2024年5月9日发(作者：类天罡)
实用研究特种铸造及有色合金
1999
年增刊第
1
期
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
Nb
合金
ISM
熔炼过程研究
哈尔滨工业大学 苏彦庆
Ξ
郭景杰 贾 均 丁宏升
摘 要
介绍了
Ti
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nb
合金
ISM
(
感应凝壳熔炼方法
)
熔炼过程
,
研究了不同炉料状态对熔炼过程的影响。试
验结果表明
,
当熔炼钛合金时
,
高熔点、高密度的合金元素应首先配制成中间合金以减少真空熔炼时合金元素的挥发损失。
关键词
:
ISM
熔炼
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
Nb
合金 中间合金
InductionSkullMeltingProcessofTi
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
NbAlloy
SuYanqing
GuoJingjie
JiaJun
DingHongsheng
(
HarbinInstituteofTechnology
)
ABSTRACT
TheInductionSkullMelting
(
ISM
)
processofTi
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nbisintroducedandthein
2
fluenceofchargeconditiononthemeltingprocessisstudied
.
Theexperimentalresultsshowthattheal
2
loyingelementwithhighmeltingpointandhighdensitysholudbepreparedasthemasteralloystode
2
creasetheevaporationofalloyelementduringvaccuummelting
.
KeyWords
:
InductionSkullMelting
,
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
NbAlloy
,
MasterAlloy
Ti
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nb
是被广泛关注的一种钛铝金属间化合物
,
其具有很好的综合性能
,
已有用该合金制造发动机部件的报
道
[1]
。但该合金的熔炼一般仍沿用电弧炉
,
给成分控制
(
包括成分
精度及成分均匀度
)
带来困难
,
也极大地降低了该合金的性能。
ISM
(
InductionSkullMelting
)
熔炼炉是当今最好的熔炼高活性
水冷铜坩埚中形成凝壳。
2
ISM
熔炼过程工艺参数
2.1
直接熔配
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
Nb
金属的设备。由于该技术产生时间较短
,
对其在各种合金熔炼过
程的应用研究还不够深入。
ISM
熔炼方法与电弧炉熔炼方法比
较有许多特点
,
如
ISM
熔炼过程中熔炼室内的压力可以控制在
较宽的范围
,
适于熔炼不同合金的需要
;
ISM
熔炼过程工艺参数
易于控制
,
可以根据不同炉料控制熔炼速度及熔体温度
,
适应性
更强
;
ISM
熔炼过程中熔池较深
,
熔池保温时间可以控制
,
加之
强烈的电磁搅拌作用而使熔体成分、温度均匀。利用电弧炉熔炼
合金时
,
为了保证成分均匀
,
一般要多次重熔
,
而且每次重熔都将
影响合金成分
,
所以电弧炉熔炼方法在控制合金成分方面难度
很大。电弧炉熔炼工艺中凝壳较厚
,
凝壳成分对合金成分影响无
法估算。金属间化合物一般都对化学成分有严格的要求
,
所以
ISM
熔炼方法特别适合于熔炼金属间化合物。本文将介绍
Ti
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nb
的
ISM
熔炼过程。
1
试验设备及试验方法
熔炼设备为冷坩埚感应凝壳熔炼炉
(
ISM
)
,
埚容积为
1.3
L
。
该设备主要由控制系统、气动系统、真空系统、冷却水系统、反充
惰性气体系统、中频电源等组成。额定熔炼功率
350
kW
,
熔炼室
工作压力范围
10
-3
～
10
Pa
。
