專利名稱：一種真空電弧重熔裝置及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空電弧重熔(VAR)裝置及其工藝。
由于冷卻水從坩堝壁上帶走熱量，在坩堝壁附近的熔化金屬發(fā)生凝固。在熔池表面附近緊貼坩堝壁的位置凝固了一層固體材料，稱為“架狀物”。在熔池表面下的一定距離，材料變得完全固化，產(chǎn)生了完全致密的合金錠塊。在經(jīng)過了足夠長的時(shí)間后，逐漸形成了穩(wěn)定狀態(tài)，形成位于完全凝固的錠塊基體上方的碗狀熔化材料。
真空電弧重熔工藝將電極材料轉(zhuǎn)化為具有微晶粒尺寸的錠塊，并提高了其化學(xué)和物理均勻性。真空電弧重熔工藝尤其適用于熔化鎳基“超合金”(例如718合金)。這些材料包含大量的活性元素。真空電弧重熔工藝可以減少其包含的氣體，尤其是氫和氧，還可以減少非金屬雜質(zhì)、中心氣孔和偏析現(xiàn)象。重熔合金的機(jī)械性能，如延伸性和疲勞強(qiáng)度，都得到了提高。
在真空電弧重熔工藝過程中，易揮發(fā)的污染物質(zhì)，如錳、鋁和鉻被蒸發(fā)。這些元素的蒸氣立刻在溫度較低的表面上凝結(jié)，例如在坩堝壁上凝固材料的架狀物上方。另外，由于電弧在電極表面周圍運(yùn)動(dòng)，一些顆粒濺到熔池外的坩堝壁上，被冷凝的蒸氣物質(zhì)形成的表面所俘獲。
在架狀物形成過程中，高熔點(diǎn)貧溶質(zhì)的材料是首先在冷凝的揮發(fā)物和覆蓋在坩堝壁上的濺出物上凝固的液態(tài)金屬。另外，隨著熔化的進(jìn)行，出現(xiàn)在液態(tài)金屬池表面上的氧化物和氮化物雜質(zhì)往往被推到熔池的側(cè)邊，并在架狀物處冷凝到已凝固材料之中。
隨著電極的熔化和液態(tài)金屬注入坩堝內(nèi)，錠塊架狀物在其底部熔化，而在頂部又形成新的架狀物。如果熔化和架狀物形成保持穩(wěn)定狀態(tài)，那么架狀物就會逐漸地形成、熔化并隨著熔池表面向上方運(yùn)動(dòng)。只要能保持穩(wěn)定狀態(tài)，架狀物就充當(dāng)了冷凝的熔化濺出物和在坩堝壁上冷凝的蒸氣物質(zhì)之間的阻礙物。然而如果不能保持穩(wěn)定狀態(tài)，架狀物就變得不穩(wěn)定，脫落并掉入熔池中，沿蒸氣物質(zhì)表面、濺出物和高熔點(diǎn)貧溶質(zhì)的材料移動(dòng)。這樣，在錠塊中會出現(xiàn)貧溶質(zhì)材料的閃亮的“白點(diǎn)”。如果有氧化物伴隨貧溶質(zhì)的材料，那么貧溶質(zhì)的材料就以“臟白點(diǎn)”的形式出現(xiàn)。這些貧溶質(zhì)材料和氧化物出現(xiàn)的區(qū)域是早期開裂的產(chǎn)生地，導(dǎo)致這種材料制成的零件壽命減短。
這就需要一種真空電弧重熔爐及其工藝，其可以避免熔化材料被濺出物和氧化物污染。
所述真空電弧重熔工藝包括將自耗電極裝入爐腔中的冷卻坩堝上方，所述坩堝包括刻有紋路的坩堝壁，形成了收集自耗電極中產(chǎn)生的熔化材料的容器。所述工藝包括在電極和坩堝底部之間加一直流電，使得電極尖端的材料被熔化。從電極尖端熔化的材料滴入坩堝中聚集，冷卻形成錠塊。其特征在于，凝固材料形成的架狀物位于坩堝的有紋路的坩堝壁的附近，并處于凝固材料的下邊界的上方。
從附圖和隨后的具體討論中可以很清楚地了解這些和其他特征，所述特征以實(shí)例進(jìn)行介紹，但并不限于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的描述。


圖1是真空電弧重熔爐10的剖視示意圖，圖2是爐的坩堝壁38和一部分凝固錠塊的斷面示意圖。在圖1和圖2中，一個(gè)圓柱形的合金電極12被裝入爐腔14的水冷銅坩堝16的上方。爐10包括直流電源18，抽真空口20，冷卻水導(dǎo)管22，凸輪驅(qū)動(dòng)螺桿24和凸輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件26。
