CN115558811A - 利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备与方法 - Google Patents

利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备与方法，固定片的中间固定有水冷铜坩埚，水冷铜坩埚的中间固定有陶瓷模壳，超声振头的下端顶在陶瓷模壳上，水冷铜坩埚的外周设有水冷铜线圈，箱体底板的下端固定有镓铟容器，镓铟容器的下侧设置有超声波发生器，超声波发生器的下侧设置有抽拉装置。方法如下：将TiAl合金材料的物料棒放入到陶瓷模壳中；抽真空在惰性气体保护下，熔化物料棒；熔体保持半固态的温度，启动超声波发生器缓慢降温；当熔体完全凝固后停止加热，使凝固的半固态合金进入到镓铟液中冷却；取出铸件。本发明可提升TiAl铸件的致密性，获得具有球化组织的TiAl合金，提升TiAl合金的热加工变形能力。

Description

利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备与方法
技术领域
本发明属于金属材料热加工领域，涉及一种利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备与方法。
背景技术
随着国产大飞机的发展，民航飞机受了广泛的关注。民航飞机每减重1公斤，每年可省6万美元的燃油费，因此降低涡轮叶片重量是目前涡轮叶片发展方向之一。钛铝合金的密度约为镍基合金的一半，且具有良好的比强度和高温抗蠕变性能，被期望于在飞机发动机低压涡轮叶片(600～900℃)上部分代替传统镍基高温合金，实现对叶片减重的目标。目前TiAl合金的室温塑性较差，高温变形可细化TiAl合金组织并提升TiAl合金室温塑性与力学性能。但TiAl合金作为金属间化合物，其高温变形性能较差，通常需要在1200℃以上的温度进行变形加工，这导致传统热加工设备无法对TiAl合金进行热加工。需要通过包括热锻造和热等静压等手段实现TiAl合金变形加工，这增加了TiAl合金热加工的成本。通过提升TiAl合金的变形能力，可降低TiAl合金变形温度，从而降低TiAl热加工成本。半固态加工可获得球化的合金组织，提升合金的变形能力与致密性，有利于材料的加工变形，但是TiAl合金的固液混合相区间较小、熔点较高，且TiAl合金的熔体活泼性较高，这限制了TiAl半固态材料的发展。
利用超声振动与电磁场搅拌相结合连续制备TiAl半固态材料的方法，包括电磁场对物料进行加热融化，而后在电磁场搅拌和超声振动相结合的作用下，击碎TiAl合金凝固过程中形成的枝晶，使TiAl合金组织球化凝固并形成半固态组织。克服了TiAl合金制备过程中温度难以控制，组织难以实现球化，且难以实现半固态制造的问题。可实现TiAl半固态材料的制备，进而提升TiAl合金的变形能力，有利于TiAl合金后续热加工变形。
我国专利CN201910792245.5，公开了一种非接触式超声振动细化晶粒的设备及方法，其超声振动的结构部分适用于与电磁场结合，采用超声技术辅助凝固实现对合金组织细化，进而制备TiAl半固态材料。但该现有技术也存在些许不足，也不能很好的超声与电磁场击碎TiAl合金凝固过程中形成的枝晶，并使凝固组织球化，增加凝固TiAl合金组织致密性与变形能力，进而提升TiAl合金的综合性能。
发明内容
发明目的
本发明要解决的技术问题是克服了TiAl合金制备过程中温度难以控制，组织难以实现球化，且难以实现半固态制造的问题，提供一种有效控制TiAl熔体温度，利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备与方法，可提升TiAl铸件的致密性，并提升TiAl合金的热加工变形能力。
技术方案