炉料为海绵钛及高纯铝锭、铌条
(
屑
)
、铬块
(
粉
)
。为了减少
炉料颗粒的飞溅并增加填装置
,
将炉料料块在
100
t
压力机上压
成直径略小于坩埚内径的料坯。料坯装入坩埚后
,
抽真空至预定
压力反充氩气稀释熔炼室内的残留间隙气体元素。清洗真空室
后
,
控制真空室内压力在
0.1
Pa
左右
,
启动中频电源进行熔炼。
熔炼过程参数如真空度、熔炼功率、熔体温度及坩埚冷却水温度
由记录仪记录。熔体过热到一定温度后浇入到钢锭模获得铸锭
,
按目标成分称取各合金元素
,
并按一定方式将各种炉料混
合后
,
在
100
t
压力机上压成料坯进行熔炼。熔炼过程最大功率
为
230
kW
,
熔体保温
8
min
左右浇铸。观察凝壳发现
,
在凝壳底
部粘着有多角形颗粒和四方条状物
,
经分析为铬块和铌条
,
其尺
寸与初始炉料尺寸相差很小
,
说明熔炼过程中铬和铌只有少部
分溶解到合金中。铌可以用水冷铜坩埚真空感应熔炼进行熔化
,
但
Ti
2
Al
2
Cr
2
Nb
合金熔配过程中铬和铌不易溶解。
由熔炼
TiAl
二元合金
[2]
的试验结果可知
,
真空熔炼含铝的
合金时
,
熔炼温度不宜过高以减少铝的挥发损失
,
因此选择了较
低的熔炼功率
,
但在此功率下二元合金可以完全熔化而且能实
现目标成分。
Ti
2
Al
2
Cr
2
Nb
混合料在感应加热时铝将最先熔化并在流动
过程中与钛充分接触
,
钛、铝间发生反应
,
放出热量促进了钛的溶
解。由钛铝二元相图可见
,
Ti
2
Al
合金的液相线在
1500
℃左右
,
低于纯钛的熔点。所以钛铝的混合体在加热过程中
,
由于反应热
的作用
,
在低于钛的熔点温度时便可形成钛铝熔体。而在此温度
下铬和铌在钛中溶解度很低。铬、铌和钛之间不存在像铝那样的
强烈的放热反应
,
其在钛中的溶解只能通过扩散进行
,
需要较长
的时间才能达到溶解平衡。
随着熔炼功率的提高
,
熔体温度进一步提高
,
铬和铌在熔体
中的溶解度也提高。但此时熔体的粘度降低
,
由式
(
1
)
可见合金
熔体中密度较大的铬和铌受到的流动熔体的作用力减小
,
无法
阻止铬和铌的下沉。而水冷坩埚的底部冷却强度最大
,
下沉的铬
和铌与其接触后将发生粘着
,
其热量将很快地通过凝壳散失
,
限
制了铬和铌的溶解过程。
2
2
(
1
)
V
=
r
(
Χ
Χ
Γ
液
-
杂
)
2024年5月9日发(作者：类天罡)
实用研究特种铸造及有色合金
1999
年增刊第
1
期
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
Nb
合金
ISM
熔炼过程研究
哈尔滨工业大学 苏彦庆
Ξ
郭景杰 贾 均 丁宏升
摘 要
介绍了
Ti
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nb
合金
ISM
(
感应凝壳熔炼方法
)
熔炼过程
,
研究了不同炉料状态对熔炼过程的影响。试
验结果表明
,
当熔炼钛合金时
,
高熔点、高密度的合金元素应首先配制成中间合金以减少真空熔炼时合金元素的挥发损失。
关键词
:
ISM
熔炼
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
Nb
合金 中间合金
InductionSkullMeltingProcessofTi
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
NbAlloy
SuYanqing
GuoJingjie
JiaJun
DingHongsheng
(
HarbinInstituteofTechnology
)
ABSTRACT
TheInductionSkullMelting
(
ISM
)
processofTi
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nbisintroducedandthein
2
fluenceofchargeconditiononthemeltingprocessisstudied
.
Theexperimentalresultsshowthattheal
2
loyingelementwithhighmeltingpointandhighdensitysholudbepreparedasthemasteralloystode
2
creasetheevaporationofalloyelementduringvaccuummelting
.
