一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置及方法

本发明属于钛合金熔炼领域，特别是涉及一种控制易挥发合金元素挥发量的熔炼钛合金装置及方法。

背景技术：

1、钛合金是一种重要的结构材料，具有优异的力学性能和抗腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造和医疗器械等领域。近年来，电子束冷床熔炼技术广泛应用于钛合金的制备中，相较于传统真空电弧熔炼，该方法制备钛合金工序更加简易，无需多次重熔，且制备的钛合金成分均匀，纯度较高。

2、然而，由于电子束冷床熔炼时的高温高真空环境，使得合金中的铝元素在熔炼过程中大量挥发。铝是钛合金中一种非常重要的合金化元素，铝元素大量挥发会导致钛合金合金成分的不稳定性，进而影响其力学性能和化学性能。目前，对钛合金中铝元素挥发的控制方法主要是通过调整钛合金中的合金元素比例和添加其他稳定元素，以减少铝元素的挥发。然而，这种方法在实际应用中存在一定的限制，一方面难以进行精密的控制，另一方面这种方法可能也会影响钛合金的其他重要性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种控制易挥发合金元素挥发量的熔炼钛合金装置及方法,以解决钛合金中铝元素等易挥发元素大量挥发导致合金性能不稳定的问题。

2、为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，包括：

3、熔炼炉，其内设置有顺次布置的水冷铜炉床和熔炼拉锭组件，所述水冷铜炉床的出口端与熔炼拉锭组件进口端相连，所述熔炼拉锭组件用于接收水冷铜炉床的混合熔体进行感应熔炼并在凝固后进行拉锭，所述水冷铜炉床上方由水冷铜炉床进口端向出口端一侧顺次间隔设置熔化电子束枪、第一精炼电子束枪、送丝送粉机构和第二精炼电子束枪，所述送丝送粉机构靠近第二精炼电子束枪设置用于输送易挥发合金元素进入水冷铜炉床内与第一精炼电子束枪扫描熔炼后的钛合金熔体混合形成混合熔体，所述第二精炼电子束枪用于扫描精炼混合熔体；

4、铸造保温电子束枪，设置在熔炼拉锭组件上方用于保温和精炼熔炼拉锭组件内的混合熔体；和

5、抽真空装置，用于将熔炼炉内抽真空。

6、更进一步的，所述水冷铜炉床为溢流型且整体呈槽型结构，所述水冷铜炉床内从进口端一侧向出口端方向顺次设置相互连通的溢流槽和流道，所述溢流槽设置在熔化电子束枪正下方，所述水冷铜炉床出口端通过浇注嘴与熔炼拉锭组件进口端相连。