利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，包括有箱体，箱体的上端设有箱盖，超声振头的上端固定在超声振头支撑夹具上，超声振头支撑夹具的下端固定在支撑夹具底座上，超声振头的下端穿过了箱盖，箱盖位于超声振头的四周固定有多个固定片连接杆，多个固定片连接杆的下端连接有一个固定片，固定片的中间部分固定有水冷铜坩埚，水冷铜坩埚的中间套接固定有陶瓷模壳，超声振头的下端顶在陶瓷模壳上，水冷铜坩埚的外周设有水冷铜线圈，箱体内并且位于水冷铜坩埚的下侧固定有箱体底板，箱体底板的下端固定有镓铟容器，镓铟容器的下侧设置有超声波发生器，超声波发生器的超声发射端朝上并且固定有超声杆，超声杆穿过了镓铟容器，超声波发生器的下侧设置有抽拉装置，抽拉装置朝上设置的升降杆连接在超声波发生器的下端，箱体底板和镓铟容器设置有竖直的通孔，水冷铜坩埚的中心、箱体底板的通孔和镓铟容器的通孔同心。
进一步的，所述超声振头与箱盖之间设有直线轴承a，直线轴承a的上端和下端设置有骨架油封a。
进一步的，所述抽拉装置和超声波发生器的外侧设置有一个保护壳体，保护壳体与超声杆之间设置有直线轴承b，直线轴承b的上端和下端设置有骨架油封b。
进一步的，所述水冷铜坩埚的壁内设置有冷却水腔，冷却水腔通过水管与箱体外的水源连接；水冷铜线圈内通有冷却水，通过水管与箱体外的水源连接，水冷铜线圈外缠有绝缘胶带，线圈匝数为5～100匝。
进一步的，所述陶瓷模壳的竖直通槽内壁嵌有热电偶，热电偶通过螺旋导线连接箱体外的温度显示单元，热电偶为石墨热电偶。
进一步的，所述水冷铜坩埚的内径为10～50mm，高度为20～200mm，内层和外层的壁厚皆为15mm，内层和外层壁皆设有四个位置相对应的开缝，开缝高度为80mm，开缝填有填缝材料。
进一步的，所述陶瓷模壳材质为氧化钇，内径为5～95mm，高度为50～300mm，壁厚为2～50mm。
一种使用如所述的装备超声与电磁场制备TiAl半固态材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将TiAl合金材料的物料棒放入到陶瓷模壳中；物料棒与超声杆相连；
步骤二、将箱体内抽真空至5MPa，而后通入氩气至300MPa，对水冷铜线圈和水冷铜坩埚通入循环冷却水，在惰性气体保护下，对坩埚外的水冷铜线圈通电，熔化物料棒；
步骤三、调整水冷铜线圈的输入功率使物料棒的熔体保持半固态的温度，启动超声振头和超声波发生器，超声振头和超声杆同时对熔体施加超声，此时通过降低控制线圈输入功率，开始缓慢降温；
步骤四、当合金完全凝固时，停止加热，停止超声振头和超声波发生器，升降杆下降，使超声处理的物料棒进入到镓铟液中冷却，防止组织粗化；
步骤五、超声处理的物料棒在镓铟冷却液中冷却五分钟后，通入空气，取出铸件。
进一步的，所述水冷铜坩埚的内径比陶瓷模壳的外径尺寸大0.5mm，陶瓷模壳的内径比物料棒的外径尺寸大0.5mm。
进一步的，所述步骤三和步骤四中超声振头和超声波发生器超声频率固定不变为20kHz，最大输出功率为1200W，输出振幅为5～7μm。
优点及效果
1.采用电磁冷坩埚与陶瓷模壳相结合对物料棒进行重熔，并在半固态温度区间保温，使固相在半固态区间球化长大，增加TiAl半固态材料固相的圆整度，克服TiAl合金熔点高且液相温度期间小的问题。
2.电磁搅拌与超声振动相结合，可有效打碎TiAl合金凝固过程中形成的树枝晶，提半固态合金的固相率以及半固态合金固相的圆整度，提升TiAl致密度与变形能力，克服TiAl合金制备过程组织难以球化的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备的结构示意图；
图2为水冷铜坩埚到镓铟容器处的结构示意图；
图3为开缝处的结构示意图；
图4为在扫描电镜下Ti-44Al半固态材料局部组织图片；
图5为在扫描电镜下Ti-44Al-6Nb半固态材料局部组织图片。