參考圖1和圖2，在真空電弧重熔爐的操作過程中，爐腔14先被抽成真空，在電極(陰極)和坩堝16的底部(陽極)的起弧材料(例如金屬片)之間點(diǎn)燃直流電弧。電弧加熱起弧材料和電極尖端28，并最終將兩者都熔化。當(dāng)電極尖端28熔化時(shí)，被熔化的金屬滴到下面的坩堝中并形成一熔池30。由于坩堝直徑一般比電極直徑大50到150毫米，因此電極可以向下朝著陽極熔池運(yùn)動(dòng)，從而在電極尖端28和熔池表面32之間保持一個(gè)平均距離。
由于冷卻水36從坩堝壁38上帶走熱量，在坩堝壁附近的熔化金屬發(fā)生凝固。在熔池表面下的一定距離，材料完全凝固，產(chǎn)生了完全致密的錠塊40。在經(jīng)過了一段時(shí)間后，逐漸形成了穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的特征是在完全凝固的錠塊基體上方有一碗狀的熔化材料。錠塊40隨著更多材料凝固而變得更大。
隨著熔化的進(jìn)行，出現(xiàn)在電極上的氧化物和氮化物漂移到熔池30的表面32中。所述氧化物和氮化物通常被推到熔池30的邊上，并在架狀物42處凝固成固體材料。所述架狀物包括位于熔池表面32正下方的熔化界面上已凝固材料。在架狀物42的正上方，濺出物和蒸氣物質(zhì)冷凝并形成了一硬殼似的邊，稱為冠頂44。
在熔化過程中，有些情況下架狀物42或冠頂44會從坩堝壁38上脫落下來。架狀物42坍塌，架狀物上的材料和冠頂上的材料都掉入熔池30中。這些材料可沉入熔池中并被再次熔化，而留下的冠頂中的氧化物和氮化物材料成為聚集的缺陷?；蛘?，如果架狀物的質(zhì)量很大，它可能只被部分地重熔，因此，凝固時(shí)還帶有氧化物和氮化物。
圖3，4，5，6，7顯示了根據(jù)本發(fā)明的具有紋路表面52的坩堝壁38。圖3是有槽的坩堝壁38的頂視示意圖，圖4是爐的坩堝壁38、有紋路的坩堝壁表面52和凝固錠塊40的斷面示意圖，圖5是有槽的坩堝壁38的一部分的正視圖，圖6是坩堝整個(gè)圓周的頂視圖，其中紋路表面52上有垂直槽46，圖7是坩堝16的斷面示意圖，其中紋路表面52上有垂直槽46。在這些圖中，坩堝壁38上刻有紋路，使得在架狀物和下面的錠塊之間凝固了一個(gè)或多個(gè)支撐帶。架狀物在其底部熔化和頂部形成時(shí)，所述支撐帶就為架狀物提供了機(jī)械穩(wěn)定。錠塊上具有紋路的凝固表面與具有紋路的坩堝壁表面的互補(bǔ)，可以對架狀物起支撐和機(jī)械穩(wěn)定的作用。紋路表面52由于增大了水冷銅壁和液態(tài)金屬池之間的接觸面積，因此也提高了形成的架狀物的冷卻性能。架狀物的冷卻性能提高，增加了架狀物的厚度，增強(qiáng)并進(jìn)一步穩(wěn)定了架狀物。這種較厚、有支撐且更穩(wěn)定的架狀物能阻止架狀物的突然斷裂及隨后污染凝固的錠塊。
圖3，4，5，6，7顯示了有槽46的坩堝壁38，所述槽包括斜側(cè)面48和平底面50，所述側(cè)面和底面都位于否則是平面的坩堝壁表面52上。選擇槽46的形狀、深度和間距，可以使其容易被液態(tài)金屬填充，凝固成筋狀，并在架狀物底部熔化和頂部形成時(shí)，所述槽不會完全重熔。
槽46可以從正交于槽基體的垂直線向外偏一角度，槽的拐角可做成圓角，使得槽可以容易地被充滿，而且在錠塊凝固后錠塊可以容易地從坩堝上脫離。槽46的角度最大可與垂直線成60度，較理想是5到30度，最好在10到20度。
對于任何形狀的紋路，應(yīng)將尖角修圓，以使錠塊的脫離更容易，而且避免所得的錠塊上有尖角?？梢杂脧膱A角圓弧的里面測出的圓角半徑來表示所測的圓角。圓角半徑在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)都可被接受，最大可到槽寬的二分之一，較理想是槽寬的八分之一到二分之一左右，最好是槽寬的四分之一到二分之一左右。
所述槽的形狀可以是矩形、梯形或半圓形。所有能容易充滿且在錠塊40完全凝固后可以使錠塊從坩堝16上脫離的形狀都可以接受。槽深可在八分之一到四分之三英寸，最佳范圍為四分之一到二分之一英寸左右。典型的槽寬應(yīng)在八分之一到二英寸左右，最佳范圍為四分之一到二分之一英寸。在多數(shù)情況下，槽寬隨坩堝的尺寸而變化。槽深或槽寬在坩堝圓周上所占的比例應(yīng)在0.001到0.05左右，較理想是0.002到0.04左右，最好是0.006到0.02左右。內(nèi)圓周上每英寸內(nèi)槽的出現(xiàn)頻率可在0.1到5左右，較理想是0.3到4左右，最好是0.5到3左右。
