CN1050788C - 生产金属间化合物铸件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造金属间化合物铸件的方法和装置。按要求与空气隔离的第一种固态金属配料被置于一个熔化坩埚中，与第一种金属能进行放热反应的第二种金属配料则在另一个熔化坩埚中进行熔化。熔融的第二金属注入到装有第一种金属配料的熔化坩埚中，使之与第一金属接触。在熔化坩埚中加热第一和第二金属使它们发生放热反应，形成可通过重力或反复力注入铸型中的熔体。放热反应缩短了为获得准备注入铸型中的熔体所需要的时间。

Description

生产金属间化合物铸件的方法和装置
本发明涉及生产例如钛铝互化物铸件这样的金属间化合物铸件的方法和装置，铸件的生产量大，成本低，并且没有因金属间化合物熔体与容器材料之间发生反应而造成的有害杂质污染。
含有一种高重量百分比活性金属(如钛)的许多合金会与空气和大多数通常采用的坩埚耐火材料反应到这样的程度，即合金被污染到令人不能接受的程度。结果，人们通常是在水冷却的金属(例如铜)坩埚中利用电弧或电感应发热来加热合金料，从而熔化这些合金。
美国专利NO.4738713代表了这种熔化技术。该专利的熔化方法在利用电能方面效率非常低。而且应用该方法的经验表面，能够达到的熔体过热度是有限的，并且对坩埚寿命有影响。但是，相对于要求所希望的合金具有专门准备好的熔炼电极的自耗电弧熔化技术而言，这种方法能够使用成本较低的熔化材料，因此该方法仍在使用。
采用水冷铜坩埚的电弧熔化技术(例如参见美国专利NO.2564337)可以在熔化活性合金中提供较高的过热度。但是，由于在坩埚出现故障时冷却水与熔融活性合金可能发生接触，形成氢气而存在***的潜在可能性，因此这种电弧熔化技术以及感应熔化技术是很危险的。电弧熔化技术和感应熔化技术都是在远距离方式下使用的，例如从具有防爆壁的专门建造的建筑物中的安全壁后面进行控制。结果，由于很难实现良好的过程控制，操作这种冷壁金属坩埚或炉的费用很高。
采用现有技术的一些工作者用氧化钙坩埚熔化和铸造活性合金，如钛合金。但是，合金熔体受到氧的污染很迅速，有些合金含有铝，从而产生了过量的氧化铝蒸汽，其数量能污染真空***和那些与铸造装置相关联的腔室，以致于妨碍了传统的铸造装置的实际操作。
采用现有技术的另一些工作者则在用石墨作内衬的坩埚中快速熔化钛合金(参见美国专利NO.3484840)，以避免熔体受到有害杂质污染。该已授予专利的方法不能精确控制熔体温度，如果加热周期太长，就可能产生过量的熔体污染物。此外，控制熔体从坩埚底部出来的流量是很难的，因为为此目的采取的是熔化坩埚底部的一个金属盘中央部分的办法。采用这种结构时，熔体流出孔的大小随熔化速度配料直径和盘的大小的不同而改变，使得对熔体流量的控制很困难。
金属间合金，如尤其是TiAl，近几年在航空航天和汽车工业中的应用得到极大的重视，这种合金应用于那些极其需要它的耐高温高强度和重量较轻等特性的领域。但是这种合金包含的组份中大部分是钛(例如所谓的伽马TiAl包括重量百分比为66％的钛，其余的主要是铝)，这使得熔化和铸造中很难不受到污染，并且成本很高。为了能在诸如汽车排气阀这样的零部件领域中得到应用，金属间合金必须要在高产量低成本的条件下没有有害杂质污染地进行熔化和铸造。
本发明的目的之一是提供一种有助于(但不限制于此)在高产量、低成本且没有有害杂质的污染的方式下生产金属间化合物铸件的方法和装置，尤其适合于汽车、航空航天和其它工业的要求。
本发明的另一个目的是提供一种生产金属间化合物铸件的方法和装置它使用了一种耐火材料制的熔化坩埚和一种熔融和固态熔料的混合物，并避免了由于熔体与熔化坩埚发生反应而使熔体受到有害杂质的污染。
本发明的又一个目的是提供一种以低成本的方式生产金属间化合物铸件的方法和装置，它采用较低成本的熔料，用这种材料时减少了为生产出准备注入铸型中的熔体所需的能量。
为此，本发明提供一种制造金属间化合物铸件的方法，包括以下步骤：
a)将包含第一种固态金属的第一配料置于一熔化坩埚中，
b)熔化包含第二种金属的第二配料，
c)将熔融的第二配料引入上述熔化坩埚中，使之与第一配料接触，
d)由上述第一和第二配料形成一金属间化合物熔融体，所述方法其特征在于：
e)采用一能与所述第一种金属进行放热反应的第二金属，
f)加热在熔化坩埚中第一和第二配料，使第一种金属和第二种金属进行放热反应，形成用于铸造的所述的金属间化合物熔体，并由此放热反应缩短获取所述金属间化合物熔体所需的时间和熔体在熔化坩埚中的停留时间，以减少由于金属间化合物熔体与熔化坩埚反应而使熔体遭受的污染，
