[发明专利]制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工技术，具体是一种制备钛铝基合金试样的电磁成形装置以及利用该装置获得钛铝基合金定向全片层组织的方法。

背景技术

TiAl基金属间化合物密度低，比强度和比弹性模量高，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等，是一种用于航天、航空及汽车用发动机耐热结构件的新型结构材料。与γ单相组织和双态组织相比，钛铝基合金定向全片层组织具有更好的高温强度和室温韧性，是有望近期应用于工业生产的高温轻质结构材料，从而成为近年来研究的热点。由M.Yamaguchi等对钛铝基合金PST晶体的研究表明，当外加载荷平行于片层方向时，屈服强度和延伸率达到最佳组合，此时室温延伸率可以达到5-10％。

然而，由于凝固过程中的包晶相变对组成相的生长与取向有不同的影响。γ相不仅可以由液相析出的α母相形成，还可以由液相中析出的β相转变为α相的母体中形成，而且还可以由液相中直接析出。另外，在定向凝固包晶反应过程中相的竞争与选择及界面形态的演化也对钛铝基合金的凝固组织有着重要的影响。当高温α相以择优生长方向生长时，经过固态相变最终获得垂直于生长方向的片层组织。当β相以择优生长方向生长时，经过固态最终获得平行于生长方向或者与生长方向成45°的片层组织。因此，常规的定向凝固方法难以获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。

为了制备出片层方向平行于生长方向的定向全片层组织，人们利用籽晶通过定向凝固方法控制高温α相以非择优生长方向生长，从而获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。该技术的核心思想是选用具有一定成分和组织的籽晶作为初熔区，然后以一定的抽拉速度进行定向凝固，从而控制母材合金从生长初始阶段就以α相的非择优方向生长，最终经过固态相变获得片层方向平行于生长方向的定向全片层组织。然而，由于钛铝基合金中的Ti元素有很高的化学活性，几乎与包括Al₂O₃、CaO、Y₂O₃在内的所有坩埚发生界面反应，严重影响了钛铝基合金定向全片层组织的定向生长及其力学性能。

由西北工业大学研发的电磁成形技术作为一种新型的材料电磁加工技术，特别适合于高熔点、易氧化、高活性金属试样的无污染制备。其基本原理是根据Maxwall理论，在成形感应器中加载高频电流，使放入成形感应器中的金属试样产生感应电流，使得试样熔化。与此同时，感应磁场和感应电流共同作用在熔体表面，产生一个指向熔体内部的电磁压力。当作用在熔体表面的电磁压力、熔体表面张力形成的压力与静压力达到动态平衡时，即可稳定约束成形一定直径的金属试样。此时，将下端浸入液态金属冷却液中的金属试样以一定的速度向下抽拉，即可获得电磁成形定向凝固试样。另外，通过改变成形感应器和屏蔽罩等相关参数，可以获得不同直径的电磁成形定向凝固试样。

研究表明，电磁成形过程是一个线圈加热能力与约束成形能力相互耦合作用的动态稳定过程，其中，成形感应器参数、热力比和固/液界面位置等是决定电磁成形成功与否的重要依据。这就涉及到电磁成形过程中材料性状、成形感应器形状、屏蔽罩插入深度及抽拉速度等之间的相互关系，调节其中一个参数，其他的参数也要做相应的变化，才能保证电磁成形过程的顺利进行。这就决定了电磁成形过程中液态熔区维持动态稳定的参数范围较窄，无法在较大范围内独立调节熔体温度和抽拉速度这两个定向凝固过程中所关注的关键参数，这也是电磁成形技术长期停留在实验研究阶段的主要原因。另外，由于电磁成形过程中成形感应器受到电磁力的作用而剧烈晃动，且在反复装卸过程中感应线圈容易松动，不利于电磁成形过程的控制和稳定成形，同时增加了等轴晶形核的可能，不利于柱状晶的定向生长。

发明内容

为克服现有技术中存在的钛铝基合金中的Ti元素与坩埚发生的界面反应的不足，获得无坩埚污染的钛铝基合金定向全片层组织，本发明提出了一种制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置及方法。

本发明提出的制备钛铝基合金定向全片层组织的电磁成形装置包括保温套、成形感应器、定位板、屏蔽罩、绝缘板和卡子；屏蔽罩安放在位于水冷结晶器上表面的绝缘板上；在屏蔽罩的上表面安放有定位板，成形感应器位于所述定位板的上表面；保温套位于所述成形感应器的内环中；卡子固定在成形感应器的外圆周表面；所述屏蔽罩的中心孔、成形感应器的中心孔与保温套的中心孔同轴；籽晶位于所述屏蔽罩的中心孔内，该籽晶的下端与真空室内的抽拉杆连接，母材位于保温套内，该母材的上端与真空室内的同步杆连接，并且所述籽晶与母材合金均与成形感应器的中心孔同轴。