圖3，4，5，6和7顯示了一優(yōu)選實(shí)施例，其中坩堝壁38上刻有梯形槽46。其他形狀從矩形到半圓形都可以使用。例如，所有能容易充滿且在錠塊40完全凝固后可以使錠塊從坩堝16上脫離的形狀都可以接受。
從圖8和隨后的具體討論中可以很清楚地了解這些和其他特征。所述特征以實(shí)例進(jìn)行介紹，但并不局限于本發(fā)明所描述的優(yōu)選實(shí)施例。
圖8是使用本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例作為例子，在標(biāo)準(zhǔn)商用真空電弧重熔熔化情況下，一小片試驗(yàn)的超合金718(大致含鎳，19％鉻，18％鐵，5％鈮，3％鉬，1％鈦和0.6％鋁)的凝固錠塊表面的照片。在此例中，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)商用級、直徑為20英寸的真空電弧重熔坩堝的上部改造為二個(gè)90度圓弧紋路壁試驗(yàn)部分，這二個(gè)紋路壁試驗(yàn)部分被二個(gè)90度圓弧光滑壁比較部分隔開。
坩堝壁的紋路是一系列的垂直槽，槽深約為四分之一英寸，槽寬約為四分之一英寸，間距為坩堝壁內(nèi)圓周上每二分之一英寸上分布一個(gè)槽。選擇這樣的深度和寬度是為了在坩堝中的液態(tài)金屬上升時(shí)，凝固在槽中的筋不會重熔。選擇這樣的內(nèi)圓周面上槽位的數(shù)量是使重熔的架狀物剛性穩(wěn)定性增加。槽的側(cè)壁從正交于槽基體的垂直線向外偏14度左右的角度，槽的拐角做成圓角，使得槽可以容易地被液態(tài)金屬充滿，而且在錠塊凝固后錠塊可以容易地從坩堝上脫離。
在此工藝的模制過程中可以觀察到產(chǎn)生了穩(wěn)定的架狀物。與無紋路壁的爐中所得的錠塊相比，圖8中所示718合金錠塊的特點(diǎn)是白點(diǎn)和臟白點(diǎn)的程度都得到了減輕。
雖然這里描述的是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，但本發(fā)明可以進(jìn)行變化和修改，因此并不局限于實(shí)例中的具體情況。例如，本發(fā)明可以連同模制任何合適材料的工藝一起使用，比如高合金鐵基鋼，或高合金鈦，如鈦17(含鈦，5％鋁，4％鉻，4％鉬，2％錫，2％鋯)。圖9，10，11，和12顯示了紋路壁表面52的其他例子。圖9顯示了具有裂隙56和尖點(diǎn)58的紋路，圖10顯示了具有尖點(diǎn)58和平底面50的紋路，圖11顯示了具有裂隙56和平頂面60的紋路，圖11顯示了具有裂隙56和平頂面60的紋路，而圖12顯示了另一優(yōu)選結(jié)構(gòu)，其具有修圓的起伏形狀62。本發(fā)明包括了在隨后的權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有變化和修動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種真空電弧重熔裝置(10)，包括，一個(gè)爐腔(14)；一位于所述爐腔(14)內(nèi)并由準(zhǔn)備重熔的材料制成的自耗電極(12)；一位于所述爐腔(14)內(nèi)的坩堝(16)，所述坩堝(16)包括坩堝壁，形成收集所述自耗電極(12)上產(chǎn)生的熔化材料的容器，其特征在于，所述坩堝壁上刻有紋路，增大了其表面面積，從而促進(jìn)了凝固的熔化材料機(jī)械穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁提供了對所述熔化材料凝固形成的架狀物的固定(42)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁包括一不平或紊亂的表面(52)，相比平面其表面面積增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁包括一有筋的、有圖案的，或者具有交替的脊和槽的波紋表面(52)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁包括凹槽、褶、壓痕、凹痕或槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁表面形成有犁溝、波紋或脊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁表面形成有基本垂直的槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁表面形成有槽(46)，所述槽和垂直面的夾角小于60度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁表面形成有基本垂直的槽(46)，所述槽的深度在八分之一到四分之三英寸左右，寬度在八分之一到二英寸左右，槽的間距在八分之三到四英寸左右。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁表面形成有基本垂直的槽(46)，所述槽的深度在四分之一到二分之一英寸左右，寬度在四分之一到二分之一英寸左右，槽的間距在二分之一到四分之三英寸左右。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁表面形成有基本垂直的槽(46)，所述槽的圓角最大為槽寬的二分之一左右。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁表面形成有基本垂直的槽(46)，槽深或槽寬在坩堝圓周上所占的比例應(yīng)在0.001到0.05左右，坩堝內(nèi)圓周上每英寸內(nèi)槽的出現(xiàn)頻率在0.1到5左右。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁包括交替的裂隙(56)和尖點(diǎn)(58)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁包括交替的平底面和尖點(diǎn)(58)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁包括交替的平頂面(60)和裂隙(56)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置(10)，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁包括修圓的起伏形狀(62)。
17.一種真空電弧重熔工藝，包括，將自耗電極(12)裝入爐腔(14)中的冷卻坩堝(16)上方，所述坩堝包括有紋路的坩堝壁，形成收集所述自耗電極(12)產(chǎn)生的熔化材料的容器；在所述電極(12)和所述坩堝(16)底部之間加一直流電，使得所述電極尖端的材料被熔化；聚集從所述電極尖端滴入所述坩堝(16)中的材料；和，冷卻所述熔化材料形成錠塊，其特點(diǎn)是，凝固材料形成的架狀物位于坩堝有紋路的壁的附近，并處于凝固材料的下邊界的上方。
18.根據(jù)權(quán)利要求21所述工藝，其特征在于，所述具有紋路的坩堝壁可以穩(wěn)定所述架狀物(42)，防止所述架狀物(42)從所述壁上突然脫落。
全文摘要
提出了一種在裝置(10)中進(jìn)行的真空電弧重熔工藝。該裝置的特征在于坩堝壁提供了穩(wěn)定的架狀物的自身固定。該裝置包括爐腔、在爐腔內(nèi)由重熔材料形成的自耗電極和坩堝。坩堝壁形成收集自耗電極產(chǎn)生的熔化材料的容器。坩堝壁的至少一部分具有紋路成為下部熔化而上部形成的架狀物的機(jī)械穩(wěn)定區(qū)。在真空電弧重熔過程中,自耗電極裝入爐腔中冷坩堝的上方,坩堝具有紋路的壁形成了收集自耗電極熔化材料的容器。本工藝包括在電極和坩堝底部之間加直流電,使電極尖端的材料熔化。熔化的材料從坩堝內(nèi)的電極尖端開始收集。熔化的材料冷卻形成錠塊,其特點(diǎn)是凝固材料形成的架狀物位于坩堝壁有紋路部分的附近,處于凝固材料下邊界的上方。
文檔編號F27B14/10GK1351181SQ01132689
公開日2002年5月29日 申請日期2001年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月31日
發(fā)明者M·G·本茲, M·F·亨賴, 小W·T·卡特, B·P·比萊 申請人:通用電氣公司