g)将该金属间化合物熔体从熔化坩埚浇注到一个铸型中，以便当该金属间化合物熔体凝固时形成所述的铸件。
制造金属间化合物铸件的装置，包括：
a)用于容装包含第一种固态金属的第一配料的第一熔化坩埚，
b)用于熔化包含第一种金属的第二配料的第二熔化坩埚，
c)用于将熔融的第二配料引入第一熔化坩埚使之与第一金属配料接触的装置，
d)所述的第一种和第二种金属相互间能够进行放热反应，
e)用于加热第一熔化坩埚中第一和第二配料使它们进行放热反应而形成铸造用的金属间化合物熔体的装置通过该放热反应缩短为获得所述金属间化合物熔体所需要的时间和熔体停留在熔化坩埚中的时间，从而减少由于所述金属间化合物熔体与熔化坩埚反应而使熔体受到的污染，
f)用于将所述金属间化合物熔体注入一铸型以便在金属间化合物熔体凝固后形成金属间化合物铸件的装置。
本发明涉及一种生产金属间化合物铸件(例如铝与钛、镍、铁等之间的金属互化物铸件)的方法和装置，其中，包含有一种固态的第一金属配料被置于一个熔化坩埚中，而包含有与第一种金属进行放热反应的第二种金属的配料则在另一个熔锅中进行熔化。包含了第二种金属的熔融配料被引入到装有第一种金属配料的熔化坩埚中，使之与第一金属接触。另一做法是将固态形式的第二种金属配料放置到熔化坩埚中而与另一配料相接触。包含了第一和第二金属的配料在熔化坩埚中被迅速加热(例如通过感应加热法)，使它们进行放热反应并形成被加热到可浇铸温度的熔体，借助重力或反重力浇铸法(例如美国专利No.5042561中所示)将熔体浇注到铸型中。第一和第二金属之间的放热反应释放出了大量的热量(即金属间化合物具有高的生成热)，该反应热缩短了为获得准备注入铸型的熔体而需要的时间。特别地，第一和第二金属间的放热反应实际上减少了金属间化合物熔化坩埚中的停留时间。该停留时间的缩短反过来又减本形式的第一和第二金属可以用于本发明。结果减少了总的铸造成本。本发明的方法和装置可以用来生产汽车工业、航空航天工业和其它工业上所需要的大量的低成本无杂质污染的金属间化合物铸件。
在本发明的一个实施例中，第一金属配料选自于钛、镍、铁或其它要求的金属中的一种。熔融或固态的第二金属配料是铝、硅或其它要求的材料。第一金属配料在熔融的第二金属引入熔化坩埚之前最好先预热。
在本发明的另一个实施例中，通过打破或破碎熔化坩埚底部的一个易碎隔离件使铸模与熔化坩埚相通，而使熔体借助重力注入一个置于熔化坩埚下面的铸型中。熔体温度(例如熔体过热度)可以通过恰当地确定打破隔离件将熔体注入到下面的铸型中的时刻来精确地控制。隔离件可以用熔化坩埚中的一个活动捅口杆来击破，或者也可以在隔离件两侧建立一个适当的流体压力差，例如相对于熔化坩埚外的气体压力来提高熔化坩埚内熔体上的气体压力，由此压差击破隔离件。
根据本发明，捅口杆放置在这样一个位置上，在此处捅口杆的一端位于被抽成低于环境压力的熔化坩埚内部而另一端位于处于环境压力下的熔化坩埚外部，并设置了用于在接近另一端将杆保持住而防止它相对于熔化坩埚运动的装置。所述另一端在熔体处于浇注温度时被释放，从而作用在所述另一端上的环境压力使捅口杆朝熔化坩埚方向移动，促使所述一端冲击并打破所述隔离件。
在本发明的第三个实施例中，熔体是通过一个设置在熔体和铸型之间的浇注管(例如参见美国专利NO.5042561)由反重力浇注到置于熔化坩埚上方的铸型中。进行反重力浇注后，打破熔化坩埚底部的一个易碎隔离件，可将熔化坩埚中未用完的剩余熔体排出。当隔离件被打破后，熔化坩埚即与一个位于下面的激冷铸型相通，用于在该激冷铸型中收集和凝固未用完的熔体。这种结构布置缩短了为移出未用的及排出的熔体以及组装用于进一步铸造的新熔化坩埚和铸型所需要的时间。
在本发明的第四个实施例中，铸型是一个薄壁熔模，该熔模在将熔体按重力或反重力法浇注到其内期间被置与一种耐火颗粒材料(例如陶瓷材料)中。熔化坩埚也可用一种类似的耐火颗粒材料包围住。颗粒材料(或其它非反应的限制材料或装置)将任何可能从熔化坩埚或铸型泄漏出来的熔体封闭起来。
在本发明的一个具体的实施例中，按下述步骤生产出多个钛铝互化物铸件：将固态钛配料放入一个内衬有耐火材料(如石墨)的熔化坩埚中，将配料预热到低于钛的液相线温度的高的温度，在另一坩埚中将铝熔化，并将熔化的铝注入有内衬的坩埚中，使铝与钛料相接触。加热坩埚中的铝和钛，使它们进行放热反应并形成一种金属间熔体，该熔体在重力或反重力下浇注到一个具有多个型腔的熔模中。钛和铝之间的放热反应缩短了熔体在坩埚中的停留时间，从而减少了由于熔体与熔化坩埚之间的反应而使熔体受到的杂质污染，而且也减少了为生产出准备铸造的熔体所需要的能量。钛金属和铝可以是成本较低的废金属。
从以下的详细描述和附图中将会明显地看到本发明的其它目的和优点。
