專利名稱：以金屬錠形式澆鑄電弧熔煉的金屬材料的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在等離子體電弧熔煉(PAM)和金屬錠澆鑄工藝過程中用以控制合金特別是鎳基高溫合金的凝固的方法和設備。
對于某些用途，特別是經(jīng)常使用鎳基高溫合金鑄錠的航空與航天領域來說，要求鑄錠組織不含有組織缺陷。這里所說的缺陷包括(但不限于)結疤、冷隔、縮松、晶粒度不均勻、以及導致開裂和不均勻機械性能的化學偏析。PAM工藝提供了一種通過控制輸入到正在凝固的金屬錠中的熱量來控制鑄錠組織、減少乃至消除缺陷的方法。對于這類金屬錠的特性還有一個要求是，它們不應含有尺寸大于成品零件晶粒度的氧化夾雜物，因為這些夾雜物對零件的低循環(huán)疲勞性能具有有害的影響。在有些PAM工藝方法中，可以在氧化夾雜物進入盛有熔融金屬的錠模之前使其從熔融金屬中浮上來。
在PAM工藝過程中通常采用三種基本方法來生產(chǎn)合金，即滴熔法、非自耗電極熔煉法和膛式熔煉法。一般地說，用這些方法得到的最終產(chǎn)品是熔融金屬在鑄模中凝固而成的金屬錠。滴熔法采用一根進料電極，利用電弧使其熔化，熔融金屬液滴落到被澆鑄的金屬錠的上表面上。非自耗電極熔煉法所使用的進料被直接引入鑄模內的熔融金屬中或者被引入旋轉凝殼爐膛中使之熔化并分批澆鑄到金屬錠的上部表面上。相比之下，膛式熔煉法所使用的進料是利用等離子體弧來熔化，熔融的金屬被收集在一個水平的槽或爐床中，利用另外設置的對準爐床表面的等離子體弧使其在爐床內保持液體狀態(tài)。隨后將熔融金屬輸送到設置在錠模上方的澆注口。人們已經(jīng)知道，在所有這些方法中還可以利用電弧加熱鑄型內金屬的上表面以影響正在凝固的金屬錠的凝固和冷卻。為了獲得所需要的合金凝固組織和鑄錠表面狀態(tài)，要求金屬錠的冷卻要適當。
電子束熔煉(EBM)法與PAM方法相類似，不同之處在于，EBM法使用的不是等離子體弧而是電子束，并且這種方法是在真空下而不是在惰性氣體中進行的。以前，有人曾提出采用EBM滴熔工藝生產(chǎn)均勻的細晶粒金屬錠的方法。作為一個實例，有一種方法采用連續(xù)鑄造，其中，金屬錠的上表面溫度保持在合金的固相線溫度以下但高于熔融金屬液滴與鑄錠表面形成冶金結合的溫度。在這一方法中，未采取任何措施來測量用以控制滴落速率和沉積方式的鑄錠表面溫度，此外，人們通常認為，向金屬鑄錠上表面輸入熱量是不合乎需要的，這或許是因為缺少直接測量表面溫度以控制滴落速率和沉積方式的手段。采用合金固相線或固相線以下溫度的結果是，所得產(chǎn)品不是真正的金屬錠鑄件，而是冶金結合的凝固液滴的堆積物，其組織中形成了孔隙并夾帶有雜質例如氧化夾雜物。
以往還曾有人提出以EBM爐床法用來生產(chǎn)具有所需要的內部組織及合格的表面狀態(tài)的金屬鑄錠，但是這些方法并沒有完全取得成功。這種現(xiàn)有技術方法通常包括目視觀測熔池表面和用雙色高溫計測定某個或某些位置處的溫度，操作人員利用這些數(shù)據(jù)人工控制電子束的功率和沖擊圖形，以便產(chǎn)生所要求的熔池表面溫度，其目的是產(chǎn)生所需要的鑄錠凝固組織。迄今為止，已經(jīng)證實這種工藝過程監(jiān)控方法不足以達到控制電子束功率和沖擊圖形以產(chǎn)生合乎要求的凝固組織所需要的精確度。
