一種電子束熔煉裝置及利用該裝置制備鈮基超高溫合金的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電子束熔煉裝置及利用該裝置制備鈮基超高溫合金的方法，屬于合金制備領(lǐng)域。一種電子束熔煉裝置，所述裝置包括熔煉室，熔煉室內(nèi)設(shè)有定向凝固拉錠裝置；所述熔煉室內(nèi)設(shè)有無底的水冷銅坩堝，所述水冷銅坩堝底部內(nèi)部尺寸與位于其下方的定向凝固拉錠裝置的托盤的尺寸相配合，使得托盤與無底的水冷銅坩堝形成一個(gè)完整的坩堝。利用該裝置制備的鈮基超高溫合金中雜質(zhì)S和P含量能夠降低至0.1ppmw以下、氧含量可降至0.1ppmw以下，碳含量可降至10ppmw以下，合金元素收得率大于95％，高溫抗拉強(qiáng)度提高了50％～80％，室溫?cái)嗔秧g性提高了5～30％，抗氧化性能提高5～15％。
【專利說明】一種電子束熔煉裝置及利用該裝置制備鈮基超高溫合金的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子束熔煉裝置及利用該裝置制備鈮基超高溫合金的方法，屬于合金制備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]高溫合金是航空、航天、核動力系統(tǒng)、民用燃?xì)廨啓C(jī)等工業(yè)制造耐熱部件的重要材料。目前應(yīng)用的鎳基高溫合金所能承受的最高溫度為1039°C。隨著工業(yè)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，迫切需要能在1093~1370°C溫度范圍內(nèi)使用的金屬材料。由于金屬鈮熔點(diǎn)高(2468°C )，延性和導(dǎo)熱性好，強(qiáng)度和比強(qiáng)度高，是最輕的難熔金屬(密度為8.6)，所以鈮基合金最優(yōu)希望作為21世紀(jì)的超高溫結(jié)構(gòu)材料替代鎳基高溫合金。但是，鈮基合金在600°C以上的空氣中會發(fā)生劇烈氧化，所以在1100~1500°C應(yīng)用的鈮基合金雖其強(qiáng)度較高，但氧化卻很迅速，以至于在無保護(hù)的情況下不能在含氧環(huán)境中使用。到目前為止，人們研究過的能有效提高鈮基合金抗氧化性的途徑有兩個(gè)，一個(gè)是合金化，即在鈮基合金中添加T1、Al等元素，使合金能在高溫應(yīng)用時(shí)自生氧化物保護(hù)膜，從而提高其抗氧化性；另一個(gè)是在鈮基合金表面涂覆抗氧化涂層。本發(fā)明撰寫一種電子束熔煉制備鈮基超高溫合金的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種電子束熔煉裝置及利用該裝置制備鈮基超高溫合金的方法。
[0004]一種電子束熔煉裝置，所述裝置包括熔煉室，熔煉室內(nèi)設(shè)有定向凝固拉錠裝置；
[0005]所述熔煉室內(nèi)設(shè)有無底的水冷銅坩堝，所述水冷銅坩堝底部內(nèi)部尺寸與位于其下方的定向凝固拉錠裝置的托盤的尺寸相配合，使得托盤與無底的水冷銅坩堝形成一個(gè)完整的坩堝；托盤底部固定連接桿，連接桿與電機(jī)相連。
[0006]本發(fā)明所述電子束熔煉裝置優(yōu)選所述托盤下方設(shè)有圓筒形保護(hù)層，所述保護(hù)層使得托盤在下降拉錠時(shí)位于保護(hù)層形成的圓筒中。
[0007]本發(fā)明所述電子束熔煉裝置優(yōu)選所述圓筒形保護(hù)層的內(nèi)圓周設(shè)有可升降的冷卻水環(huán)。
[0008]本發(fā)明所述可升降的冷卻水環(huán)包括控制冷卻水環(huán)上升或下降的動力裝置，其為本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，同時(shí)，冷卻水環(huán)的容量可根據(jù)冷卻要求進(jìn)行設(shè)置。
[0009]本發(fā)明所述電子束熔煉裝置還包括真空系統(tǒng)，用于控制爐體內(nèi)的真空度，主要包括熔煉室擴(kuò)散泵、熔煉室羅茨泵和熔煉室機(jī)械泵；所述電子束熔煉裝置的電子槍與電子槍擴(kuò)散泵相連，電子槍擴(kuò)散泵與電子槍機(jī)械泵相連，用于控制電子槍的真空度。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述裝置制備鈮基超高溫合金的方法。
[0011]一種利用上述裝置制備鈮基超高溫合金的方法，為電子束熔煉法，所述方法包括定向凝固的步驟:合金熔煉后，減小電子束束流至100~1500mA，啟動定向凝固拉錠裝置，拉錠速率為0.5~6mm/min,同時(shí)進(jìn)行冷卻。