图1是按照本发明的一个实施例所述装置的侧剖示意图，该装置用于实施本发明的一个重力铸造方法实施例；
图2是类似于图1的一个视图，但其中用捅口杆取代图1中的漏斗形注管；
图3是类似于图1中装置的一个装置视图，展示了捅破熔化坩埚底部隔板的另一种装置(气体压差机构)，在图3中与图1相同的特征用相同的标号表示；
图4是按照本发明的第二个实施例所述装置的侧剖示意图，该装置用于实施本发明的一个反重力铸造方法实施例；
图5是类似于图4的一个视图，但浇注管浸入到熔体中。
参见图1，它示出了一个按照本发明的一个实施例所述的、用于制造金属间化合物铸件的装置。该装置包含一个铸型部分10和一个固定的熔化部分12，前者设置在后者的下面，用于重力铸造一种金属间熔体。虽然出于说明的目的，下面是就铸造一种TiAl熔体对该装置进行描述的，但本发明不局限与此，而是能够用于制造其它金属间合金的铸件，包括(但不局限于此)Ti3Al，TiAl3，NiAl以及其它所希望的铝的金属互化物和硅化物，其中金属间合金包括按照下面所述方式进行放热反应的第一金属和第二金属。金属间合金除了第一和第二金属外还可含有多种合金元素。例如可以铸造与Mn(锰)、Nb(铌)和/或其它合金元素熔合的TiAl(钛铝合金)。
铸型部分10包含一个具有腔室20a的钢模箱20，其中，一个具有许多型腔24的熔模铸型22被置于一种低反应性的颗粒材料26中。如图所示，腔室20a的下部是一个圆柱形区域，上部是一个锥形区域。铸型22包含一个经横向内浇口31与型腔24相连的直浇道28。
上部延伸部分或区域29与铸型22构成一体，提供了一个圆柱形的熔化坩埚支撑环30和一个位于中央的圆柱形的熔体接纳室32，该室32使铸型浇道28与熔化坩埚54连通。
熔模铸型22和成一体的延伸部分29是按照众所周知的失蜡铸造法形成的，在该方法中，用耐火的颗粒浆料和灰砂重复地包封住一个蜡模或其它可熔失的模型，以便在模型周围形成一个所要求的铸型壁厚。然后通过熔化或其它技术手段将模型除掉，而留下铸型。之后在高温下对该铸型进行特有的烧制，使之具有进行浇铸所要求的强度。
为了铸造上述TiAl金属间合金，熔模铸型22包含氧化锆或氧化钇的内层和形成铸型本体的由氧化锆或氧化铝构成的外填背层(例如参见U.S4740246)。所采取的铸型总壁厚范围可为0.1至0.3英寸。选择的内面层至多与浇铸其中的TiAl熔体只有很少的反应，使得熔体在铸型22中凝固期间所受到的杂质污染最少。为铸造TiAl而优选的铸型内面层采用一种浆料，它包括醋酸锆液体和氧化锆粉，进行干燥并涂上熔融氧化铝(粒度为80)。采用了一层内面层。和该内层一起采用的优选填背层是一种浆料，它包括硅酸乙酯液体和片状氧化铝，进行干燥并涂上熔融氧化铝(粒度36)。用于除TiAl之外的熔体的合适铸型面层可以很容易地确定出来。
相对于熔化并注入铸型22中的特定熔体，选用的颗粒材料26要具有低的反应性，以便在熔体从铸型22中发生任何泄漏时，都能将熔体以没有反应的无害方式限制在该材料26中。对于TiAl熔体而言，所用的颗粒材料26包括粒度为-100至+200粒度的氧化锆颗粒。
铸型箱20有一个通口36，它经一个常规的开/关阀38与氩气源或其它惰性气体源40相连。通口36上装有多孔板筛41，且所选取的板筛41使颗粒材料26不能通过，从而将它们封闭在箱20中。正如下面要描述的那样，阀38在铸造过程中被启动，使氩气进入箱20内包围铸型。
铸型箱20通过其下面的升降机21(示意示出)可以相对于熔化部分12移动。铸型箱20在大约其上端处有一个径向延伸的周边凸肩或凸缘42，用于在铸造过程中与熔化部分12相接合。
特别地，熔化部分12包含一个金属(例如钢)熔化外壳50，构成一个围绕耐火熔化坩埚54的熔化室52。熔化外壳50有一个侧壁56和一个可拆卸的顶盖58，该顶盖经密封垫60与侧壁密封相连。
侧壁56有一个径向延伸的周边凸肩或凸缘62，在铸造过程中通过启动升降机21使铸型箱凸肩或凸缘42顶住该凸肩或凸缘62而密封地接合。凸肩42，62之间放置了一个气密垫63。
侧壁56也有一个密封的入口66，用于使来自电源(未示出)的供电接头68A和68B通过，并与设置在熔化坩埚54周围的室52中的感应线圈68相接。侧壁56也有一个通口70，它经管道72和阀74与氩气源76或其它惰性气体源和真空源(例如真空泵)78交替地相连通。
可拆卸顶盖58有一个可密封的通口80，通过该通口，金属间熔体的一个熔融金属组成部分经一个暂时插在通口80中的耐火(例如粘土粘结的富铝红柱石)漏斗形注管81引入熔化坩埚54中。通口80中还可以按照图2中所示的那样密封地装入一个捅口杆82，用于按照将要描述的方式释放熔化坩埚54中的熔体。