以前有一種采用EBM或PAM膛式工藝澆鑄金屬錠的方法，該方法的目標是使鑄型中心處的熔池表面溫度保持稍低于合金液相線溫度，同時將熔池邊緣處的溫度保持略高于合金液相線溫度。選定前一溫度的目的是為了產(chǎn)生起到晶種作用的固體微晶，金屬鑄錠就是由這些晶種凝固而形成的;選定后一溫度是為了避免在鑄錠邊緣處形成冷隔或結疤。這一方法的優(yōu)點是，熔池中心溫度可以用肉眼監(jiān)測，因為微晶的產(chǎn)生提供了可以用肉眼看到的征兆，表明溫度實際上已經(jīng)低于合金的液相線。但是，前已述及，目視觀測和人工控制熔池表面溫度不能提供產(chǎn)生具有合格凝固組織的鑄錠所需要的控制精度。
這種方法還有一個缺點是，在實施該方法時鑄錠熔池表面上產(chǎn)生的溫度梯度導致熔池中形成不能允許的快速液體對流。這種快速液體對流有可能使處于表面上的不希望有的氧化夾雜物向下移動，夾雜在凝固的鑄錠中。此外，采用這種方法時表面上產(chǎn)生的溫度梯度還導致凝固的鑄錠中產(chǎn)生不均勻的顯微組織。關于這種方法，有人還指出了另外一個缺點當所采用的熔池溫度低于液相線時，形成的金屬錠熔池非常淺，所產(chǎn)生的凝固組織對于以電子束或電弧加熱形式施加的能量的微小變化格外敏感，從而使得工藝過程更難以恰當?shù)乜刂坪蛯嵤?br> 利用電子束輸入熱量，其作用面積比較狹小，這一特性使得有可能對熱輸入進行精確的空間立體控制，但另一方面也使得難以將大面積的熔融金屬表面保持均一溫度。另外，使用電子束時所不可缺少的高真空限制了熱量的排出并使部分合金元素蒸發(fā)。在PAM方法中，由于使用隋性氣氛，可以排出較多的熱量，這樣形成較淺的熔池從而產(chǎn)生令人滿意的凝固組織。惰性氣體氣氛還降低了合金元素的蒸發(fā)，使得容易得到所需要的鑄錠成分。與EBM相比，PAM方法由于使用了電弧因而具有比較寬的熱輸入分布，從而比較容易使較大面積的表面保持均一溫度。
因此，本發(fā)明的一個主要目的是，提供一種以金屬錠形式澆鑄熔融金屬材料的設備，其中，凝固過程受到精確控制以使金屬錠中產(chǎn)生予先確定的合乎要求的凝固組織。
本發(fā)明的另一目的是，將成象輻射計與PAM膛式或滴熔設備組合起來使用，其中設置成象輻射計是為了測量熔池上表面溫度以及提供與該表面上溫度分布有關的圖象。
本發(fā)明的另外一個目的是，提供一種以金屬錠形式澆鑄熔融金屬材料的方法，該方法包括精確地測量和監(jiān)控熔池上表面溫度并使電弧對準熔池的上表面，以使基本上整個熔池上表面保持大致均一的溫度。
本發(fā)明還有一個目的是，提供一種以金屬錠形式澆鑄熔融金屬材料的方法，其中，用成象輻射計測定熔池上表面溫度并由成象輻射計產(chǎn)生與所述表面上溫度分布有關的圖象，該圖象用于控制指向熔池上表面的電弧的強度和沖擊的區(qū)域，以使熔池表面上保持大致均勻的溫度。
通過提供一種利用等離子體弧熔煉(PAM)膛式或滴熔工藝以金屬錠形式澆鑄熔融金屬材料的設備，實現(xiàn)了本發(fā)明的上述目的以及其它的目的，其中采用成象輻射計測量鑄型內熔池上表面溫度，提供與該表面上溫度分布有關的圖象，或者提供代表這一溫度分布的信號。上述設備裝備有一個或多個等離子體弧炬，用以將電弧對準熔池表面，以便獲得或保持予定的熔池表面溫度分布，這一溫度分布由成象輻射計來監(jiān)控和核查。
在本發(fā)明的方法中，提供了用以在鑄型中將熔融金屬材料澆鑄成錠的PAM膛式或滴落工藝，這一方法包括下列步驟測定熔池上表面溫度分布，有選擇地控制指向熔池表面的電弧的位置并調整其強度以使熔池表面上保持所要求的予定溫度分布。這一方法的重要方面包括，在基本上整個熔池表面上保持大體上均勻的溫度分布。該溫度最好是保持在稍高于被澆鑄成錠的金屬材料的合金液相線溫度。