[0012]本發(fā)明所述鈮基超高溫合金的制備方法優(yōu)選包括備料的步驟:將起到合金化作用的金屬原料置于電子束熔煉爐的加料裝置中；將其他金屬原料置于電子束熔煉爐的水冷銅坩堝中。
[0013]本發(fā)明所述技術(shù)方案適用于所有鈮基超高溫合金的制備，所述鈮基超高溫合金以金屬鈮和其他金屬為原料制得，其中，在制備過程中將起到合金化作用的金屬原料，如W、Mo、V、T1、Cr等置于電子束熔煉爐的加料裝置中；將其他金屬原料置于電子束熔煉爐的水冷銅坩堝中。
[0014]上述技術(shù)方案中，優(yōu)選在整個(gè)制備過程中，保持水冷銅坩堝的溫度為150~250°C，進(jìn)一步優(yōu)選為200°C。
[0015]本發(fā)明所述鈮基超高溫合金的制備方法優(yōu)選所述方法包括熔煉的步驟:同時(shí)打開電子槍的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍轟擊水冷銅坩堝中的合金原料，增大電子槍束流到450~2200mA，束流增加的速率為4~15mA/s，直到合金原料全部熔化，保持電子束束流為400~2000mA進(jìn)行合金熔煉，熔煉時(shí)間10~35min。
[0016]上述技術(shù)方案中所述原料熔煉步驟中，起到合金化作用的金屬原料也可分批加入，每次加入一種或幾種組分后均合金化熔煉10~30min，熔煉溫度為400°C~2000°C，直至所有組分全部熔煉完畢后進(jìn)行后續(xù)步驟。
[0017]本發(fā)明所述鈮基超高溫合金的制備方法所述冷卻按下述方法進(jìn)行:
[0018]在拉錠裝置保持拉錠速率為0.5~6mm/min向下運(yùn)動的同時(shí)，逐漸降低電子束束流，降低速率為5~300mA/min ；
[0019]或在拉錠裝置保持拉錠速率為0.5~6mm/min向下運(yùn)動的同時(shí),逐漸增大拉錠裝置中的冷卻水環(huán)中冷卻循環(huán)水的流量，使其速率為0.5~1mVh ；
[0020]或在拉錠裝置保持拉錠速率為0.5~6mm/min向下運(yùn)動的同時(shí),在拉出的合金錠上設(shè)置冷卻水環(huán)，冷卻水環(huán)逐漸向上移動，移動速率為0.25~5mm/min。
[0021]本發(fā)明所述鈮基超高溫合金的制備方法所述方法包括預(yù)熱的步驟:使電子束熔煉爐爐內(nèi)的真空度小于5X10_2Pa，電子槍室真空度小于5X10_3Pa ;電子槍設(shè)置高壓為25~35kff,高壓預(yù)熱5~1min后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為70~200mA，束流預(yù)熱5~1min,關(guān)閉電子槍束流。
[0022]本發(fā)明所述鈮基超高溫合金的制備方法所述方法包括后處理的步驟:待合金熔體全部被拉錠裝置拉出成合金錠之后，關(guān)閉電子槍，合金在電子束熔煉室內(nèi)隨爐冷卻25~lOOmin，開啟電子束熔煉設(shè)備倉門，取出合金。
[0023]本發(fā)明的有益效果為:
[0024] 電子束熔煉方法制備的鈮基超高溫合金中雜質(zhì)S和P含量能夠降低至0.1ppmw以下；電子束熔煉后的銀基超高溫合金，O含量可降至0.1ppmw以下，C含量可降至1ppmw以下；由于采用水冷銅坩堝熔煉，無其它雜質(zhì)污染；合金元素收得率大于95% ;本發(fā)明制備的鈮基超高溫合金高溫抗拉強(qiáng)度提高了 50%~80%，室溫?cái)嗔秧g性提高了 5~30%(12500C );快速冷卻能在高溫合金表面形成一層微晶涂層，微晶涂層成分與基體合金相同，同時(shí)能夠提高基層的抗氧化性能提高5~15%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為一種電子束熔煉裝置，附圖標(biāo)記如下:1、熔煉室；2、托盤；3、冷卻水環(huán):4、保護(hù)層；5、電子槍；6、電子槍擴(kuò)散泵；7、電子槍機(jī)械泵；8、水冷銅坩堝；9、熔煉室擴(kuò)散泵；
10、熔煉室羅茨泵；11、熔煉室機(jī)械泵。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0027]下述實(shí)施例中所述試驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
