[发明专利]一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置及方法

说明书

本发明涉及一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置及方法，属于金属材料加工领域。该装置主要由熔体处理坩埚、复合式电磁模块、多维度机械紊流器及温控单元组成，复合式电磁模块安装在熔体处理坩埚的底部和外围，多维度机械紊流器安装在熔体处理坩埚内，温控单元安装在熔体处理坩埚的顶部和底部。本发明在保证熔体表面稳定条件下实现整体宏观对流与局部微观紊流同时耦合作用，减小熔体温度场和成分场在各维度的梯度，精确控制熔体凝固组织，能够制备得到组织细小成分均匀的大规格高合金化铝合金铸锭或铸件；而且机械紊流器留有惰性气体作用通道，在熔体处理过程实现自动除气除渣，提高熔体处理效率，节约成本。

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置及方法。

背景技术

铝合金以其优良的特性成为航空航天、轨道交通以及汽车等行业首选的轻量化结构材料，用量很大。随着制造业装备能力的提升，大型运输火箭、高性能战机、高速列车、新能源汽车等高端装备要求的铝合金性能越来越多样化，综合使用性能也越来越高，而铝合金性能的提高必然伴随着特殊合金元素的加入以及主元素含量的提升。高合金化铝合金材料制备过程中总是伴随着合金元素成分偏析、易开裂、组织不均匀等问题，尤其对于大体积熔体凝固成型而言问题更加突出，因此大体积高合金化铝合金材料对冶金质量要求十分严格。国内常用的铝合金熔体处理手段很难满足高合金化铝合金对冶金质量的要求，相关合金不得不依赖进口。

大体积高合金化铝合金材料制备困难的主要原因是熔体中合金元素分布均匀性控制难、成分偏析带来的氧化夹杂物以及氢含量的控制难、大体积熔体温度均匀性控制难等三个方面。传统的熔体处理方法仅是在合金材料制备前或制备过程中采用一定的除气和过滤手段对铝合金中夹杂物含量和氢含量进行控制，无法从根本上满足高合金化铝合金对熔体冶金质量的要求。

为了提高铝合金熔体冶金质量，许多国内外学者都进行了长期的研究。美国铝业公司开发的Alcoa469方法和美国联合碳化物公司开发的旋转喷出惰性气体浮游法都是利用氢在铝熔体和气泡中的分压差使铝熔体中的氢上浮并逸出，从而达到除氢的目的，但并没有涉及关键的熔体成分场和温度场的均匀性。中国专利CN00127937和CN200510026593提出的铝合金熔体净化的方法，主要侧重于对合金熔体中氧化物和夹渣物的过滤，在降低熔体氢含量的同时减少夹渣物的含量及尺寸，同样没有涉及关键的熔体成分场和温度场的均匀性。上述熔体处理方法对普通低合金化铝合金熔体净化具有一定的作用，但对于改善大体积高合金化铝合金熔体质量，其作用就十分微弱了。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置及方法。该装置和方法充分利用了复合式电磁场具有的能量高密度性和清洁性以及优越的响应性和可控性，同时通过多维度机械紊流器的巧妙设计，熔体流动呈现出宏观对流和局部紊流共存的状态，使熔体受到的搅拌作用更加充分，从而温度场和成分场在整个熔体体积内分布更加均匀；同时紊流系统中惰性气体的通入增加了熔体的除气除渣功能。

一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置，该装置主要由熔体处理坩埚、复合式电磁模块、多维度机械紊流器及温控单元组成，所述的复合式电磁模块安装在熔体处理坩埚的底部和外围，所述的多维度机械紊流器安装在熔体处理坩埚内，所述的温控单元安装在熔体处理坩埚的顶部和底部。

在该装置中，核心装置为复合式电磁模块、多维度机械紊流器和温控单元。复合式电磁模块主要由底部磁场发生器和周向磁场发生器组成，所述的底部磁场发生器和周向磁场发生器分别安装在熔体处理坩埚的底部和外围；多维度机械紊流器主要由可移动通道杆、紊流转子和送气系统组成，所述的紊流转子安装在可移动通道杆上；温控单元主要由顶部温控系统、底部温控系统和温度检测调节系统构成。