本發(fā)明的設備和方法的進一步特征是，使用一個設置在靠近鑄型內熔池表面的黑體參照輻射源，為的是在爐子運行過程中能夠定期核查成象輻射計的標定精度并測定觀測窗的透射損失。另外，用以使電弧瞄準熔池表面上所要求的面積或區(qū)域并調整電弧強度的電弧等離子體炬控制系統(tǒng)被連接到成象輻射計的輸出端，其中，所測得的溫度分布的視頻顯示可以被用來幫助操作人員將電弧對準熔池表面的特定區(qū)域，以便保持予先確定的表面溫度分布。另外一個供選擇的方案是，將成象輻射計的輸出端與電弧等離子體炬控制裝置的聯(lián)接器連接到用于接收輸出信號的裝置和用于自動控制電弧的瞄準和強度的裝置上。
本發(fā)明的這些特征及其它特征對于本專業(yè)的普通技術人員是不難理解的，讀了下文中對本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細描述并參照附圖將會更清楚地理解本發(fā)明，在所有附圖中，相同的標號代表相同的零部件。


圖1是示意說明本發(fā)明的PAM爐床設備的有代表性的實施方案的剖面圖。
圖2是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中PAM爐的鑄型部分、成象輻射計以及有關零件的示意圖。
先看圖1，圖中示意地描繪了適用于實施本發(fā)明的PAM爐床設備的一個有代表性的方案。爐膛10由爐床12構成。爐床內含有冷卻管14，水或其它冷卻介質可循環(huán)流過冷卻管。這一實施方案中的爐床包含有一個用于將熔融金屬輸送至鑄型的裝置，下文中將對其作更詳盡的描述。在爐膛的進口端，如箭頭A所示，按已知方法使要被精煉和澆鑄成錠的合金棒16連續(xù)地向爐膛內移動。作為供選擇的替代方案，輸送到爐膛10的原料可以采取某種特定形狀，例如欲澆鑄成錠的材料的小碎片或壓塊。
在爐膛上方安裝第一個可以控制方向的能量輸入裝置18，最好是一個常規(guī)的電弧等離子體炬18，用它來加熱延伸到爐床12上方的合金棒16的端部，使之熔化，熔化的金屬材料20流入爐床內，形成熔池22。為爐床12設置了冷卻液從中流過的冷卻管14，這樣做的目的是為了在爐床12的內表面上形成所述材料的固體結渣24，以保護爐床不會被上述熔融材料所損壞并盡量減小熔融材料吸收來自爐床的雜質的機會。
可以使用若干個可以控制方向的能量輸入裝置(圖中用電弧等離子體炬26表示)使上述材料保持熔融狀態(tài)并處于所要求的予先選定的溫度上，以便將其輸送到鑄型28內。
需要指出的是，由于使用電弧等離子體炬18、26作為熔化合金棒16及維持熔池的能源，因此按本技術領域中熟知的方式將圖1中所示的爐床12和鑄型28封閉在該圖中示意表示的、充滿了惰性氣體的殼體30內。
在爐膛的與合金棒16被熔化所處的位置相對的一端，以爐膛壁上開孔的形式設置了一個澆注口32。澆注口32使得熔融金屬可以流出爐膛進入鑄型28，在這里，由于從熔融金屬表面輻射冷卻以及通過惰性氣體對流和通過鑄型28傳導的結果，金屬材料凝固成鑄錠34，上述鑄型28最好帶有承載冷卻液例如水的冷卻管36，以使鑄型冷卻。金屬錠34按已知方法沿箭頭B的方向由鑄型28底部的開口29向下被拉出，最好是連續(xù)地以大致均勻的速度拉出。其拉出速度最好是與金屬錠凝固前沿向上朝鑄型表面增長的速度大致相同。
如前所述，離開爐膛進入鑄型的熔融金屬材料的溫度最好是過熱達到合金液相線溫度以上，例如液相線溫度以上30℃與100℃之間。最好是按已知方式設置一臺高溫計，監(jiān)測澆注口32處的材料溫度。必要時，可利用這一溫度讀數(shù)來控制電弧等離子體炬18、26，這一控制可以用人工方式或利用自動控制系統(tǒng)例如與高溫計和電弧等離子體炬控制器相連的自動控制系統(tǒng)來完成。