侧壁56有一个固定在一个环形内凸肩84b上的环形外凸肩或凸缘84a，内凸肩84b上沿周向设置了用于支承感应线圈68的线圈支柱86(典型地有4个支柱)。凸缘84a，84b由螺母/螺栓固定件84c固定，从而可以采用不同的凸缘84b与不同尺寸的熔化坩埚/感应线圈相配。
颗粒材料26在线圈68和熔化坩埚54之间向上延伸，以便封闭住任何可能泄漏的熔体，或者从位于低反应性的颗粒中的熔化坩埚54中泄漏。
如图1所示，环30顶上支承并固定(例如用硅酸钾陶瓷粘合剂)了一个圆柱形管状陶瓷壳90。如图所示，环30上有一个通过重力保持在其位置上的易碎耐火隔板92，该隔板92大约位于熔化坩埚54的底部。隔板92上有环形槽口92a，可使隔板很容易地打破，从而将熔体从熔化坩埚54注入到铸型22中。
陶瓷壳90也是按照上述失蜡铸造法，用与铸型22采用的相同陶瓷材料和相同壁厚而制成的。制作隔板92的材料和厚度也与铸型22和壳90相同。
熔化坩埚54由环30，壳90和隔板92构成。当环30，壳90和隔板92组装起来构成熔化坩埚54后，熔化坩埚54中将设置可从Polycarbon公司购买到的GRAFOIL牌的石墨片或石墨布材内衬94。内衬厚度典型值为0.010英寸。内衬94应在熔体停留于熔化坩埚54中的这段很短的时间中与熔体没有反应。内衬上可涂上氧化钇，以减少熔体的渗碳量。可以容装TiAl熔体的其它内衬材料包括(但不局限于此)氧化钇和氧化钍。适合于除TiAl熔体之外的熔体的内衬材料可以按照要求来选择，以使它们在熔体停留在熔化坩埚54中这段时间内一般不与熔体发生反应。
熔化坩埚54的上开端用一个由纤维状氧化铝材料制成的封闭板100部分地封闭。该板100有个中央开口102，通过该开口可以将金属间熔体的熔化金属组成部分引入熔化坩埚中。该开口还可装入上述捅口杆82(如果使用该杆的话)。
在按照本发明的一个方法实施例所述的应用中，铸型22被封罩在箱20中的颗粒材料26(例如氧化锆颗粒)中。衬有GR-AFOIL的壳90装上隔板92后一起被置于环30上。
固态非合金的钛金属(金属间合金的第一金属)配料C1装入熔化坩埚54中，板100放置在壳90上面。钛金属配料可以包括钛碎片，团块或其它形状。
熔体中要包含的合金元素可以以合金元素颗粒分散在钛配料C1中，以使合金元素能迅速地溶解于熔体中。
钛碎片的最大尺寸典型值为1英寸×1英寸×1/16英寸，是从Chemalloy公司获得的。团块由尺寸约为1英寸×1英寸×3英寸的海绵钛制成。钛配料C1所增加的数量使其在金属间化合物铸件中具有所要求的钛重量百分比。配料C1一般用于手工加入。
加有配料的装配件由设置在箱20下面的升降机21(例如一种液压升降机构)向上升起，将熔化坩埚54放置在固定的熔化外壳50中的感应线圈68内。熔化外壳50的顶盖58此时还未装上或离该处较远。
然后通过打开的外壳50在熔化坩埚54和线圈68之间的环形空间填充颗粒材料26(氧化锆颗粒)，使该材料26围绕熔化坩埚54填至图1中所示的高度。然后将顶盖58密封地放置在侧壁56的密封垫上，为开始进行熔化/铸造操作做准备。
在铸造开始时，熔化室52先被抽空到小于0.1乇(100微米)的真空度，然后经通口70再充入氩气，直到稍大于大气压力(大于5乇，通常为5-80乇)。然后由感应线圈68对钛金属的固态配料C1(熔化材料)如果需要的话，预热到300°F-1500°F(即低于钛的液相温度)。
同时，铝配料C2(熔化材料)在铸造装置外的坩埚110中被熔化，提供金属间合金的第二金属组成部分。特别是，将废铝或其它非合金的(或与所占百分比很少的合金元素合金了的)铝料用通常的燃烧气的熔化器在空气环境下在由粘土/石墨耐火材料构成的熔化坩埚110中熔化。熔融铝配料C2在坩埚110中加热到约1300°F，过热度为80°F。熔融铝通过暂时装在通道80(它对着此端部是开着的)中的耐火漏斗形注管81注入熔化坩埚54中。加入熔化坩埚54的熔融铝数量对应于金属间合金中所要求的铝的重量百分比。拆下漏斗形注管，然后将捅口杆82密封地***通口80中，保持在上面的位置处并与熔化坩埚板的开口102对准。漏斗形注管拆下后捅口杆82被密封置于通口80中的情况如图2所示。
然后经通口70将熔化室52抽真空到约100微米水银柱的压强或更低。对室52抽真空也使铸型箱20和其内部部件达到同样水平的真空度。捅口杆82由一个啮合在杆82上的并与顶盖58的顶部密封件83接合的翼形螺栓卡131保持在图2所示的位置上。
