CN112517889B - 一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***及方法，包括依次套装于型砂的冒口外侧的石墨套、加热线圈、绝热套、不锈钢保护套；还包括LIBS夹持机构、LIBS装置、红外测温仪、测温仪夹持机构、工控机和感应加热电源。本发明通过LIBS装置实时监测冒口处液态钛合金的化学成分，通过工控机对化学成分检测结果进行计算处理，并控制感应加热电源动态调整冒口处液态钛合金的温度，本发明通过冒口处液态钛合金成分信息动态调整冒口加热温度，技术先进，能够提升大型钛合金机匣铸件的整体冶金质量，减轻铸件中不同位置处的成分偏析。

Description

一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***及方法
技术领域
本发明属于钛合金铸造技术领域，涉及一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***及方法。
背景技术
铸造工艺是生产钛合金机匣的主要工艺之一，由于航空发动机机匣零件尺寸大、钛合金热导率低等特点，钛合金机匣铸造过程中很容易发生冷却不均导致的成分偏析，使得零件良品率低，不能满足设计和使用要求。为了提高钛合金机匣铸件的成分均匀性，现有技术中采用冒口加热或保温方法对冒口温度进行控制，从而减弱机匣铸件冷却后的成分偏析问题。现有方案多为在冒口处增设加热装置或保温结构，以固定参数进行加热或保温，但钛合金化学成分复杂，在铸造工艺中，液态钛合金会经历十分复杂的凝固过程，难以保证零件凝固后冶金成分的均匀性。
现有技术中的冒口加热装置均采用定参数或预先设置好的参数进行冒口加热，但对于钛合金机匣这类大尺寸复杂结构零件，其冒口数量众多，分布在零件上的各个位置，采用预先设置好的参数无法保证每个冒口处的温度满足零件均匀冷却所需的温度，同时每次铸造采用的原材料属性都有所差异，预先设定加热参数无法考虑原材料的差异性。
发明内容
本发明的目的是：本发明提供一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***及方法，能够显著提升钛合金机匣零件铸造的冶金质量，减轻铸件的化学成分偏析。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***，包括：
石墨套，套设于型砂的冒口外侧，其中高温液态钛合金在型砂的内腔中冷却凝固形成钛合金机匣铸件；
加热线圈，套设于所述石墨套的外侧；
绝热套，套设于所述加热线圈的外侧；
不锈钢保护套，套设于所述绝热套的外侧；
LIBS装置，其探头贴近冒口内部液态钛合金液面位置，所述LIBS装置用于实时测量冒口中的高温液态钛合金的化学成分；
红外测温仪，用于实时测量冒口内部液态钛合金的温度；
感应加热电源，与加热线圈电连接，用于向加热线圈输出交流电流；
工控机，用于实时接收所述LIBS装置所测量的冒口中液态钛合金的化学成分，以及实时接收所述红外测温仪所测量的冒口中液态钛合金的温度，并通过将LIBS装置所测量的钛合金的化学成分与工控机中所存储的冒口处不同钛合金化学成分对应的冒口最优温度范围的工艺数据库进行实时比对，获得冒口处实际应达到的最优温度范围，然后根据当前红外测温仪所测量的冒口中液态钛合金的温度以及所获得的冒口处实际应达到的最优温度范围，实时控制所述感应加热电源工作，从而控制加热线圈的加热功率，使得冒口中液态钛合金的温度实时控制在实际应达到的最优温度范围内。
上述LIBS装置固定在LIBS夹持机构上，LIBS夹持机构用于调节LIBS装置的位置，以使LIBS装置的探头贴近冒口中液态钛合金液面位置；所述LIBS装置所测量的冒口中的高温液态钛合金的化学成分的测量结果通过信号线传输给所述工控机。