由澆注口32供入鑄型的熔融金屬材料38在鑄型的頂部形成金屬熔池40?？拷T型內表面的部分，由于其附近鑄型內冷卻管36的緣故，往往比熔池中心部位凝固要快。為了控制鑄錠凝固以使鑄錠中產(chǎn)生所需要的予先選定的凝固組織，設置了一個或多個可控制方向的能量輸入裝置(圖中示意表示為電弧等離子體炬44)，用以控制熔池40的表面溫度。
到此為止，所描述的PAM方法和設備只具有大體上常規(guī)的性質?，F(xiàn)在看圖2，圖中更詳細地顯示和描繪了圖1的PAM爐的鑄型部分。與圖1中所示同樣，充有惰性氣體的外殼30將這一部分封閉起來。在充有惰性氣體的外殼或容器上設置了一個電弧等離子體炬44，用來將電弧對準金屬熔池40的表面。
在充有惰性氣體的容器30頂部設置一個觀測孔46，以使成象輻射計48能觀測到鑄型28內金屬的上表面。這種觀測孔以前在PAM爐上也曾使用過，它們最好包含有石英、藍寶石或類似的觀測窗材料。成象輻射計48(其細節(jié)將在下文中說明)和以成象輻射計傳感器為基礎的熔體溫度控制裝置最好是美國專利No.4656311中公布的那種類型，該專利已轉讓給本發(fā)明的受讓人，這里引證該文獻僅供參考。成象輻射計48設在觀測孔的外面，為了減小反射及其它虛假光源的影響，最好將其設置在這樣一個位置上，即輻射計的觀測通道與熔池40的表面近乎垂直相交。
在容器30內有一個黑體參照源50，它靠近鑄型28并處在輻射計48的視場內?？梢詫ikron Instruments Model Blackbody黑體加以修改，用在PAM膛式爐內，它可用于作為輻射參照源50。這個黑體提供了一條定期核查成象輻射計48標定精度的途徑，并且為成象輻射計提供了一種在爐子運行期間檢測觀測孔46的窗透明度變化并予以補償?shù)氖侄?。這種透明度變化可能由于凝結或其它損失機制而引起。最好將一個浸入式熱電偶52設在某一位置上，在那里它可用于提供對合金輻射率的現(xiàn)場標定，圖2中所示的熱電偶處在較低的工作位置上。由于存在熱電偶可能污染合金的危險，利用熱電偶進行標定最好是只在熔體處理過程的開始或結束時進行，或者與取樣結合起來進行?？傊?，成象輻射計的使用提供了對整個表面上溫度的連續(xù)測量，因而避免了頻繁地使用浸入式熱電偶。
在圖2所示的優(yōu)選實施方案中，溫度檢測裝置48采用紅外成象輻射計。使用一個檢測器和機械掃描裝置或者混合配置例如檢測器與機械掃描裝置的線性排列或檢測器的二維電子掃描配置，可以產(chǎn)生熔池40表面的圖象。此外，可以使用各式各樣的透鏡60來選出鑄型及其周圍物體的各種不同的視場。例如，在對該系統(tǒng)進行標定時，可用廣角鏡形成同時存在熔池表面40、黑體參照標定源50和浸入式熱電偶52的圖象。可以用攝遠鏡頭有選擇地將某一特別感興趣的區(qū)域放大。
通常，通過元件的選擇將低于約3微米的波長排除掉，最大限度地減小等離子體本底輻射干擾，從而使所述優(yōu)選實施方案中成象輻射計及其附帶的鏡片、濾光鏡(56、58、62)以及觀測孔46的波長響應特性相適合。美國專利No.4656331中公布了一種這樣的較為理想的檢測器系統(tǒng)，該專利已轉讓給本發(fā)明的受讓人。低溫冷卻的紅外光子檢測器材料例如銻化銦、硅化鉑或各種碲化汞鎘摻雜劑因其具有高的敏感性和速度因而優(yōu)先選擇用于檢測器54。不過，本發(fā)明人認為，敏感性差一些的檢測器材料例如熱電晶體也可以用于實施本發(fā)明，但有一個條件，即必須滿足光譜響應要求。譜帶濾波器56最好是采取長通道濾波器的形式以排除小于約3微米的波長。中性密度濾光片58是用來將所檢測的輻射強度水平降低到成象輻射計能接受的范圍之內。此外還可以插入并調節(jié)可旋轉的線偏振濾光片46，使由于熔池表面40的反射而引起的測量誤差減小到最低程度。