一旦达到室52中所要求的真空程度(例如60秒)，就给感应线圈68供能到一个加热/熔化固态钛配料C1和熔融铝配料C2，并使它们在熔化坩埚54中进行反应的功率水平。钛和铝料在坩埚54中进行放热反应，产生大量的热，加速熔化过程，缩短为获得一种准备浇注到铸型22中的金属间熔体M所需要的时间，而且这也取代了需要由感应线圈68供给的电能。一般地，功率为200至240KW，使用1.25至2.00分钟即可生产40至50磅的TiAl熔体。功率和时间可以改变和控制，以便在短时间内获得所要求的过热度。其它功率水平和时间可以用来制造其它金属间合金的熔体。
在坩埚54中生产的准备浇注到铸型22中的TiAl熔体所需要的时间是相当短的，一般通电时间不超过2分钟。这样，熔体在坩埚54中的停留时间足够短，从而熔体和坩埚的耐火内衬不会发生任何有害的反应。这样生产的熔体对铸件组织是有益的。具体地说，所获得的熔体中碳含量小于0.04重量百分比，氧含量小于0.18重量百分比。
一旦熔体达到所要求的浇注(过热)温度(例如只在1.25分钟后)，就向下移动捅口杆82，击破易碎的隔板92和内衬94，将熔体浇注到铸型22中。这样释放出的熔体靠重力流入中央室32和向下沿直浇道28经横向浇口31流入型腔24。由此，通过控制击破隔板使熔体释放后流入铸型22的时刻，熔体浇注到铸型22中的操作可得到精确的控制。被捅破了的隔板92由在中央室32中沿周向间隔设置的三个氧化锆杆120(只示出2根)截住，从而保持熔体流道开启。
通过人工释放开翼螺栓卡131而释放捅口杆82，作用在外杆端82a上的大气压则推动杆82朝着熔化坩埚移动并穿过熔体，从而使内杆端82b击破隔板92和内衬94。
为了不用捅口杆82来捅破隔板92，可以在隔板两侧建立一个压差来达到相同的目的。例如，可以在坩埚54上开端放置一个合适的氩气压力供给管道121和盖帽122(见图3)将氩气从例如一个普通的氩气源129经阀133引入熔化坩埚54内部，从而对熔化坩埚54内部加压。熔化坩埚54的内部可以相对于箱20加压，以便在隔板92两侧建立一个足够大的气压差，当熔体达到所要求的浇注温度时，由该气压差使隔板破开，由此释放熔体，使之从坩埚54流入铸型22中。
在图3中，Al熔体通过打开的阀141从坩埚110引入。熔体通过一个与开启阀141相连通的漏斗形注管(未示出)注入，流过管道121而进入熔化坩埚54。
如上面提及的，选取的铸型材料要使熔体在铸型22中凝固时熔体与铸型之间的反应达到最小程度。这也有助于生产出没有有害杂质污染的TiAl铸件。
当按上述方式将熔体浇注到铸型22中后，箱20和室52中再充入氩气，达到大气压力。装有熔体的铸型22就浸没在氩气气氛中，熔体在铸型22中冷却和凝固时可有效地防止铸件被氧化。一旦箱20和室52中充满氩气，可以降下升降机21使铸型部分(通过通道36充满氩气)与熔化部分12分开。箱20，充满了熔体的铸型22和熔化坩埚54由此从熔化部分12移走(即从熔化室52上移走)，从而可以将一个新的铸型箱20，铸型22和装满了新的钛料的熔化坩埚54按上述方法放入熔化室52中，以便重复上述周期。类似地，在坩埚110中形成新的熔融铝料C2。
参见图4，它示出了按照本发明的另一个实施例所述的、用反重力铸造法制造金属间化合物铸件的装置。更具体地说，该装置包括一个铸型部分210和一个熔化部分212，并且铸型部分置于熔化部分上方，用反重力浇注金属间熔体。借助于前述美国专利NO.5042561中所述的一种液压传动臂(此处未示出)可使铸型箱220相对于熔化部分12移动。
铸型部分210包含一个具有一个圆柱形腔室220a的钢制铸型箱220，在腔室220a中，一个具有许多型腔224的熔模铸型222被置于一种低反应性的颗粒材料中。铸型222支承在一个长的耐火材料(例如碳)制的浇注管223上，该管从此处悬挂在箱220外。注入管223与铸型222底部相连并密封地从箱220中的底部开口伸出(例如在美国专利NO.5042561所示的那样)。铸型直浇道228与浇注管223相通，并经横向浇口231与型腔224相通。熔模铸型222是按上述失蜡铸造法形成的。
铸型箱220有一个可打开和关闭的盖子225，该盖子经铰链225a与箱相连接。盖子225上装有一个经通气孔221与环境大气相通的橡胶垫片229。
铸型222埋置在颗粒材料226中，所选择的颗粒材料226相对于将要熔化和注入铸型222的特定的熔体具有低的反应性，因此当铸型222发生任何熔体泄漏时，熔体都会以一种不发生有害反应的方式而被限制在材料226中。适合于TiAl熔体的颗粒物已在上面描述过。当箱220中抽成一定的相对真空后，橡胶垫229就将铸型222周围的颗粒材料226压紧，在铸造期间支承铸型。