[0028]下述實(shí)施例所用電子束熔煉爐如圖1所示，所述裝置主體為熔煉室1，熔煉室頂部設(shè)有電子槍5和加料裝置；熔煉室I內(nèi)設(shè)有無底的水冷銅坩堝8，所述水冷銅坩堝8底部內(nèi)部尺寸與位于其下方的定向凝固拉錠裝置的托盤2的尺寸相配合，使得托盤2與無底的水冷銅坩堝8形成一個(gè)完整的坩堝;托盤2底部固定連接桿，連接桿與電機(jī)相連，控制托盤2上升或下降。所述托盤下方設(shè)有圓筒形保護(hù)層4，所述保護(hù)層4使得托盤2在下降時(shí)位于保護(hù)層4形成的中空圓筒中，保護(hù)層材料為石墨；保護(hù)層4的內(nèi)圓周設(shè)有冷卻水環(huán)3，所述冷卻水環(huán)3連接電機(jī)，控制冷卻水環(huán)3上升或下降；所述電子束熔煉裝置還包括真空系統(tǒng)，用于控制爐體內(nèi)的真空度，主要包括熔煉室擴(kuò)散泵9、熔煉室羅茨泵10和熔煉室機(jī)械泵11 ；所述電子束熔煉裝置的電子槍5與電子槍擴(kuò)散泵6相連，電子槍擴(kuò)散泵6與電子槍機(jī)械泵7相連，用于控制電子槍的真空度。實(shí)施例1
[0029]鈮基超高溫合金的制備方法，包括下述工藝步驟:
[0030]本實(shí)施例中Nb-1Zr鈮基超高溫合金的配比如下:Zr:1.0% ；Nb:余量。
[0031]①備料:按合金配比，將合金化元素金屬原料Zr加入加料漏斗中，將金屬原料Nb置于電子束熔煉爐的水冷銅坩堝8中，在整個(gè)制備過程中，保持水冷銅坩堝8的溫度為200。。。
[0032]②預(yù)熱:關(guān)閉電子束熔煉爐的倉門，依次開啟電子槍機(jī)械泵7、電子槍擴(kuò)散泵6、熔煉室機(jī)械泵11、熔煉室羅茨泵10、熔煉室擴(kuò)散泵9，使電子束熔煉爐熔煉室I的真空度小于5 X W2Pa,電子槍室真空度小于5 X KT3Pa ；電子槍設(shè)置高壓為25kW，高壓預(yù)熱1min后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為70mA，束流預(yù)熱lOmin，關(guān)閉電子槍束流。
[0033]③原料熔煉:原料同時(shí)打開電子槍5的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍5轟擊水冷銅坩堝8中的合金原料，增大電子槍束流到450mA，束流增加的速率為4mA/s，直到合金原料全部熔化，保持電子束束流為400mA進(jìn)行合金熔煉，熔煉時(shí)間35min。
[0034]④定向凝固:合金熔煉后，減小電子束束流至100mA，啟動定向凝固拉錠裝置，托盤2下降拉錠速率為0.5mm/min，在拉錠裝置保持拉錠速率向下運(yùn)動對合金熔煉定向凝固的同時(shí)，逐漸降低電子束束流，降低速率為5mA/min。
[0035]⑤后處理:待合金熔體全部被拉錠裝置拉出成合金錠之后，關(guān)閉電子槍，合金在電子束熔煉室內(nèi)隨爐冷卻25min，開啟電子束熔煉設(shè)備倉門，取出合金。
[0036]經(jīng)檢測，最終制得的合金中，S含量降至0.09ppmw, P含量降低至0.08ppmw, O含量降至0.09ppmw, C含量降至9ppmw。室溫?cái)嗔秧g性為19MPa.m1/2，1200°C的抗拉強(qiáng)度為350MPa。
[0037]實(shí)施例2
[0038]本實(shí)施例中PffC-1l鈮基超高溫合金的配比如下:ff:10% ；Zr:1.0% ；C:0.1 ；Nb:余量。
[0039]①備料:按合金配比，將合金化元素金屬原料W、Zr加入加料漏斗中，其余元素金屬原料按照配比置于電子束熔煉爐的水冷銅坩堝8中，在整個(gè)制備過程中，保持水冷銅坩堝8的溫度為200°C。
[0040]②預(yù)熱:關(guān)閉電子束熔煉爐的倉門，依次開啟電子槍機(jī)械泵7、電子槍擴(kuò)散泵6、熔煉室機(jī)械泵11、熔煉室羅茨泵10、熔煉室擴(kuò)散泵9，使電子束熔煉爐熔煉室I的真空度小于5 X W2Pa,電子槍室真空度小于5 X KT3Pa ；電子槍設(shè)置高壓為25kW，高壓預(yù)熱1min后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為70mA，束流預(yù)熱lOmin，關(guān)閉電子槍束流。
[0041]③原料熔煉:原料同時(shí)打開電子槍5的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍轟擊水冷銅坩堝8中的合金原料，增大電子槍束流到2200mA，束流增加的速率為15mA/s，直到合金原料全部熔化，保持電子束束流為2000mA進(jìn)行合金熔煉，熔煉時(shí)間lOmin。
[0042]④定向凝固:合金熔煉后，減小電子束束流至1500mA，啟動定向凝固拉錠裝置，托盤2下降拉錠速率為6mm/min，在拉錠裝置保持拉錠速率向下運(yùn)動對合金熔煉定向凝固的同時(shí)，逐漸降低電子束束流，降低速率為300mA/min。