在電弧等離子體本底輻射強度相對于熔池表面發(fā)出的熱輻射來說比較小的情況下，使用其它波長范圍可能是便利的。例如，當電弧及其映出的圖象不在成象輻射計正在監(jiān)測其表面溫度的熔池位置時，就會出現(xiàn)上述情況?？s短電弧長度并使用特定氣體如氦和氫會有助于降低在可見光和近紅外波長范圍內的電弧輻射強度以及在大于3微米的紅外波長內形成的上述通常較低的強度。在這些情況下，在600-1100毫微米譜帶區(qū)段內產(chǎn)生顯著有效的成象輻射計波長響應的檢測器及附帶的鏡片將構成本發(fā)明的令人滿意的熱檢測裝置。在已轉讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利4687344中公開了一個這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用一個硅電荷注入器件平面檢測器配置作為檢測裝置54并使用了如本發(fā)明的熱檢測裝置中所示排列的信號處理裝置(64、78)和濾光裝置(56、58)。
由聚焦于熔池40表面的成象輻射計48輸出視頻信號，這一信號就相當于被檢測的輻射率信息。該信號可以符合美國標準(例如EIARS-170)或符合歐洲標準，可以將其直接顯示出來也可以對其做進一步處理。如圖2中所示，沒有將視頻信號直接顯示出來，而是將其饋送到視頻分析器64。該視頻分析器最好是在視頻監(jiān)視器66上提供連續(xù)的圖示信號強度(即目標溫度及溫度分布)顯示或覆蓋。如果需要在目標物(熔池40)輻射強度(由成象輻射計測定)與視頻分析器的圖示顯示和輸出信號之間建立直接對應關系，則必須對視頻分析器64進行標定和調整。視頻監(jiān)視器66最好是按下述方式顯示所述的溫度和溫度分布采用全視場圖象67以灰色色調或贗采色顯示出熔體或熔池40整個表面上的溫度分布，此外還顯示出所測得實際溫度的曲線圖69。
特別適用于本發(fā)明的視頻分析器是Colorado Video of Boulder公司(科羅拉多州)制造的321型視頻分析器。這種視頻分析器配備有一個手動的外部裝置，用以使一對光標68(一個水平的和一個豎直的)在監(jiān)視器66所顯示的圖象上精確定位并取出該監(jiān)視器顯示的圖象上任何特定點或象素的強度(測得的溫度)，并用來向一個或多個予定的外部裝置提供與所取出的強度成正比的電壓。如圖2所示，配置了一臺電弧等離子體炬控制計算機70，它與視頻分析器64連接，通過視頻分析器輸出通道72接收與所檢測的象素強度有關的電壓信號。視頻分析器64最好設有附加的輸入/輸出通道，圖2中用通道線74、76表示，它們用來向外部裝置例如計算機70提供光標地址信號以及接收來自外部裝置(在該情況下也是計算機70)的光標定位信號。
可以設置一臺視頻彩色量化器78，對按圖2所示配置通過視頻分析器的視頻信號做進一步處理。使用視頻彩色量化器是為了在視頻監(jiān)視器上以分級色調彩色的形式顯示出不連續(xù)的、用戶設定的灰度標強度等級。一般地說，視頻分析器的灰色色調顯示提高了目的物中空間細部的清晰度;另一方面，在控制調整電弧等離子體炬參數(shù)以使較大面積的熔池表面達到同一溫度(在顯示器上由單色表示)時，由視頻彩色量化器產(chǎn)生的贗彩色圖象顯示將是十分有用的。適用于本發(fā)明的商品視頻彩色量化器是Colorado Video Model 606。