铸型箱220有一个周向延伸的室236，该室经一个普通的开/关阀238与一个真空源240(例如一个真空泵)相连通。室236上装有一个多孔板筛240，使颗粒材料226不能通过，从而将它们限制在箱220内。铸型箱220还有一个入口管道237，用于将来自一个合适氩气源247的氩气从一个恰当隔开的分配管道243引到箱220中。
熔化部分212包含一个金属(例如钢)制的熔化外壳250，该壳在耐火熔化坩埚254周围形成一个熔化室252。熔化外壳250有一个侧壁256和一个经密封垫260与侧壁密封在一起的可拆卸顶盖258。一个在前述美国专利NO.5042561中所述类型的滑动盖261设置在顶盖258的一个固定盖259上面，并且可以滑动，以便装入浇注管223，实施该专利中所述的目的。固定盖259有一个安装铸型浇注管223的孔口259a，如图4所示。滑动盖261有一个孔口261a，当孔口259a，261a对齐后，浇注管223可以装入孔口261a中，从而可将熔体从坩埚254注入铸型222中。
侧壁256上有一个密封入口266，用于将电源(未示出)的供电接头268a，268b通到设置在熔化坩埚254周围的室252中的感应线圈268上。侧壁256还有一个通口270，它经管道272和阀274与氩气源(或其它惰性气体源)276和真空源(如真空泵)278交替连通。
侧壁256上有一个内凸肩或凸缘284，其上装有支承感应线圈268的线圈支柱286。一种低反应性的颗粒材料219(与材料226相同)向上延伸到线圈268和熔化坩埚254之间，用于限制任何可能从位于低反应性的颗粒中的坩埚内泄漏出来的熔体。
熔化坩埚254包括一个支撑并固定(例如用硅盐钾陶瓷粘合剂)在一个陶瓷环291上面的圆筒形陶瓷壳290，所示的环291中有一个靠重力保持到位的易碎耐火隔板292，该板大约位于由壳290，环291和隔板292构成的熔化坩埚254的底部。隔板292有一个环形槽口292a，使得隔板在将要描述的方式下进行铸造操作时很容易破碎。
陶瓷外壳290和环291也是按照上述失蜡铸造法形成的。对于铸造TiAl来说，壳290，环291和隔板292包括上述针对图1中实施例所描述的材料。当壳290，环291和隔板292组装起来，形成熔化坩埚254后，坩埚254中要衬上GRAFOIL石墨片或石墨布材内衬294，其类型也与前述的相同。
熔化坩埚254的上开端由用纤维状氧化铝材料制成的封闭板300部分地封闭。板300有一个中央开口302，金属间熔体的熔融金属组成部分和铸型浇注管223可以通过该开口302引入坩埚中。
熔化坩埚254的封闭下端有一个外凸肩或凸缘310，它与一个最下端的激冷铸型箱322上的一个类似凸肩或凸缘320密封地接合。箱322包含一个放入其中的金属(例如铜)激冷铸型324，位于熔化坩埚254底部并使得环291密封地支承在激冷铸型324上。颗粒材料219置于环291周围并向下堆到激冷铸型上(如图所示)，并由一个套筒323围住。箱322支撑在一个升降机221上。
在按照本发明的一个反重力铸造法实施例的应用中，铸型222埋在箱220中的颗粒材料226中(例如氧化锆颗粒)，浇注管223伸出箱220外，见图4。
熔化坩埚254被组装并设置在箱322中的激冷铸型324上。用升降机221将箱322上升，使装有配料的坩埚254在熔化室252内的感应线圈268内定位，如图4所示。然后将颗粒219经开口302引入到熔化坩埚周围。固态非合金的钛块(金属间合金的第一种金属)配料C2被置于熔化坩埚254中，然后将板300放置在其上面。钛配料可以包括成本低的钛碎片，团块和其它上述合适的形状。如上所述，合金元素颗粒可以分布地加到钛配料C2中。
为了开始铸造，先将熔化室252抽真空到100微米的真空度，然后经通口270再充入氩气，使压力稍大于大气压力(＞5乇)。然后由感应线圈268对固态钛配料(熔化材料)进行预热，如果要求的话，加热到350-1500°F(即低于钛的液相线温度)。
同时在铸造装置外部的一个熔化坩埚(未示出，但与图1中的坩埚110类似)中将铝配料(熔化材料)熔化，以提供金属间合金的第二种金属组分。特别是，将废铝或其它非合金(或合金)的铝料在包含有粘土/石墨耐火内衬的坩埚中按照前述方式在空气环境下熔化。熔融铝加热到约80°F的过热度，然后经通口259a，261a和302注入熔化坩埚254中。加入坩埚254中的熔融铝数量相应于金属间合金中所要求的铝所占的重量百分比。