上述红外测温仪固定在测温仪夹持机构上，测温仪夹持机构用于调节红外测温仪的位置，以使红外测温仪能够测量到冒口内部液态钛合金的温度。
上述的LIBS装置包括：
探头；
脉冲激光器，用于输出波长1064nm的纳秒脉冲激光束；
长通滤波片，用于透射波长大于等于600nm的光波，并反射波长小于600nm的光波；
激光反射镜，用于将所述纳秒脉冲激光束反射向长通滤波片；
聚焦凸透镜，用于将长通滤波片所透射出的光波聚焦于探头的出口端，还用于会聚所述纳秒脉冲激光束在冒口内部液态钛合金上所激发的等离子体的发射光，所述等离子体的发射光经聚焦凸透镜会聚后进一步被所述长通滤波片反射向收光凸透镜；
收光凸透镜，用于对长通滤波片所反射的经聚焦凸透镜会聚后的等离子体的发射光进行二次会聚，并聚焦于光谱仪的光入口端；
光谱仪，用于对收光凸透镜会聚、并聚焦于其光入口端的光波进行色散并测量色散后的各波长对应的光强；
密封外壳，所述脉冲激光器、激光反射镜、长通滤波片、聚焦凸透镜、收光凸透镜以及光谱仪均安装在所述密封外壳内部；所述密封外壳的侧壁上还设有氩气入口；所述探头也焊接在密封外壳的侧壁上；通过所述氩气入口通入压缩氩气，所述探头的出口端的内径逐渐减小，氩气在密封外壳内形成流通，从氩气入口流入，从探头的出口端流出，密封外壳内通入氩气一方面使整个光路处于惰性气体氩气氛围中，另一方面能够使探头8-7的出口端得到冷却。
上述的脉冲激光器的类型为Nd:YAG固态激光器，能够输出波长为1064nm，脉冲宽度为5ns，重复频率10Hz的脉冲激光束。
一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热方法，包括如下步骤：
通过LIBS装置对钛合金机匣铸造过程冒口中的液态钛合金的化学成分进行实时测量；
实时测量冒口中的液态钛合金的温度；
通过将LIBS装置所测得的冒口处液态钛合金的化学成分与冒口处钛合金化学成分对应的冒口最优温度范围的工艺数据库进行实时比对，得到冒口处实际应达到的最优温度范围，同时结合实时测量的冒口处液态钛合金的温度，实时调整冒口的加热功率，使得冒口中液态钛合金的温度实时控制在实际应达到的最优温度范围内。
本发明的有益效果是：与传统冒口加热技术相比，本发明通过LIBS装置实时监测冒口处液态钛合金的化学成分，采用工控机将LIBS装置监测获得的实时化学成分信息与冒口最优温度工艺数据库比对，获得与冒口处液态钛合金实时化学成分对应的冒口最优温度范围，进而通过加热线圈和红外测温仪实时动态调节冒口温度，使冒口温度控制在与冒口处液态钛合金实时化学成分对应的冒口最优温度范围内。本发明通过LIBS技术在线成分监测、工控机比对冒口最优温度工艺数据库、加热***闭环调节温度实现铸造过程的冒口温度控制，技术先进，相比于传统的定参数冒口加热方法，本发明能够实现对钛合金机匣铸造过程中冒口温度的精细控制，从而优化铸件的凝固过程，减轻铸件中不同位置处的成分偏析，显著提升大型钛合金机匣铸件的整体冶金质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明在冒口处的结构示意图；
图2是钛合金机匣铸件的结构示意图；
图3是本发明LIBS装置的内部结构示意图；
图4是本发明工控机***连接示意图；
图5是本发明工控机比对冒口最优温度工艺数据库的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是近些年发展起来的一种发射光谱分析方法，它通过聚焦脉冲激光束到样品上，在短时间内烧蚀焦点附近样品材料，使材料快速升温、气化，进而产生等离子体；在等离子体的演变过程中，会向外辐射不同波长的光子，每种元素都能找到与之对应的特征波长，通过收集和分析等离子体的发射光谱，即可实现对样品中各元素成分的分析，整个LIBS分析过程通常仅耗时数秒。LIBS具有非接触、多元素同时检测、全光学激发、分析速度快、无需制样、激光烧蚀量小等特点，在原位/在线测量场合显示出巨大优势。随着LIBS技术的发展和成熟，其在空天探测、环境保护、地质分析、冶金分析、煤质检测等领域已取得成功应用。