操作人員控制臺80是用來控制電弧等離子體炬參數(shù)例如功率或強度、惰性氣體流量及電弧沖擊圖形，以保持熔池40表面上予定的溫度分布。如果打算使PAM爐完全自動化操作，可以將控制臺從這一設備中刪掉?？刂婆_80與電弧等離子體炬控制計算機相連接，該計算機將控制臺發(fā)出的指令傳遞給等離子體炬44。操作人員操縱控制器發(fā)出指令來調整電弧功率或強度以及調節(jié)惰性氣體流量和在熔池表面上的電弧沖擊圖形。
電弧沖擊圖形可以采用本專業(yè)的普通技術人員熟知的方法加以控制。這類方法的例子有調節(jié)惰性氣體流量、電弧的磁偏角、以及用機械方式調整等離子體炬的位置。在圖2中，這種等離子體炬位置的機械調整被描繪成橫向移動方式84、擺動方式86和伸縮方式88。
下面來說明在實施本發(fā)明的以金屬錠方式澆鑄熔融金屬材料方法時如何操作這套設備。本發(fā)明的方法一般包括將金屬材料加熱、熔化以及輸送到鑄型或錠模28中，所述錠模的下部帶有開口用于拉出金屬錠，這一方法還包括，用成象輻射計測量熔池40的表面溫度及溫度分布，控制所述的表面溫度分布以獲得所需要的予定溫度及其分布，冷卻已凝固的金屬錠并將其從鑄型中取出，上述控制是這樣實現(xiàn)的有選擇地控制至少一個用來將電弧對準熔池表面的電弧等離子體炬的位置并有選擇地調整其強度。選擇所需要的予定表面溫度和溫度分布是為了在凝固的鑄錠中產(chǎn)生合乎需要的予定金相組織。
金屬材料的加熱、熔化和輸送在PAM膛式熔煉工藝方法中通常是已知的，關于這一點，在也可以用于實施本發(fā)明的PAM滴熔法中也是如此。在充滿惰性氣體的室或真空室內進行的非自耗電極電弧法也可以用于實施本發(fā)明，盡管它不是最理想的方案。
本發(fā)明的核心在于，使用圖2中所描述的成象輻射計48及其附件來控制正在凝固的鑄錠的熔池表面的溫度，以便在合金鑄錠中獲得所需要的予先選定的金相組織。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，這種澆鑄熔融金屬材料的方法主要是針對生產(chǎn)鎳基高溫合金鑄錠，不過該方法也可用于其它金屬材料，例如鈦基合金、鋯基合金、鈮基合金、鈷基合金、鐵基合金色及鋁的金屬互化物。
本發(fā)明方法的一個重要方面是，使熔池40表面上保持大致均一的溫度。根據(jù)本發(fā)明，一般公認，在鑄型28內熔池40表面上溫度的差異不僅導致因凝固速度不同而產(chǎn)生不同的凝固組織，而且還引起過于激烈的熔池對流，這種對流往往導致鑄錠中夾雜有氧化物或其它不希望有雜質。一般情況下氧化物趨向于飄浮在熔池表面上，當熔池發(fā)生過分對流時可能會將其拖入表面以下并留在那里。
本發(fā)明的第二個重要方面是，鑄型內熔池表面的溫度被保持在澆鑄成錠的合金液相線溫度以上。由于使該表面溫度保持在合金液相線以上，熔融金屬材料及正凝固的合金錠的凝固前沿對于為使大致均勻的表面溫度保持在液相線以上而由電弧等離子體炬施加的能量或熱量很不敏感。
雖然要求將鑄型熔池表面上保持大致均一的溫度，但是，為了減少乃至消除冷隔的形成以及減少或避免在澆鑄過程中由于金屬熔池邊緣處的熔融金屬凝固到鑄型表面上、妨礙將整個鑄錠均勻地拉出而產(chǎn)生的鑄錠表面撕裂或開裂，可能有必要在鑄型邊緣處保持稍高一些的溫度。最好是將鑄型熔池中心區(qū)的溫度保持在合金液相線以上0℃和10℃之間，不過也可以采用高于合金液相線達30℃甚至更高的鑄型熔池溫度來實施本發(fā)明的方法。鑄型熔池邊緣處的溫度最好是保持不低于中心區(qū)的溫度。但是，為了避免過分的液體對流，鑄錠熔池的中心區(qū)和邊緣之間的溫差應當足夠地小。
