[发明专利]两级熔化以及铸造系统和方法

说明书

公开了一种用于金属合金的两级铸造的系统，其经由加压惰性气体或金属蒸汽室将多种原料金属分配到电弧熔化坩埚中以与最终期望合金的组合物成比例的速率降低电弧熔化坩埚中金属的挥发速率。来自熔化坩埚的熔体通过通道进入第二级冷壁坩埚，熔体在其中冷却并固化。在固化合金冷却时使用铸造活塞从冷壁坩埚缓慢地和逐渐取出固化合金。

发明内容

如本文所用的“金属合金”定义为基于金属的合金。一个种类是多组分合金，其中多组分合金实现至少1.25的混合熵。“金属合金”属中的种类包括铝合金，镍合金，钛合金，钢，钴合金和铬合金。

如本文所用，“多组分合金产品”等表示具有金属基质的产品，其中多种元素，通常四种或更多种不同的元素构成基质，并且其中多组分产品包括5-35at.％的四种或更多种元素。在一个实施例中，至少有五种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少五种元素。在一个实施例中，至少有六种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少六种元素。在一个实施例中，至少有七种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少七种元素。在一个实施例中，至少有八种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少八种元素。如下所述，也可以相对于多组分合金产品的基质使用添加剂以获得由该系统产生的合金。

本公开提出了一种用于两级铸造任何金属合金产品(例如多组分合金)的系统。第一级涉及熔化元素或已知合金的多种原料，并且通过在高压惰性气体或金属蒸汽环境中改变原料进入熔融形式的速度来产生物质的期望组合物，使得引入第一坩埚的所有金属在第一坩埚中保持在液态。第二级涉及通过使用附接到冷却坩埚的铸造活塞将来自第一级的液相坩埚内容物通过通道拉入第二冷却坩埚中来铸造期望组合物，并且允许组合物随着活塞缓慢取出冷却坩埚而冷却成固态。

简言之，选择具有特定组合物的金属合金进行铸造。该金属合金的元素组分被制备作为两级铸造系统的原料，并且经由高压真空室装载到熔化坩埚中，所述熔化坩埚具有几英寸厚的金属盐表面层。该金属盐通常包括CaF₂以及少量添加剂，并且经由电路供应的电阻加热电流加热。第一熔化坩埚电连接到电流电源。主要元件原料用作电路中的电极。通过主电极，通过熔渣到达第一坩埚的表面的电流导致金属盐层加热，产生高温熔渣层，这又导致浸入熔渣中的主要原料电极和次级原料元件在第一熔化坩埚中熔化并搅炼。

优选地，主要元件原料电极和次级原料通过熔化坩埚上的金属盐/熔渣层顶部上的真空压力室分配。该室用惰性气体或金属蒸汽加压，并且保持在适于在熔化过程期间停止元素蒸发的温度和压力，原因是各种金属在不同的压力和温度下熔化。一旦所有原料元件在坩埚中达到液相，优选通过感应或电磁搅拌来搅拌熔化的原料，以确保熔体的每种元素或成分的一致均匀分布。在搅拌至均匀状态之后，使用来自铸造活塞的负压将混合物通过抽取阀、通道或端口取出到第一或熔化坩埚下方的第二级冷却坩埚中。在第二级坩埚(优选冷壁坩埚)中，混合物冷却并在铸造活塞上形成静止金属头。然后在熔体固化时缓慢地取出铸造活塞，然后可以移除冷却和固化的金属合金以进行进一步处理或改性。

根据本公开的用于金属合金的两级铸造的系统优选地在第一级中具有第一熔化坩埚、连接到第一坩埚以调节熔化坩埚中的金属的挥发速率使得引入第一坩埚中的所有金属在第一坩埚中保持液态的加压惰性气体或金属蒸汽室、以及将多种原料金属分配到室中和熔化坩埚中的原料控制系统。原料金属以足以实现最终金属合金的目标组合物的速率分配。多种金属原料金属中的至少一种是电极的形式，电源的一部分向电极供应电流。

第二级包括经由通道连接到第一熔化坩埚的第二冷却坩埚。系统优选包括布置在熔化坩埚的上表面上的金属盐/熔渣层。电极的远侧尖端浸没在金属盐/熔渣层的上表面下方。通过电极的电流穿过金属盐/熔渣的上表面层，并且将熔渣层电阻加热到高于电极熔点的温度。次级原料元件也位于高压真空室中以便延伸到金属盐/熔渣层中。一些次级原料元件可以是高密度材料。其它次级原料元件可以是中空的，以便将低密度材料运载到熔渣层和第一熔化坩埚中。