在氩气压力稍大于大气压力的状态下，对感应线圈268供电，以加热固态钛料和熔融铝料，使它们在坩埚254中熔化，并进行反应。钛料和铝料在熔化坩埚254中进行放热反应，产生大量的热量，该热量加速了熔化过程，缩短了为获得准备注入铸型222中的金属间熔体而需要的时间，同时也节省了由感应线圈268提供的电能。采用240KW的功率来生产TiAl熔体(42磅)，在感应线圈268被供电后只有1.25分钟就能进行浇注。一般地，范围在200-240KW的功率水平，供电时间在1.25-2.0分钟时，可以用来生产重量为40-50磅的TiAl熔体。功率和时间可以改变和控制，以便在短时间内达到所要求的过热度。
在坩埚254中生产出可以准备注入铸型222中的TiAl熔体M所需要的时间是相当短的，一般是通电时间不超过约2分钟。结果，熔体在坩埚254中的停留时间足够短到熔体和坩埚内耐火内衬之间不会发生有害的反应。这样生产的熔体对铸件的组织是有益的。
一旦熔体达到所要求的浇注温度(过热度)(例如只在1.25分钟之后)，就下降箱220，使浇注管223通过开口259a和302***坩埚254中的熔体M中(见图5)。箱220是由前述液压传动臂(未示出)进行移动的。在浇注管223浸入熔体之前或浸入熔体之时，经室236对箱中抽真空。因此将真空施加到铸型222上，该真空与熔化室252中的大气压力的氩气压相比较，从而在型腔224和熔化坩埚254中的熔体之间建立起一个负压差压，它足以将熔体向上抽吸，通过浇注管223进入铸型222中。
当铸型222中装填了熔体，并且铸件在型腔224中凝固后，则使箱220下降，使得浇注管223击破隔板292和内衬294。然后使箱220上升，将浇注管223从熔化室252中撤出。在这一运动中，浇注管223中的一些熔体排回到熔化坩埚中。该排回的熔体和熔化坩埚254中未用的剩余熔体则流入激冷铸型324中并在此迅速凝固。当激冷铸型中的熔体冷却到足够的温度(例如到1100°F)后，填充了熔体的激冷铸型324和坩埚254则可以通过下降升降机221而从熔化室252中移走。
采用激冷铸型324来迅速凝固排出的和来用完的熔体缩短了为进一步浇铸部件而建立一个新的箱322，激冷铸型324和装有钛料的坩埚254所需要的时间。如果没有激冷铸型234，排出的/未用完的熔体就需保留在坩埚254中，并且要慢慢地冷却到一个足够低的温度才能从熔化室中移走。
当新的箱322，激冷铸型324和装了料的坩埚254按上述方式放置在熔化室252中后，铝熔体可以在其它的熔化坩埚中准备(参见图1中坩埚110)，重复上述铸造过程，以便在箱220中浇注一个新的铸型222。结果缩短了铸造周期。
充有熔体的铸型222(刚从熔化室252中移出)保持在其箱220中，并经入口237流过氩气，这样，熔体可以在氩气气氛下凝固和/或冷却到环境状态，如前所述，所选取的铸型材料要能当熔体在铸型222中凝固时使熔体与铸型间的反应最小。这一点也有助于生产出没有有害杂质污染的TiAl铸件。
图4-5中所示的装置的特征在于其铸造周期很短。例如，在生产由TiAl制成的汽车排气阀时，各有270个型腔的三个铸型222可以用图3中的装置用一小时以反重力铸造法铸造出来。熔化坩埚中的TiAl料为54磅，当铸型222充满熔体后将浇注管223撤出熔体时，有11磅熔体从浇注管223中排出。结果用图4-5的装置每一年可以铸造总数为4百万排气阀。与现有技术相比，这些阀是以低的成本铸造的，并且没有由于熔体与熔化坩埚和熔体与铸型的反应而产生的有害杂质污染。
虽然出于说明的目的这里只详细公开了本发明的一个具体优选实施例，但是人们将会认识到所公开的装置的变型或改造，包括部件的重新布置都属于本发明的范畴。

Claims (27)

1.一种制造金属间化合物铸件的方法，包括以下步骤：
a)将包含第一种固态金属的第一配料置于一熔化坩埚中，
b)熔化包含第二种金属的第二配料，
c)将熔融的第二配料引入上述熔化坩埚中，使之与第一配料接触，
d)由上述第一和第二配料形成一金属间化合物熔体，
所述方法其特征在于：
e)采用一能与所述第一种金属进行放热反应的第二金属，
f)加热在熔化坩埚中第一和第二配料，使第一种金属和第二种金属进行放热反应，形成用于铸造的所述的金属间化合物熔体，并由此放热反应缩短获取所述金属间化合物熔体所需的时间和熔体在熔化坩埚中的停留时间，以减少由于金属间化合物熔体与熔化坩埚反应而使熔体遭受的污染，
g)将该金属间化合物熔体从熔化坩埚浇注到一个铸型中，以便当该金属间化合物熔体凝固时形成所述的铸件。
2.按权利要求1的方法，其特征在于：还进一步包括在第二熔融配料引入熔化坩埚之前预热所述第一配料。
3.按权利要求1的方法，其特征在于：所述第一配料包括许多固态块料的第一种金属。
4.按权利要求3的方法，其特征在于：所述块料包括含第一金属的废碎料。