为了解决本发明背景所揭示的现有技术中的缺陷，本发明采用LIBS装置对冒口处的液态钛合金成分进行实时监测，根据成分监测信息实时计算冒口位置的实时最优温度，最后通过闭环***动态加热冒口，使冒口温度尽可能接近最优温度。相对于目前的现有技术，本发明冒口处的加热功率是根据LIBS装置对冒口处液态钛合金成分实时监测结果而动态调整的，因此能够根据铸造过程中每个冒口的实际实时成分偏析情况针对性的提供加热功率，从而保证了最终铸件的成分均匀性。
具体地，参见图1，本发明公开了一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***及方法，本发明***包括石墨套3、加热线圈4、绝热套5、不锈钢保护套6、LIBS夹持机构7、LIBS装置8、红外测温仪9、测温仪夹持机构10、工控机11和感应加热电源12等，其中高温液态钛合金在型砂2的内腔中冷却凝固形成钛合金机匣铸件1；石墨套3套设安装在型砂2的冒口结构上，加热线圈4套设安装在石墨套3的外侧，绝热套5套设安装在加热线圈4的外侧，不锈钢保护套6套设安装在绝热套5的外侧；LIBS装置8固定在LIBS夹持机构7上，可通过调节LIBS夹持机构7使LIBS装置8的探头贴近冒口中液态钛合金液面位置；红外测温仪9固定在测温仪夹持机构10上，可通过调节测温仪夹持机构10使红外测温仪9能够测量到冒口内部液态钛合金的温度；LIBS装置8测量结果通过信号线传输给工控机11，工控机11通过信号线控制感应加热电源12工作，使感应加热电源12向加热线圈4输出的交流电流发生变化，同时通过红外测温仪9测量温度，将液态钛合金的温度控制在工控机11设定的目标温度。
参见图2，所述的钛合金机匣铸件1是包含了多个冒口结构的大尺寸复杂零件，冒口数量多，分布在钛合金机匣铸件1的不同位置上。
参见图3，所述的LIBS装置8包括脉冲激光器8-1、密封外壳8-2、氩气入口8-3、激光反射镜8-4、长通滤波片8-5、聚焦凸透镜8-6、探头8-7、收光凸透镜8-8和光谱仪8-9。其中脉冲激光器8-1、激光反射镜8-4、长通滤波片8-5、聚焦凸透镜8-6、收光凸透镜8-8和光谱仪8-9安装在密封外壳8-2内；氩气入口8-3焊接在密封外壳8-2侧面；探头8-7焊接在密封外壳8-2侧面。LIBS装置8的工作过程为：脉冲激光器8-1输出波长为1064nm的纳秒脉冲激光束，通过激光反射镜8-4反射，穿过长通滤波片8-5，经聚焦凸透镜8-6聚焦于探头8-7的出口端，聚焦的纳秒脉冲激光束在液态的钛合金机匣铸件1上激发等离子体，等离子体的发射光经聚焦凸透镜8-6一次会聚、长通滤波片8-5反射和收光凸透镜8-8二次会聚后聚焦于光谱仪8-9的入口端；所述探头8-7为筒状结构，探头8-7的出口端被制作成内径逐渐减小的状态(详见图3的探头下端)，LIBS装置8开始测量前，从氩气入口8-3通入压缩氩气，氩气在LIBS装置8的内腔中(密封外壳8-2中)形成流通，由氩气入口8-3流入，从探头8-7的出口端流出，密封外壳内通入氩气一方面使整个光路处于惰性气体氩气氛围，另一方面使探头8-7的出口端得到冷却。
所述的脉冲激光器8-1的类型为Nd:YAG固态激光器，能够输出波长1064nm，脉冲宽度为5ns，重复频率10Hz的脉冲激光束；长通滤波片8-5的工作面能够透射波长大于等于600nm的光波、反射波长小于600nm的光波；光谱仪8-9能够将波长范围为180～600nm的光波进行色散并探测各个波长对应的光强。
