[发明专利]悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷坩埚定向凝固铸造装置。

背景技术

1.发明的背景和意义

进入21世纪，航空航天事业不断蓬勃发展，传统的材料与材料加工技术已经不能满足人们的需求。对新型材料与新型材料加工技术的研究凸显的日益重要。减轻发动机与结构件的重量、提高发动机燃烧温度是提高航空航天器效率的有效途径。目前航空发动机普遍采用镍基高温合金和钛合金材料。钛合金的使用温度达到600℃，镍基高温合金的工作温度接近1100℃。镍基高温合金密度大而钛合金的工作温度低这都极大地限制了航空发动机的发展，寻找一种轻质耐高温的可靠的新型航空材料是突破目前发动机发展瓶颈的一条重要途径。近年来针对金属间化合物材料的研究越来越引起各国研究者的重视，其具有一般金属和合金所没有的高比强度、高比刚度，以及良好的高温抗氧化、抗蠕变和抗氢脆等特性。钛铝基合金由于具有高比强、高比刚、耐高温以及优异的抗氧化性，是高性能发动机，尤其是高压压气机部位优秀的候选材料。目前高性能发动机要求高压压气机叶片的工作温度应达到750-850°C区间，因此提高材料的耐热性是必须首先解决的问题。从已经开发成功的钛铝基合金来看，如Ti-Al-Cr-Nb系，Ti-Al-Si系等，其在叶片工作所要求的温度范围内，表现出了良好的综合性能：比弹性模量是其它结构材料的1.5倍以上；比强度高于钛合金和镍基合金，甚至接近单晶镍基合金的水平；膨胀系数接近低膨胀系数的镍基合金；易燃性远低于镍基合金。钛铝基合金这些优秀的性能特点为其在发动机上的应用奠定了坚实的基础，用以代替密度大的不锈钢或者镍基合金，这对于进一步提高发动机的工作温度和减少发动机自重具有重要意义。发动机转子叶片的受力特点是承受径向载荷力，消除横向晶界对保持叶片的良好工作状态具有重要意义。对于钛铝合金，如果能制备成具有定向凝固组织的叶片，由于晶粒取向与主应力方向一致，还会进一步提高压气机的工作温度。定向凝固技术在镍基合金涡轮叶片生产中已经得到了广泛的应用，大幅度地提高了材料的使用性能。然而对于钛铝基合金目前还没有采用定向凝固进行叶片制备的先例。

TiAl合金具有熔点高，化学活性高的特点，其与CaO、Al2O3、Zr2O3材料都会发生反应，杂质的引入会严重损害TiAl合金的性能增加其室温脆性，降低高温强度，抗氧化性和抗蠕变能力。因此传统的定向凝固方法很难克服TiAl材料的定向组织制备中出现的问题，TiAl材料的制备与加工技术成为TiAl工程实用化的最大的制约因素，冷坩埚定向凝固技术作为一种新型的定向凝固技术，采用感应加热的方法熔化金属，同时使用冷壁材料制成的坩埚本身不与合金熔体发生反应，可以多次重复使用，具有成本低，无污染的特点，特别适用于高熔点高反应活性的TiAl基合金的定向凝固。使用冷坩埚定向凝固方法制成的TiAl定向凝固组织较铸态组织的性能进一步提高。

2.本发明所涉及技术领域的发展

2.1定向凝固技术的发展

所谓定向凝固是在控制坯件内部传热、传质和流动的条件下，控制金属或晶体类材料沿固定生长方向进行凝固或者结晶的技术手段。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向相平行的一组平行柱状晶，如果能够适当控制晶粒的生长过程，例如抑制外来生核，则晶体可以长成只有一个晶粒的结晶组织，称为单晶体。由此可见定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前这种限制性凝固技术的发展，一方面为现代凝固技术的发展提供强有力的理论支撑，例如关于许多凝固现象都要依赖于定向凝固方法来系统研究，另一方面为工程上提供大量性能优异和可实用化的结构和功能材料，如定向或单晶的高温合金航空叶片、半导体硅电子材料、磁致伸缩材料、GaAs晶体发光材料、金属间化合物及各种金属基及无机复合材料等等。定向凝固技术的优越性直接表现在可以大范围控制凝固速率，即定向凝固时材料的冷却速率可由10-4K/S到104K/S大范围变化，因此能实现在极慢速条件下制备平衡凝固组织到在极快条件下制备非平衡的超细或者亚稳态凝固组织的组织状态的大范围调整，又由于材料的组织状态与性能指标密切相关，所以定向凝固为材料加工过程提供了广泛的空间。当前世界上几乎所有的民用及军用先进发动机的高温合金涡轮及导向叶片，均采用定向凝固技术将其加工成柱晶或者单晶组织状态来使用，这极大地提高了其高温使用性能，这一事实体现了定向凝固技术的突出贡献，而且定向凝固是一个非常活跃的技术领域，许多新型的定向技术正处于快速发展中。

2.1.1高梯度定向凝固