5.按权利要求1的方法，其特征在于：第一和第二配料在熔化坩埚中通过对围绕熔化坩埚的感应线圈供能而被加热。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于：通过捅破熔化坩埚底部处的一个隔板使铸型与熔化坩埚相通，从而使所述金属间化合物熔体借重力注入置于熔化坩埚下面的铸型中。
7.按权利要求6的方法，其特征在于：所述隔板由一个捅口件冲击它而被打破。
8.按权利要求7的方法，其特征在于：捅口件放置在这样一个位置上，在此处捅口件的一端位于被抽成低于环境压力的熔化坩埚内部而另一端位于处于环境压力下的熔化坩埚外部，并设置了用于在接近另一端将杆保持住而防止它相对于熔化坩埚运动的装置。
9.按权利要求8的方法，其特征在于：所述的另一端在熔体处于浇注温度时被释放开，从而作用在所述另一端上的环境压力使捅口件朝熔化坩埚方向移动，促使所述一端冲击并打破所述隔板。
10.按权利要求6的方法，其特征在于：所述隔板是由在其两侧建立了足够将其打破的压力差而被打破的。
11.按权利要求10的方法，其特征在于：所述压力差是通过对熔化坩埚加压、从而比所述铸型内的压力要高而建立的。
12.按权利要求1的方法，其特征在于：所述金属间化合物熔体由反重力法注入置于熔化坩埚上方的铸型中。
13.按权利要求12的方法，其特征在于：还进一步包括通过打破熔化坩埚底部的一个隔板而排出在反重力铸造后剩留在熔化坩埚中的金属间化合物熔体。
14.按权利要求13的方法，其特征在于：还进一步包括通过打破隔板使一个置于熔化坩埚下面的激冷铸型与熔化坩埚连通，以使剩余的金属间化合物的熔体流入并凝固在激冷铸型中。
15.按权利要求1-14任一项的方法，其特征在于：所述的第一种金属是从一组包括钛、镍及铁的金属中选出的。
16.按权利要求1-14任一项的方法，其特征在于：所述的第二种金属是从一组包括铝、硅的材料中选出。
17.按权利要求1-14任一项的方法，其特征在于：采用铝作为所述的第二种金属来制造铝的金属间化合物铸件。
18.按权利要求17的方法，其特征在于：所述第二配料在第二熔化坩埚中被熔化，然后被引入到含有所述第一配料的熔化坩埚中。
19.按权利要求1-14任一项的方法，其特征在于：为制造钛铝金属间化合物铸件，将固态钛置于所述熔化坩埚中，所述的第一配料在一真空、惰性气体或者其它基本上不反应的气氛中被预热到低于钛的液相线温度的一升高的温度，其中所述的包括铝的第二配料在一第二熔化坩埚中被熔化，及所述的金属间化合物熔体在一个真空、惰性气体或基本上不反应的气氛中被浇注到铸型中。
20.制造金属间化合物铸件的装置，包括：
a)用于容装包含第一种固态金属的第一配料的第一熔化坩埚，
b)用于熔化包含第一种金属的第二配料的第二熔化坩埚，
c)用于将熔融的第二配料引入第一熔化坩埚使之与第一金属配料接触的装置，其特征在于：
d)所述的第一种和第二种金属相互间能够进行放热反应，
e)用于加热第一熔化坩埚中第一和第二配料使它们进行放热反应而形成铸造用的金属间化合物熔体的装置，通过该放热反应缩短为获得所述金属间化合物熔体所需要的时间和熔体停留在熔化坩埚中的时间，从而减少由于所述金属间化合物熔体与熔化坩埚反应而使熔体受到的污染，
f)用于将所述金属间化合物熔体注入一铸型以便在金属间化合物熔体凝固后形成金属间化合物铸件的装置。
21.按权利要求20的装置，其特征在于：用于浇注金属间化合物熔体的装置包括用于打破第一熔化坩埚底部的一个隔板以使熔化坩埚与下面的一个铸型相通从而借重力将金属间化合物熔体注入铸型中的部件。
22.按权利要求20的装置，其特征在于：用于浇注所述金属间化合物熔体的装置包括用于通过铸型和所述金属间化合物熔体之间的一个浇注管将所述金属间化合物熔体反重力浇注到一个置于熔化坩埚上面的铸型中的装置。
23.按权利要求22的装置，其特征在于：进一步包括用于在熔体反重力注入铸型后排出熔化坩埚中剩余所述金属间化合物熔体的装置，这种排出装置包括沿一方向移动浇注管来打破所述第一熔化坩埚底部的隔板以释放出其中剩留的所述金属间化合物熔体的装置。
24.按权利要求23的装置，其特征在于：进一步包括一个设置在熔化坩埚下面的且在隔板打破时与熔化坩埚相通的激冷铸型，用于收容和在其中凝固的剩留的所述金属间化合物熔体。
25.按权利要求20的装置，其特征在于：所述加热装置包括一个设置在熔化坩埚周围的感应线圈。
26.按权利要求20的装置，其特征在于：包括一个置于一个耐火颗粒材料中的熔模铸型。
27.按权利要求20的装置，其特征在于：包括防止所述金属间化合物熔体和铸件与空气发生有害反应的装置。
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