附图标记说明：1.超声振头、2.陶瓷模壳、3.水冷铜坩埚、4.冷却水腔、5.水冷铜线圈、6.物料棒、7.热电偶、8.箱体底板、9.超声杆、10.镓铟冷却液、11.镓铟容器、12.升降杆、13.电源、14.箱体、15.箱盖、16.螺母、17.电源、18.超声振头支撑夹具、19.骨架油封a、20.固定片连接杆、21.固定片、22.保护壳体、23.支撑夹具底座、24.直线轴承a、25.螺旋导线、26.抽拉装置、27.直线轴承b、28.超声波发生器、29.骨架油封b、30.开缝、31.填缝材料。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，包括有箱体14，箱体14的上端设有箱盖15，超声振头1的上端固定在超声振头支撑夹具18上，超声振头1连接有电源17，超声振头支撑夹具18的下端螺纹固定在支撑夹具底座23上，超声振头1的下端穿过了箱盖15，超声振头1与箱盖15之间设有直线轴承a 24，直线轴承a 24的上端和下端设置有骨架油封a19，箱盖15位于超声振头1的四周通过螺母16固定有多个固定片连接杆20，多个固定片连接杆20的下端通过螺母16固定连接有一个固定片21，固定片21的中间部分螺纹或者焊接固定有水冷铜坩埚3，水冷铜坩埚3的中间过盈套接固定有陶瓷模壳2，超声振头1的下端顶在陶瓷模壳2上，陶瓷模壳2的竖直通槽内壁嵌有热电偶7，热电偶7通过螺旋导线25连接箱体14外的温度显示单元，螺旋导线25可以有效吸收超声振动，避免热电偶7断连，热电偶7为石墨热电偶，陶瓷模壳2的中间设置有物料棒6，物料棒6距离陶瓷模壳顶端50mm，陶瓷模壳2材质为氧化钇，内径为5～95mm，高度为50～300mm，壁厚为2～50mm。水冷铜坩埚3的外周设有水冷铜线圈5，水冷铜线圈5通过导线与箱体14外的电源13连接，水冷铜坩埚3的壁内设置有冷却水腔4，冷却水腔4通过水管与箱体14外的水源连接；水冷铜线圈5内通有冷却水，通过水管与箱体14外的水源连接，水冷铜线圈5外缠有绝缘胶带，线圈匝数为5～100匝；水冷铜坩埚3的内径为10～50mm，高度为20～200mm，内层和外层的壁厚皆为15mm，内层和外层壁皆设有四个位置相对应的开缝30，开缝30高度为80mm，开缝30填有填缝材料31。箱体14内并且位于水冷铜坩埚3的下侧固定有箱体底板8，箱体底板8的下端固定有镓铟容器11，镓铟容器11内盛有镓铟冷却液10，镓铟容器11的下侧设置有超声波发生器28，超声波发生器28的超声发射端朝上并且固定有超声杆9，超声杆9穿过了镓铟容器11，物料棒6的下端通过燕尾槽与超声杆9的上端连接，超声波发生器28的下侧设置有抽拉装置26，抽拉装置26朝上设置的升降杆12连接在超声波发生器28的下端，箱体底板8和镓铟容器11设置有竖直的通孔，水冷铜坩埚3的中心、箱体底板8的通孔和镓铟容器11的通孔同心。抽拉装置26和超声波发生器28的外侧设置有一个保护壳体22，保护壳体22与超声杆9之间设置有直线轴承b 27，直线轴承b 27的上端和下端设置有骨架油封b 29。
一种使用如权利要求1所述的装备超声与电磁场制备TiAl半固态材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将TiAl合金材料的物料棒6放入到陶瓷模壳2中；物料棒通过燕尾槽与超声杆9相连，水冷铜坩埚3的内径比陶瓷模壳2的外径尺寸大0.5mm，陶瓷模壳2的内径比物料棒6的外径尺寸大0.5mm；
步骤二、将箱体14内抽真空至5MPa，而后通入氩气至300MPa，对水冷铜线圈5和水冷铜坩埚3通入循环冷却水，在惰性气体保护下，对坩埚外的水冷铜线圈5通电，熔化物料棒6；
步骤三、调整水冷铜线圈5的输入功率使物料棒6的熔体保持半固态的温度(1500～1600℃)，启动超声振头1和超声波发生器28，超声振头1和超声杆9同时对熔体施加超声，此时通过降低控制线圈输入功率，开始缓慢降温，降温速率为1℃/s；
步骤四、当合金完全凝固时(1470℃～1500℃)，停止加热(即停止对线圈通电)，停止超声振头1和超声波发生器28，升降杆12以100mm/s的速度快速下降，使超声处理的物料棒6进入到镓铟液中冷却，防止组织粗化；
步骤五、超声处理的物料棒6在镓铟冷却液10中冷却五分钟后，通入空气，取出铸件(即处理后的物料棒6)。
