[发明专利]连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷坩埚定向凝固装置。

背景技术

一.发明的背景和意义

随着社会经济的快速发展，对具有更高性能和特殊功能的材料及加工技术提出了迫切的需求，作为时代标志的航天航空、石油化工和电力等工业部门非常需要耐高温、低密度、超高强和高弹性模量的轻质新型材料。TiAl基合金由于其低密度，良好的抗氧化性和优异的高温性能，是一种极具潜力的高温部件用材。特别是全片层组织的TiAl基合金(室温组织为γ-TiAl+α-Ti₃Al双相组织)显示了良好的综合力学性能，受到了人们的关注。

对于发动机用材，在低于760℃的工作温度下，目前TiAl基合金已被研制成先进航空发动机的涡轮叶片和导向叶片，这一方面提高了燃烧室的工作温度，可获得高的燃烧效率，另一方面减轻了发动机的自重，以降低强大的旋转离心力所带来的高工作应力，减轻了支撑件的重量，提高了零部件的整体工作寿命，最重导致飞行器自重减少。鉴于TiAl基合金在各类先进推进系统中广泛的应用前景，近年来对这类金属间化合物型合金材料的制备与加工工艺及其与组织和性能之间的关系开展了大量的研究，在改善这类合金的室温塑性、韧性，高温强度和抗高温蠕变性能等方面均有了长足进展。

但TiAl基合金叶片机械加工比较困难，成本比较高。为了降低加工成本，节省大量的加工工时，目前TiAl基合金采用的主要加工成形工艺路线包括变形加工、铸造成形和粉末冶金成型等，但合金在铸造时容易产生收缩和孔洞等缺陷，不能保证其在重要部位的使用性能；粉末冶金还不易控制其氧、氮等间隙元素的含量，且抗蠕变性能差；变形加工后合金的综合力学性能匹配差，高温变形不均匀，动态再结晶不完全，表现出明显的力学各向异性。因此如何能达到合金高性能化的加工要求，对TiAl基合金在航空航天等工业上的应用具有重要作用。

在长期的实验中，经研究人员仔细地观察发现合金的晶界在高温条件下是受力薄弱的地方，这是由于晶界处原子排列一般不规则，且杂质含量高，扩散较容易。这样就设想通过定向结晶和凝固的方法消除沿晶粒受力方向的横向晶界，以提高性能；进一步研究后又发现定向结晶的柱状晶，在其晶界处是裂纹容易萌生的部位，如果进一步消除晶界，将合金制成单晶，则会极大提高合金的性能，而这些必须通过定向凝固技术才能实现，因此开发新型的TiAl基合金定向凝固技术对提高TiAl基合金零部件的使用性能，加速其在航天航空、石油化工和电力等领域的应用着实具有实践意义。

目前对于TiAl基合金进行定向凝固大多采用在石墨或者Al₂O₃、Y₂O₃以及CaO等陶瓷材料制成的坩埚容器中进行，由于液态下钛金属极为活泼，几乎与所有的金属或者陶瓷材料发生反应，因此合金的杂质含量高，定向凝固组织不稳定，反而有违于改善力学性能的初衷。因此对TiAl基合金进行定向凝固的主要障碍就是如何减少合金液的污染、控制合金成分的准确性和有效的控制凝固过程。

二.本发明所涉及技术领域的发展

(一)定向凝固技术的发展