参见图4，具体地，工控机11实时接收所述LIBS装置8所测量的冒口中液态钛合金的化学成分，以及实时接收所述红外测温仪9所测量的冒口中液态钛合金的温度，并通过将LIBS装置8所测量的钛合金的化学成分与工控机11中所存储的冒口处不同钛合金化学成分对应的冒口最优温度范围的工艺数据库进行实时比对，获得冒口处实际应达到的最优温度范围，然后根据当前红外测温仪9所测量的冒口中液态钛合金的温度以及所获得的冒口处实际应达到的最优温度范围，实时控制所述感应加热电源12工作，从而控制加热线圈4的加热功率，使得冒口中液态钛合金的温度实时控制在实际应达到的最优温度范围内。
参见图5，所述的工控机11比对冒口最优温度工艺数据库的流程为：工控机11接收所述LIBS装置8所测量的实时化学成分作为输入，将实时化学成分与冒口最优温度工艺数据库中的化学成分数据比对，确定实时最优温度范围作为输出；工控机11进而通过所述红外测温仪9所测量的实时冒口温度与实时最优温度范围比对，确定感应加热电源控制信号输出到所述的感应加热电源12。
本发明方法为：通过LIBS装置8对钛合金机匣铸造过程冒口中的液态钛合金的化学成分进行实时测量；同时实时测量冒口中的液态钛合金的温度；然后通过将LIBS装置8所测得的冒口处液态钛合金的化学成分与冒口处钛合金化学成分对应的冒口最优温度范围的工艺数据库进行实时比对，得到冒口处实际应达到的最优温度范围，同时结合实时测量的冒口处液态钛合金的温度，实时调整冒口的加热功率，使得冒口中液态钛合金的温度实时控制在实际应达到的最优温度范围内。
综上所述，本发明与传统冒口加热技术相比，通过LIBS装置实时监测冒口处液态钛合金的化学成分，采用工控机将LIBS装置监测获得的实时化学成分信息与冒口最优温度工艺数据库比对，获得与冒口处液态钛合金实时化学成分对应的冒口最优温度范围，进而通过加热线圈和红外测温仪实时动态调节冒口温度，使冒口温度控制在与冒口处液态钛合金实时化学成分对应的冒口最优温度范围内。本发明通过LIBS技术在线成分监测、工控机比对冒口最优温度工艺数据库、加热***闭环调节温度实现铸造过程的冒口温度控制，技术先进，相比于传统的定参数冒口加热方法，本发明能够实现对钛合金机匣铸造过程中冒口温度的精细控制，从而优化铸件的凝固过程，减轻铸件中不同位置处的成分偏析，显著提升大型钛合金机匣铸件的整体冶金质量。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***，其特征在于，包括：
石墨套(3)，套设于型砂(2)的冒口外侧，其中高温液态钛合金在型砂(2)的内腔中冷却凝固形成钛合金机匣铸件(1)；
加热线圈(4)，套设于所述石墨套(3)的外侧；
绝热套(5)，套设于所述加热线圈(4)的外侧；
不锈钢保护套(6)，套设于所述绝热套(5)的外侧；
LIBS装置(8)，其探头(8-7)贴近冒口内部液态钛合金液面位置，所述LIBS装置(8)用于实时测量冒口中的高温液态钛合金的化学成分；
红外测温仪(9)，用于实时测量冒口内部液态钛合金的温度；
感应加热电源(12)，与加热线圈(4)电连接，用于向加热线圈(4)输出交流电流；
工控机(11)，用于实时接收所述LIBS装置(8)所测量的冒口中液态钛合金的化学成分，以及实时接收所述红外测温仪(9)所测量的冒口中液态钛合金的温度，并通过将LIBS装置(8)所测量的钛合金的化学成分与冒口处钛合金化学成分对应的冒口最优温度范围的工艺数据库进行实时比对，获得冒口处实际应达到的最优温度范围，然后根据当前红外测温仪(9)所测量的冒口中液态钛合金的温度以及所获得的冒口处实际应达到的最优温度范围，实时控制所述感应加热电源(12)工作，从而控制加热线圈(4)的加热功率，使得冒口中液态钛合金的温度实时控制在实际应达到的最优温度范围内。