步骤三和步骤四中超声振头1和超声波发生器28超声频率固定不变为20kHz，最大输出功率为1200W，输出振幅为5～7μm。
实施例1
超声与电磁场制备TiAl半固态材料的方法：
①将直径为29.5mm的Ti-44Al物料棒与超声杆9由燕尾槽相连，将内径为30mm外径为35.5mm的Y2O3陶瓷模壳套在Ti-44Al物料棒外，并固定连接在水冷铜坩埚3套内，将内径为36mm的水冷铜坩埚3套在Y2O3陶瓷模壳外，并由固定片21固定，将水冷铜线圈5套在水冷铜坩埚3外面，通过调整超声杆9，使物料棒6顶端距离陶瓷模壳2顶端50mm；
②对箱体14抽真空，而后通入保护气体氩气，压强为300MPa，水冷铜坩埚3和铜线圈水冷铜线圈5通入冷却水，而后对铜坩埚水冷铜坩埚3外的水冷铜线圈5通电，功率为40W，保温5分钟，水冷铜线圈5产生的磁场通过水冷铜坩埚3的开缝作用于物料棒6，并熔化物料棒6；
③通过控制电源功率使熔体半固态温度为1560℃，启动超声振头1和超声波发生器28，超声振头1和超声杆9同时对熔体施加超声，此时通过降低控制线圈输入功率，振动频率为20KHz，振幅7μm，振动时间1min，通过调节功率，将降温速度控制为1℃/s；
④当温度降至1490℃时停止加热，此时合金完全凝固，并关闭超声振头1，停止加热(即停止对线圈通电)，停止超声振头1和超声波发生器28，升降杆12以100mm/s的速度快速下降，将铸件拉倒镓铟冷却液10中冷却而后取出，如图4所示为Ti-44Al半固态合金的微观组织，可以观察到典型的半固态组织。
实施例2
超声与电磁场制备TiAl半固态材料的方法：
①将直径为14.5mm的Ti-44Al-6Nb物料棒与超声杆9由燕尾槽相连，将内径为15mm外径为19.5mm的氧化铝模壳套在物料棒6外，并固定连接在水冷铜坩埚3套内，将内径为20mm的水冷铜坩埚3套在氧化铝模壳外，并由固定片固定，将水冷铜线圈5套在水冷铜坩埚3外面，通过调整超声杆9，使物料棒6顶端距离陶瓷模壳2顶端50mm。
②对箱体14抽真空，而后通入保护气体氩气，压强为300Mpa，水冷铜坩埚3和铜线圈水冷铜线圈5通入冷却水，而后对铜坩埚水冷铜坩埚3外的水冷铜线圈5通电，功率为43W，保温5分钟，水冷铜线圈5产生的磁场通过水冷铜坩埚3开缝作用于物料棒6，并熔化物料棒6；
③通过控制电源功率使熔体半固态温度为1585℃，启动超声振头1和超声波发生器28，超声振头1和超声杆9同时对熔体施加超声，此时通过降低控制线圈输入功率，振动频率为20KHz，振幅7μm，振动时间1min，通过调节功率，将降温速度控制为1℃/s；
④当温度降至1505℃时停止加热，此时合金完全凝固，并关闭超声振头1，停止加热(即停止对线圈通电)，停止超声振头1和超声波发生器28，升降杆12以100mm/s的速度快速下降，将铸件拉倒镓铟冷却液10中冷却而后取出，如图5所示为Ti-44Al-6Nb半固态合金的微观组织，可以观察到典型的半固态组织。
本专利同样适用于制备铁基合金和铜基合金等半固态材料。显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，包括有箱体(14)，箱体(14)的上端设有箱盖(15)，超声振头(1)的上端固定在超声振头支撑夹具(18)上，超声振头支撑夹具(18)的下端固定在支撑夹具底座(23)上，超声振头(1)的下端穿过了箱盖(15)，箱盖(15)位于超声振头(1)的四周固定有多个固定片连接杆(20)，多个固定片连接杆(20)的下端连接有一个固定片(21)，其特征在于：固定片(21)的中间部分固定有水冷铜坩埚(3)，水冷铜坩埚(3)的中间套接固定有陶瓷模壳(2)，超声振头(1)的下端顶在陶瓷模壳(2)上，水冷铜坩埚(3)的外周设有水冷铜线圈(5)，箱体(14)内并且位于水冷铜坩埚(3)的下侧固定有箱体底板(8)，箱体底板(8)的下端固定有镓铟容器(11)，镓铟容器(11)的下侧设置有超声波发生器(28)，超声波发生器(28)的超声发射端朝上并且固定有超声杆(9)，超声杆(9)穿过了镓铟容器(11)，超声波发生器(28)的下侧设置有抽拉装置(26)，抽拉装置(26)朝上设置的升降杆(12)连接在超声波发生器(28)的下端，箱体底板(8)和镓铟容器(11)设置有竖直的通孔，水冷铜坩埚(3)的中心、箱体底板(8)的通孔和镓铟容器(11)的通孔同心。