成象輻射計48使得本發(fā)明的這二個重要方面得以付諸實現(xiàn)，因為成象輻射計連續(xù)地監(jiān)測整個鑄型熔池表面并以灰色色調或贗彩色在監(jiān)視器上形成圖象。由于成象輻射計是在紅外范圍(大于約700毫微米)檢測合金的輻射，因此在測定表面溫度及其分布時不依賴于任何用肉眼觀測的條件。在現(xiàn)有技術方法中，由于依賴于操作人員可用肉眼觀測到某些跡象，因而通常要求工藝過程中使用的鑄型熔池溫度低于合金液相線溫度。
在本發(fā)明的方法中，可以自動控制也可以手動控制表面溫度分布。在手動控制PAM爐的情況下，操作人員利用視頻監(jiān)視器66顯示的影象，調節(jié)電弧等離子體炬44的工作參數(shù)，主要是調整電弧功率和等離子體炬移動的圖形，從而獲得并保持所需要的熔池溫度和大體均勻的溫度分布。
作為替代方案，可以利用計算機70和實時傳感器(未示出)為PAM爐提供自動控制電弧等離子體炬44的能力。在自動操作方式中，成象輻射計探測系統(tǒng)必須有能力給電弧等離子體炬控制器硬件提供與所觀測的場景內任何選定的位置處測得的強度(溫度)有關的信號。這可以通過一個類似于由視頻分析器64輸送給計算機70的信號72的系統(tǒng)來完成，其中，成象輻射計48測得的信息被自動地或有選擇地掃描，以獲得所觀測的場景內某一或某些位置處的強度信號。
因此，通過以手動或自動操作方式調整電弧功率或強度以及等離子體炬的移動圖形，可以獲得近乎等溫的金屬上表面。一般地說，為了補償由于輻射、惰性氣體對流及傳導而造成的熔池熱損失，總是需要輸入一些熱量。鑄錠凝固前沿釋放出的熔解熱補償向下傳導到金屬錠中的熱量而有余。通過水冷卻的錠模28傳導而損失的熱量可以通過使等離子體炬向熔池40邊緣移動而得到補償，如前所述，在邊緣部分保持稍高一些的溫度是合乎需要的，這樣可以減小或避免將鑄錠從鑄型中拉出時金屬錠表面產(chǎn)生冷隔、撕裂或開裂。在控制表面溫度及其分布時還有一個需要考慮的問題是，在使用PAM膛式設備時，澆注到鑄型中的熔融金屬的溫度通常高于熔池其余部分的溫度，因此在該區(qū)域電弧功率需要低一些。
在實施本發(fā)明的方法時，制得的金屬錠具有比較一致的、能重復產(chǎn)生的內部組織和表面質量。在這一工藝方法中使用鎳基合金時，可以獲得的合乎要求的金相組織的例子包括等軸的樹枝狀細晶粒組織、柱狀枝晶組織、以及包含有等軸的樹枝狀細晶粒組織區(qū)和柱狀枝晶組織區(qū)的組織。采用鈦基合金可以得到的理想的金相組織包括等軸晶組織、柱狀晶粒組織以及等軸晶粒組織與柱狀晶粒組織的混合區(qū)域。
一般認為，其它工業(yè)上慣用的成象輻射計也可以用于本發(fā)明的設備和方法，但有一個條件，即它們是在與PAM方法一致的波長范圍內工作并且與這種類型的設備中使用的觀測孔材料相適應。采用對波長范圍在900-3000毫微米的近紅外線敏感的檢測器的商品成象輻射計可以在本發(fā)明中使用，雖然它們不是最理想的。敏感性稍差一些的檢測器材料例如熱電晶體，或者采用電荷耦合器件、電荷注入器件、光導攝象管以及其它在可見光波長范圍內工作的固態(tài)或真空管電視攝象機可以用來代替上述最理想的成象輻射計，但必須滿足光譜響應要求。
另外，一般還認為，在成象輻射計檢測系統(tǒng)中視頻分析器和視頻彩色量化器所起的作用可以由視頻取幀器(即與具有內部數(shù)字幀存儲能力的數(shù)字轉換器類似的電視)和在用于視頻圖象處理的計算機中工作或與過程控制計算機結合在一起的適當軟件來完成。
權利要求