2.如权利要求1所述的一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***，其特征在于，所述LIBS装置(8)固定在LIBS夹持机构(7)上，LIBS夹持机构(7)用于调节LIBS装置(8)的位置，以使LIBS装置(8)的探头贴近冒口中液态钛合金液面位置；所述LIBS装置(8)所测量的冒口中的高温液态钛合金的化学成分的测量结果通过信号线传输给所述工控机(11)。
3.如权利要求1所述的一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***，其特征在于，所述红外测温仪(9)固定在测温仪夹持机构(10)上，测温仪夹持机构(10)用于调节红外测温仪(9)的位置，以使红外测温仪(9)能够测量到冒口内部液态钛合金的温度。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***，其特征在于：所述的LIBS装置(8)包括：
探头(8-7)、脉冲激光器(8-1)、长通滤波片(8-5)；
所述脉冲激光器(8-1)用于输出波长1064nm的纳秒脉冲激光束；
激光反射镜(8-4)，用于将所述纳秒脉冲激光束反射向长通滤波片(8-5)；
聚焦凸透镜(8-6)，用于将长通滤波片(8-5)所透射出的光波聚焦于探头(8-7)的出口端，还用于会聚所述纳秒脉冲激光束在冒口内部液态钛合金上所激发的等离子体的发射光，所述等离子体的发射光经聚焦凸透镜(8-6)会聚后进一步被所述长通滤波片(8-5)反射向收光凸透镜(8-8)；
收光凸透镜(8-8)，用于对长通滤波片(8-5)所反射的经聚焦凸透镜(8-6)会聚后的等离子体的发射光进行二次会聚，并聚焦于光谱仪(8-9)的光入口端；
光谱仪(8-9)，用于对收光凸透镜(8-8)会聚、并聚焦于其光入口端的光波进行色散并测量色散后的各波长对应的光强；
密封外壳(8-2)，所述脉冲激光器(8-1)、激光反射镜(8-4)、长通滤波片(8-5)、聚焦凸透镜(8-6)、收光凸透镜(8-8)以及光谱仪(8-9)均安装在所述密封外壳(8-2)内部；所述密封外壳(8-2)的侧壁上还设有氩气入口(8-3)；所述探头(8-7)也焊接在密封外壳(8-2)的侧壁上；通过所述氩气入口(8-3)通入压缩氩气，所述探头(8-7)的出口端的内径逐渐减小，氩气在密封外壳(8-2)内形成流通，从氩气入口(8-3)流入，从探头(8-7)的出口端流出，密封外壳(8-2)内通入氩气一方面使整个光路处于惰性气体氩气氛围中，另一方面能够使探头(8-7)的出口端得到冷却。
5.根据权利要求4所述的一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***，所述长通滤波片(8-5)用于透射波长大于等于600nm的光波，并反射波长小于600nm的光波。
6.根据权利要求4所述的一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热***，其特征在于：所述的脉冲激光器(8-1)的类型为Nd:YAG固态激光器，能够输出波长为1064nm，脉冲宽度为5ns，重复频率10Hz的脉冲激光束。
7.一种钛合金机匣铸造过程冒口动态加热方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过LIBS装置(8)对钛合金机匣铸造过程冒口中的液态钛合金的化学成分进行实时测量；
实时测量冒口中的液态钛合金的温度；
通过将LIBS装置(8)所测得的冒口处液态钛合金的化学成分与冒口处钛合金化学成分对应的冒口最优温度范围的工艺数据库进行实时比对，得到冒口处实际应达到的最优温度范围，同时结合实时测量的冒口处液态钛合金的温度，实时调整冒口的加热功率，使得冒口中液态钛合金的温度实时控制在实际应达到的最优温度范围内。
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