[发明专利]用于离心铸造高活性钛金属的系统

说明书

技术领域

本文描述的实施例大体上涉及用于离心铸造高活性金属的系统。更具体而言，本文的实施例大体上描述了用于离心铸造高活性钛合金、且特别是钛铝化物(titanium aluminide)合金的系统。

背景技术

涡轮发动机设计者们不断地寻求性能改进的新型材料以减轻发动机重量并获得更高的发动机工作温度。钛合金(Ti合金)、且特别是钛铝化物基合金(TiAl合金)完美结合了诸如室温延展性和韧性之类的低温机械性能以及中高温强度和抗蠕变性能。鉴于这些原因，TiAl合金有望替代当前用来制造多数涡轮发动机构件的镍基超合金。

真空电弧重熔法(VAR)是一种普遍用来熔炼Ti合金的技术。VAR通常包括在钛合金电极与安放在水冷铜坩埚中的多块相同的合金(例如，电极端部)之间引弧。形成熔池并且逐渐熔化电极。当获得足够多的熔化的金属时，可移开电极并使坩埚倾斜以将金属灌注到用于铸造构件的模具内。

该VAR技术可能存在几个缺点。用于VAR工艺的钛电极或会价格昂贵，其原因在于，钛坯棒/钛锻件的成本高，而且从合格的边角料或回收料生产电极所包含的人力成本高。同样，对预合金电极的要求可使得制造非标合金的难度大并且昂贵。而且，需采用水冷坩埚可能限制了金属可实现的过热度，这继而影响流动性，导致难以填充薄壁铸造物。此外，电弧闪击金属的部位温度最高，而且在熔化的金属中存在高温梯度。这也会影响铸模的填充并在凝固铸造物的过程中形成弱温度梯度。

鉴于VAR技术存在的上述问题，在熔炼Ti合金时可采用的另一种方法是真空感应熔炼(VIM)。开发VIM的目的是加工含有诸如钛和铝之类的活性元素的特种合金和稀有合金，其不能在空气中熔炼和铸造。随着此类合金的用途不断增加，VIM因此越来越普遍。

真空感应熔炼通常包括在坩埚中加热金属直到坩埚内的金属炉料熔化成液态为止，该坩埚由绝缘耐熔合金氧化物制成。在这种技术中，将多块固态钛合金安放于冷却的金属炉膛内，该金属炉膛通常由铜制成，并使其在采用诸如电弧或等离子之类的强热源的惰性环境中熔化。熔池将首先在钛料的内部和顶面形成，而靠近铜炉膛围壁的钛保持固态。固态钛形成的这种“渣壳”容纳不会被污染的液态钛金属。参考授予Rowe的美国专利No.4,654,858，其全面说明了冷壁感应熔炼。

如以上提及，在冷壁感应熔炼高活性合金中最普遍地采用铜坩埚的原因是多方面的。例如，从瓷坩埚熔炼和铸造会在坩埚上产生显著的热应力，这会导致坩埚开裂。此类开裂会缩短坩埚寿命并在铸造构件中产生夹杂物。此外，高活性TiAl合金可使瓷坩埚裂开而使钛合金受到氧化物中的氧和耐熔合金的污染。类似而言，如果采用石墨坩埚，则钛铝化物会从坩埚将大量的碳熔解到钛合金内，从而导致污染。此类污染会导致钛合金损失机械性能。铜不会出现与瓷坩埚和石墨坩埚有关的上述问题，这就是为何在利用冷壁感应熔炼来熔炼高活性金属合金时通常采用铜坩埚的原因。

然而，虽然在铜坩埚中进行冷坩埚熔炼可为上述高活性合金加工提供冶金方面的优点，但其在技术方面和经济方面也存在诸多限制，包括由于形成渣壳和高电能需求而造成的低过热度、产量损失。特别是，冷壁感应坩埚在停电时遭受热损失，从而容许金属沿铸模的水冷铜侧壁塌落。

为了克服真空感应熔炼存在的上述问题，已采用的一种新开发的技术是通过喷嘴从冷炉膛熔炼系统的底部灌注。参考授予Rowe的美国专利No.4,546,858和授予Wang等人的美国专利No.5,164,097。通常采用的喷嘴材料为铜或黄铜，认为它们是导热性能良好的材料。还提到采用石墨和绝热材料作为喷嘴材料。

虽然采用喷嘴与其它普通惯例相比具有很多优点，然而采用喷嘴并非完全没有出现复杂情况的可能性。例如，冷炉膛熔炼以及在底部灌注类似于钛之类的活性金属会导致喷嘴内不期望的熔化凝结。此外，许多坩埚/喷嘴系统难以提供必不可少的液体流速控制，难以将喷嘴的腐蚀降低到最低限度，并且难以将熔化污染降低到最低限度。

为了克服真空感应熔炼存在的上述问题，已采用的另一种新开发的技术是悬浮熔炼，其通常包括利用感应线圈的能量来使熔炼的金属电磁悬浮。参考授予Fishman等人的美国专利5,275,229，其全面说明了悬浮熔炼。然而，虽然感应磁场既可加热金属，又可保持融化的金属悬浮于坩埚内的空间中，但是一旦系统电源关闭，金属就会滑回至水冷坩埚内并在其可被灌注之前再次降温。这会导致铸模的不完全填充。

因此，除此类改进外，还需一种改进的用于熔炼诸如TiAl之类的高活性金属的系统，其容许合金在灌注过程中保持熔化，却减少了与常规熔炼工艺有关的问题的出现。

发明内容