1.用于以金屬錠形式澆鑄熔融金屬材料的設備，包括用于限制和盛裝引入其中熔融金屬材料的鑄型裝置，該鑄型裝置帶有用來冷卻上述熔融金屬材料以使其凝固形成金屬錠的裝置，該鑄型裝置的底部有一個開口使得可以從中將所述金屬錠逐步拉出；一臺設置在予定位置上的成象輻射計，其中，鑄型裝置的上部處在該成象輻射計的視場中，這一成象輻射計能測量在鑄型裝置上部的熔融金屬材料熔池上表面的溫度和溫度分布；至少一個用來將電弧對準所述熔池上表面的電弧等離子體炬裝置，該等離子體炬裝置還包含有用以調整電弧強度的裝置和用以使所述電弧對準熔池上表面上予先選定的區(qū)域的裝置；用于有選擇地控制所述電弧強度調整并用于有選擇地控制將電弧對準熔池上表面的予定區(qū)域的控制裝置，該控制裝置帶有對成象輻射計測得的溫度分布與予定的溫度分布之間差異作出反應而產(chǎn)生信號的裝置；一個包圍住上述鑄型裝置和用以將熔融金屬材料引入該鑄型的裝置的充滿惰性氣體的室，這一充滿惰性氣體的室上至少設置有一個觀察孔，所述的充滿惰性氣體的室是用來維持予定的、適合于有效地操作上述至少一個電弧等離子體炬裝置的內壓。
2.權利要求1所述的設備，其中，所述的成象輻射計產(chǎn)生反映鑄型熔池上表面溫度分布的視頻信號，所述的控制裝置包括一個用于接收上述視頻信號并在視頻監(jiān)視器上產(chǎn)生反映所述溫度分布的圖象的視頻分析器裝置。
3.權利要求1所述的設備，其中，所述成象輻射計設置在充有惰性氣體的室的外面，該成象輻射計通過設置在所述充滿惰性氣體的室上的觀測孔測量鑄型熔池上表面溫度。
4.權利要求1所述的設備，還包括用于將熔融金屬材料輸送到鑄型裝置并將其導入鑄型裝置的爐膛裝置。
5.權利要求1所述的設備，還包括用于在爐子工作期間定期標定成象輻射計的裝置，這一用于標定的裝置由一個黑體輻射參照源組成。
6.一種用于以金屬錠形式澆鑄熔融金屬材料的方法，包括a.將熔融金屬材料輸送到用于容納所述金屬錠的鑄型裝置;b.測定反映出鑄錠熔池上部整個表面上的熔融金屬材料的溫度及溫度分布的輻射率;c.有選擇地控制電弧沖擊鑄型熔池表面的位置，并有選擇地調整電弧的強度，以使上述測定的表面溫度保持在予定值并將所述測得的表面溫度分布保持在予定的表面溫度分布，從而在所述的金屬錠中產(chǎn)生予先選定的金相組織;d.從所述的鑄型裝置中排除熱量，使熔融金屬材料凝固形成金屬錠;e.從鑄型裝置中逐步地拉出已凝固的金屬錠。
7.權利要求6所述的方法，其中所述表面溫度予定值是高于所述金屬材料液相線的溫度。
8.權利要求6所述的方法，其中所述予定的表面溫度分布包括在所述的整個鑄型熔池表面上基本上均勻的溫度。
9.權利要求6所述的方法，其中所述予定的表面溫度分布包括，在該鑄型熔池表面中心部位基本上均勻的溫度和在鑄型熔池邊緣部位比上述均勻溫度高一些的溫度，在所述鑄型熔池中心區(qū)和邊緣區(qū)之間的溫度差應充分地小，以防止鑄型熔池中產(chǎn)生過分的液體對流。
10.權利要求6所述的方法，其中所述的金屬材料是鎳基合金或鈦基合金或鋯基合金或鈮基合金或鈷基合金或鐵基合金或鋁的金屬互化物合金。
全文摘要
提供了以金屬錠形式澆鑄熔融金屬的方法和設備。將熔融金屬輸送到錠模中，用成象輻射計測量鑄型內金屬熔池上表面溫度及其分布，成象輻射計設在包封住錠模并充有惰性氣體的室外面，通過觀測孔觀測熔池表面。用電弧等離子體炬將電弧對準熔池表面，有選擇地調整電弧強度并控制電弧沖擊位置以保持預定熔池表面溫度及其分布，從而在凝固的鑄錠中產(chǎn)生預定的金相組織。
文檔編號B22D23/06GK1067398SQ9210430
公開日1992年12月30日 申請日期1992年6月4日 優(yōu)先權日1991年6月5日
發(fā)明者R·D·里爾奎斯特, G·B·亨特, R·G·孟席斯 申請人:通用電氣公司