7、更进一步的，所述第一精炼电子束枪和第二精炼电子束枪为移动型电子束枪。

8、更进一步的，所述熔炼拉锭组件包括水冷铜坩埚、拉锭机构和搅拌线圈，所述水冷铜坩埚下侧设置搅拌线圈，所述水冷铜坩埚出口端下方设置拉锭机构用于拉锭。

9、更进一步的，所述送丝送粉机构包括输送容器和粉丝复合喷嘴，所述输送容器出口端设置粉丝复合喷嘴用于输出丝材或粉末。

10、更进一步的，所述熔炼钛合金装置还包括传动组件，所述传动组件用于将水冷铜炉床的进口端一侧向上抬高。

11、更进一步的，所述传动组件为倾动式，倾角范围为0-100°。

12、更进一步的，所述熔炼钛合金装置还包括喂料机构，所述喂料机构设置在水冷铜炉床进口端上方用于向水冷铜炉床内输送钛合金原料。

13、根据本发明的另一个方面，提供一种上述一种控制al元素挥发的熔炼钛合金装置的熔炼方法，包括以下步骤：

14、s1、将配置好的不含易挥发合金元素的钛合金原料送入水冷铜炉床的溢流槽内，并将易挥发合金元素加入送丝送粉机构内，通过抽真空装置对熔炼炉内进行抽真空；

15、s2、真空度满足条件后启动熔化电子束枪融化在水冷铜炉床内的钛合金原料；

16、s3、在溢流槽内形成稳定的钛合金熔体时，钛合金熔体溢流到流道内时启动第一精炼电子束枪对流道内的钛合金原料进行扫描精炼；

17、s4、通过送丝送粉机构将易挥发合金元素加入到扫描精炼后的钛合金熔体内形成混合熔体并启动第二精炼电子束枪扫描混合熔体；

18、s5、第二精炼电子束枪扫描后的混合熔体进入水冷铜坩埚后启动铸造保温电子束枪对混合熔体进行进一步精炼；

19、s6、启动搅拌线圈对进一步精炼后的混合熔体进行感应加热和搅拌得到高纯度均匀钛合金熔体；

20、s7、通过拉锭机构将钛合金熔体向下抽拉，形成铸锭。

21、更进一步的，所述步骤s2中的真空度要求为10-2-10-3pa之间。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、1、本装置通过减少al等易挥发元素对于电子束冷床熔炼过程的参与，缩短al等易挥发元素的熔炼挥发时间，进而提高了铸锭中al等易挥发元素的获得率；

24、2、本装置避免了al等易挥发元素直接受到电子束轰击，而是将其添加进熔池内，电子束枪对混合熔体进行精炼，大大减少了al等易挥发元素在被高能量电子束轰击时产生的挥发；

25、3、本装置通过设置水冷铜炉床为溢流型，能够先形成稳定的熔体，形成溢流效应后再进行后续的熔炼过程，熔体的质量好；

26、4、本装置通过设置搅拌线圈，通过搅拌线圈的感应效应，能够使熔体进行感应熔炼并在感应效应中发生运动使得熔体自身搅拌均匀，配合铸造保温电子束枪的保温效应，能够提高铸锭质量；

27、5、本装置通过设置水冷铜炉床为溢流型，并配合熔化电子束枪的使用，能够在熔化电子束枪工作时形成熔炼溢流效果，不工作时停止熔体流动，起到阀门的作用，可满足持续加入块料、持续熔化和通过浇道连续流入结晶器的动态可控浇注要求，并可有效拦截高密度夹杂。

技术特征：

1.一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述水冷铜炉床(8)为溢流型且整体呈槽型结构，所述水冷铜炉床(8)内从进口端一侧向出口端方向顺次设置相互连通的溢流槽和流道，所述溢流槽设置在熔化电子束枪(17)正下方，所述水冷铜炉床(8)出口端通过浇注嘴(10)与熔炼拉锭组件进口端相连。

3.根据权利要求1所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述第一精炼电子束枪(18)和第二精炼电子束枪(20)为移动型电子束枪。

4.根据权利要求1所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述熔炼拉锭组件包括水冷铜坩埚(11)、拉锭机构(13)和搅拌线圈(14)，所述水冷铜坩埚(11)下侧设置搅拌线圈(14)，所述水冷铜坩埚(11)出口端下方设置拉锭机构(13)用于拉锭。

5.根据权利要求1所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述送丝送粉机构(19)包括输送容器(22)和粉丝复合喷嘴(23)，所述输送容器(22)出口端设置粉丝复合喷嘴(23)用于输出丝材(24)或粉末(25)。

6.根据权利要求1所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述熔炼钛合金装置还包括传动组件(9)，所述传动组件(9)用于将水冷铜炉床(8)的进口端一侧向上抬高。

7.根据权利要求1所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述传动组件(9)为倾动式，倾角范围为0-100°。

8.根据权利要求1所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述熔炼钛合金装置还包括喂料机构(4)，所述喂料机构(4)设置在水冷铜炉床(8)进口端上方用于向水冷铜炉床(8)内输送钛合金原料。

9.一种使用如权利要求1-8中任一项所述一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置的熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置，其特征在于：所述步骤s2中的真空度要求为10-2-10-3pa之间。

技术总结
本发明提出了一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置及方法，属于钛合金熔炼领域。解决钛合金中铝元素等易挥发元素大量挥发导致合金性能不稳定的问题。一种控制易挥发合金元素挥发量的钛合金熔炼装置包括熔炼炉，水冷铜炉床上方由水冷铜炉床进口端向出口端一侧顺次间隔设置熔化电子束枪、第一精炼电子束枪、送丝送粉机构和第二精炼电子束枪，送丝送粉机构用于输送易挥发合金元素进入水冷铜炉床内与第一精炼电子束枪扫描熔炼后的钛合金熔体混合形成混合熔体；铸造保温电子束枪，设置在熔炼拉锭组件上方用于保温和精炼熔炼拉锭组件内的混合熔体；和抽真空装置，用于将熔炼炉内抽真空。它主要用于熔炼钛合金。

技术研发人员：苏彦庆,姜博涛,杜佳欣,苏宝献,李欣然,王亮,王斌斌,骆良顺,郭景杰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27