KeyWords
:
InductionSkullMelting
,
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
NbAlloy
,
MasterAlloy
Ti
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nb
是被广泛关注的一种钛铝金属间化合物
,
其具有很好的综合性能
,
已有用该合金制造发动机部件的报
道
[1]
。但该合金的熔炼一般仍沿用电弧炉
,
给成分控制
(
包括成分
精度及成分均匀度
)
带来困难
,
也极大地降低了该合金的性能。
ISM
(
InductionSkullMelting
)
熔炼炉是当今最好的熔炼高活性
水冷铜坩埚中形成凝壳。
2
ISM
熔炼过程工艺参数
2.1
直接熔配
Ti
-
48
Al
-
2
Cr
-
2
Nb
金属的设备。由于该技术产生时间较短
,
对其在各种合金熔炼过
程的应用研究还不够深入。
ISM
熔炼方法与电弧炉熔炼方法比
较有许多特点
,
如
ISM
熔炼过程中熔炼室内的压力可以控制在
较宽的范围
,
适于熔炼不同合金的需要
;
ISM
熔炼过程工艺参数
易于控制
,
可以根据不同炉料控制熔炼速度及熔体温度
,
适应性
更强
;
ISM
熔炼过程中熔池较深
,
熔池保温时间可以控制
,
加之
强烈的电磁搅拌作用而使熔体成分、温度均匀。利用电弧炉熔炼
合金时
,
为了保证成分均匀
,
一般要多次重熔
,
而且每次重熔都将
影响合金成分
,
所以电弧炉熔炼方法在控制合金成分方面难度
很大。电弧炉熔炼工艺中凝壳较厚
,
凝壳成分对合金成分影响无
法估算。金属间化合物一般都对化学成分有严格的要求
,
所以
ISM
熔炼方法特别适合于熔炼金属间化合物。本文将介绍
Ti
2
48
Al
2
2
Cr
2
2
Nb
的
ISM
熔炼过程。
1
试验设备及试验方法
熔炼设备为冷坩埚感应凝壳熔炼炉
(
ISM
)
,
埚容积为
1.3
L
。
该设备主要由控制系统、气动系统、真空系统、冷却水系统、反充
惰性气体系统、中频电源等组成。额定熔炼功率
350
kW
,
熔炼室
工作压力范围
10
-3
～
10
Pa
。
炉料为海绵钛及高纯铝锭、铌条
(
屑
)
、铬块
(
粉
)
。为了减少
炉料颗粒的飞溅并增加填装置
,
将炉料料块在
100
t
压力机上压
成直径略小于坩埚内径的料坯。料坯装入坩埚后
,
抽真空至预定
压力反充氩气稀释熔炼室内的残留间隙气体元素。清洗真空室
后
,
控制真空室内压力在
0.1
Pa
左右
,
启动中频电源进行熔炼。
熔炼过程参数如真空度、熔炼功率、熔体温度及坩埚冷却水温度
由记录仪记录。熔体过热到一定温度后浇入到钢锭模获得铸锭
,
按目标成分称取各合金元素
,
并按一定方式将各种炉料混
合后
,
在
100
t
压力机上压成料坯进行熔炼。熔炼过程最大功率
为
230
kW
,
熔体保温
8
min
左右浇铸。观察凝壳发现
,
在凝壳底
部粘着有多角形颗粒和四方条状物
,
经分析为铬块和铌条
,
其尺
寸与初始炉料尺寸相差很小
,
说明熔炼过程中铬和铌只有少部
分溶解到合金中。铌可以用水冷铜坩埚真空感应熔炼进行熔化
,
但
Ti
2
Al
2
Cr
2
Nb
合金熔配过程中铬和铌不易溶解。
由熔炼
TiAl
二元合金
[2]
的试验结果可知
,
真空熔炼含铝的
合金时
,
熔炼温度不宜过高以减少铝的挥发损失
,
因此选择了较
低的熔炼功率
,
但在此功率下二元合金可以完全熔化而且能实
现目标成分。
Ti
2
Al
2
Cr
2
Nb
混合料在感应加热时铝将最先熔化并在流动
过程中与钛充分接触
,
钛、铝间发生反应
,
放出热量促进了钛的溶
解。由钛铝二元相图可见
,
Ti
2
Al
合金的液相线在
1500
℃左右
,
低于纯钛的熔点。所以钛铝的混合体在加热过程中
,
由于反应热
的作用
,
在低于钛的熔点温度时便可形成钛铝熔体。而在此温度
下铬和铌在钛中溶解度很低。铬、铌和钛之间不存在像铝那样的
强烈的放热反应
,
其在钛中的溶解只能通过扩散进行
,
需要较长
的时间才能达到溶解平衡。
随着熔炼功率的提高
,
熔体温度进一步提高
,
铬和铌在熔体
中的溶解度也提高。但此时熔体的粘度降低
,
由式
(
1
)
可见合金
熔体中密度较大的铬和铌受到的流动熔体的作用力减小
,
无法
阻止铬和铌的下沉。而水冷坩埚的底部冷却强度最大
,
下沉的铬
和铌与其接触后将发生粘着
,
其热量将很快地通过凝壳散失
,
限
制了铬和铌的溶解过程。
2
2
(
1
)
V
=
r
(
Χ
Χ
Γ
液
-
杂
)