[0043]⑤后處理:待合金熔體全部被拉錠裝置拉出成合金錠之后，關(guān)閉電子槍，合金在電子束熔煉室內(nèi)隨爐冷卻lOOmin，開啟電子束熔煉設(shè)備倉門，取出合金。
[0044]經(jīng)檢測，最終制得的合金中，S含量降至0.08ppmw, P含量降低至0.09ppmw, O含量降至0.08ppmw, C含量降至8ppmw。室溫?cái)嗔秧g性為22MPa.m1/2，1200°C的抗拉強(qiáng)度為400MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種電子束熔煉裝置，其特征在于:所述裝置包括熔煉室(1)，熔煉室(I)內(nèi)設(shè)有定向凝固拉錠裝置； 所述熔煉室(I)內(nèi)設(shè)有無底的水冷銅坩堝(8)，所述水冷銅坩堝(8)底部內(nèi)部尺寸與位于其下方的定向凝固拉錠裝置的托盤(2)的尺寸相配合，使得托盤(2)與無底的水冷銅坩堝(8)形成一個(gè)完整的坩堝；托盤(2)底部固定連接桿，連接桿與電機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的裝置，其特征在于:所述托盤(2)下方設(shè)有圓筒形保護(hù)層(4)，所述保護(hù)層(4)使得托盤(2)在下降拉錠時(shí)位于保護(hù)層(4)形成的圓筒中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于:所述圓筒形保護(hù)層(4)的內(nèi)圓周設(shè)有可升降的冷卻水環(huán)(3)。
4.一種利用權(quán)利要求1所述裝置制備鈮基超高溫合金的方法，其特征在于:為電子束熔煉法，所述方法包括定向凝固的步驟:合金 熔煉后，減小電子束束流至100~1500mA，啟動定向凝固拉錠裝置，拉錠速率為0.5~6mm/min,同時(shí)進(jìn)行冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:所述方法包括所述備料的步驟:將起到合金化作用的金屬原料置于電子束熔煉爐的加料裝置中；將其他金屬原料置于電子束熔煉爐的水冷銅坩堝(8)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:所述方法包括熔煉的步驟:同時(shí)打開電子槍(5)的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍(5)轟擊水冷銅坩堝(8)中的合金原料，增大電子槍束流到450~2200mA，束流增加的速率為4~15mA/s，直到合金原料全部熔化，保持電子束束流為400~2000mA進(jìn)行合金熔煉，熔煉時(shí)間10~35min。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:所述冷卻按下述方法進(jìn)行: 在拉錠裝置保持拉錠速率為0.5~6mm/min向下運(yùn)動的同時(shí)，逐漸降低電子束束流，降低速率為5~300mA/min ； 或在拉錠裝置保持拉錠速率為0.5~6mm/min向下運(yùn)動的同時(shí)，逐漸增大拉錠裝置中的冷卻水環(huán)(3)中冷卻循環(huán)水的流量，使其速率為0.5~10m3/h ； 或在拉錠裝置保持拉錠速率為0.5~6mm/min向下運(yùn)動的同時(shí),在拉出的合金錠上設(shè)置冷卻水環(huán)(3)，冷卻水環(huán)(3)逐漸向上移動，移動速率為0.25~5mm/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:所述方法包括預(yù)熱的步驟:使電子束熔煉爐爐內(nèi)的真空度小于5X10_2Pa，電子槍室真空度小于5X10_3Pa ;電子槍設(shè)置高壓為25~35kff,高壓預(yù)熱5~1min后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為70~200mA，束流預(yù)熱5~1min,關(guān)閉電子槍束流。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:所述方法包括后處理的步驟:待合金熔體全部被拉錠裝置拉出成合金錠之后，關(guān)閉電子槍，合金在電子束熔煉室內(nèi)隨爐冷卻25~lOOmin，開啟電子束熔煉設(shè)備倉門，取出合金。
【文檔編號】B22D11/14GK104131165SQ201410315788
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】姜大川, 王登科, 譚毅, 石爽 申請人:大連理工大學(xué)