合金构件制备方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述一种钛合金构件制备装置，其特征在于，还包括熔炼腔体（12）、成型腔体（23）以及连接件（24），所述坩埚（1）、所述一级线圈（11）、所述导流管（2）、所述隔热管（21）以及二级线圈（22）均安装于所述熔炼腔体（12）内，所述模具（3）位于所述成型腔体（23）内，所述连接件（24）呈竖向贯通开口结构，且其上端伸入所述熔炼腔体（12）并连通所述导流管（2）的下端，其下端连通所述成型腔体（23）并与所述模具（3）的上开口上下相对。
11.一种用于如权利要求9或10所述的钛合金构件制备装置的导流管半径确认方法，其特征在于，包括以下步骤：