2.根据权利要求1所述的利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，其特征在于：所述超声振头(1)与箱盖(15)之间设有直线轴承a(24)，直线轴承a(24)的上端和下端设置有骨架油封a(19)。
3.根据权利要求1所述的利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，其特征在于：所述抽拉装置(26)和超声波发生器(28)的外侧设置有一个保护壳体(22)，保护壳体(22)与超声杆(9)之间设置有直线轴承b(27)，直线轴承b(27)的上端和下端设置有骨架油封b(29)。
4.根据权利要求1所述的利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，其特征在于：所述水冷铜坩埚(3)的壁内设置有冷却水腔(4)，冷却水腔(4)通过水管与箱体(14)外的水源连接；水冷铜线圈(5)内通有冷却水，通过水管与箱体(14)外的水源连接，水冷铜线圈(5)外缠有绝缘胶带，线圈匝数为5～100匝。
5.根据权利要求1所述的利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，其特征在于：所述陶瓷模壳(2)的竖直通槽内壁嵌有热电偶(7)，热电偶(7)通过螺旋导线(25)连接箱体(14)外的温度显示单元，热电偶(7)为石墨热电偶。
6.根据权利要求1所述的利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，其特征在于：所述水冷铜坩埚(3)的内径为10～50mm，高度为20～200mm，内层和外层的壁厚皆为15mm，内层和外层壁皆设有四个位置相对应的开缝(30)，开缝(30)高度为80mm，开缝(30)填有填缝材料(31)。
7.根据权利要求1所述的利用超声与电磁场制备TiAl半固态材料的装备，其特征在于：所述陶瓷模壳(2)材质为氧化钇，内径为5～95mm，高度为50～300mm，壁厚为2～50mm。
8.一种使用如权利要求1所述的装备超声与电磁场制备TiAl半固态材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将TiAl合金材料的物料棒(6)放入到陶瓷模壳(2)中；物料棒与超声杆(9)相连；
步骤二、将箱体(14)内抽真空至5MPa，而后通入氩气至300MPa，对水冷铜线圈(5)和水冷铜坩埚(3)通入循环冷却水，在惰性气体保护下，对坩埚外的水冷铜线圈(5)通电，熔化物料棒(6)；
步骤三、调整水冷铜线圈(5)的输入功率使物料棒(6)的熔体保持半固态的温度，启动超声振头(1)和超声波发生器(28)，超声振头(1)和超声杆(9)同时对熔体施加超声，此时通过降低控制线圈输入功率，开始缓慢降温；
步骤四、当合金完全凝固时，停止加热停止超声振头(1)和超声波发生器(28)，升降杆(12)下降，使超声处理的物料棒(6)进入到镓铟液中冷却，防止组织粗化；
步骤五、超声处理的物料棒(6)在镓铟冷却液(10)中冷却五分钟后，通入空气，取出铸件。
9.根据权利要求8所述的超声与电磁场制备TiAl半固态材料的方法，其特征在于：所述水冷铜坩埚的内径比陶瓷模壳的外径尺寸大0.5mm，陶瓷模壳的内径比物料棒的外径尺寸大0.5mm。
10.根据权利要求8所述的超声与电磁场制备TiAl半固态材料的方法，其特征在于：所述步骤三和步骤四中超声振头(1)和超声波发生器(28)超声频率固定不变为20kHz，最大输出功率为1200W，输出振幅为5～7μm。
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