高溫合金細(xì)晶鑄造新技術(shù)

趙飛文

摘要：常規(guī)的鑄造組織存在細(xì)等軸晶、柱狀晶以及粗等軸晶三種晶區(qū)，高溫合金細(xì)晶鑄造新工藝能夠確保晶粒度細(xì)小達(dá)到鍛造晶粒度，而且分布于整個鑄造界面區(qū)域內(nèi)的均勻等軸晶組織，相比于傳統(tǒng)的高溫合金細(xì)晶鑄造工藝，高溫合金細(xì)晶鑄造新技術(shù)具有超強(qiáng)的充型能力。本文對高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)進(jìn)行綜述，探討高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)的現(xiàn)狀，并且對高溫合金細(xì)晶鑄造新技術(shù)進(jìn)行探討，展望高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：高溫合金;細(xì)晶組織;鑄造技術(shù)

1.引言

高溫合金是以元素周期表中第八主族元素為基，含有適量合金元素，在高溫下能夠承受較高應(yīng)力、較高的抗氧化性能和良好的組織穩(wěn)定性的合金材料，從上世紀(jì)30年代開始，高溫合金主要應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的熱端部件制作，當(dāng)前高溫合金體系已經(jīng)初步形成。上世紀(jì)50年代高溫合金逐漸形成了鎳基、鐵基、鈷基三大高溫合金體系，而且相繼出現(xiàn)定向凝固、單晶、粉末冶金和機(jī)械合金化等工藝，高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)也出現(xiàn)于該時期。當(dāng)前高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)在能源、交通運輸和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義的材料，

2.高溫合金細(xì)晶鑄造研究發(fā)展

鍋爐燃燒器用的噴口（耐熱合金）的惡劣工況對于高溫合金鑄件提出更高的要求，因此在整體葉盤和渦輪機(jī)匣等期間的鑄造，通常為普通熔模精鑄的工藝條件下的粗大樹枝晶或柱狀晶，晶粒的平均尺寸大于4mm，因此容易造成鑄件使用過程中的疲勞紋的產(chǎn)生，影響鑄件的整體性能與使用壽命。采用細(xì)晶鑄造技術(shù)，能夠改善鑄件中的低溫疲勞性能和其他力學(xué)性能，延長鑄件的使用壽命。

2.1?細(xì)晶鑄造原理和方法

細(xì)晶鑄造技術(shù)的原理是通過控制普通熔模鑄造工藝，強(qiáng)化合金的形核機(jī)制，在鑄造過程中使合金形成的萊昂結(jié)晶和新，組織晶核長大，從而火大晶粒尺寸小于1.6mm的均勻、細(xì)小、各項同性的等軸晶鑄件，從而確保鑄件的性能。常用的細(xì)晶鑄造方法有動力學(xué)法、熱控法、改變鑄造參數(shù)法、化學(xué)法等多種方法。

2.2?細(xì)晶鑄造研究進(jìn)展

上世紀(jì)70年代中期開始，美國Howmet公司發(fā)展了高溫合金細(xì)晶鑄造法，采用Grainix法控制合金鑄造熱參數(shù)，從而對合金鑄造晶粒大小進(jìn)行控制。1984年美國Airresearch鑄造公司采用熱控法生產(chǎn)了T-63型發(fā)動機(jī)的IN713合金整體渦輪，將澆筑過熱度控制在27℃以下，平均晶粒度達(dá)到ASTM?00級別，細(xì)晶鑄造技術(shù)生產(chǎn)的渦輪低周疲勞壽命提高了75%。鋼鐵研究院從上世紀(jì)80年代開始采用熱控法研究直徑為250mm的渦輪的細(xì)晶鑄造技術(shù)，采用合金液相線以上約30℃的澆注溫度得到型殼，結(jié)果表明熱控法能夠細(xì)化晶粒，但是因為熱控法的澆注溫度低，因此顯微疏松較多，采用熱等靜壓處理會提升鑄造成本。

3.高溫合金細(xì)晶鑄造新技術(shù)研究

高溫合金細(xì)晶鑄造新技術(shù)主要是針對高溫合金的大型復(fù)雜難充型鑄件的細(xì)晶鑄造工藝，采用感應(yīng)電流對金屬液體施加一定的交變磁場，從而在金屬液中產(chǎn)生合適的感應(yīng)電流，從而確保金屬能夠持續(xù)降溫，保持合金的純液態(tài)形態(tài)，使液態(tài)金屬具有良好的充型能力，最終獲得全鑄造的均勻細(xì)等軸晶。

3.1?充型能力研究

采用鑄造新技術(shù)，能夠確保合金單相液體的充型能力，該技術(shù)已經(jīng)制成多種Ni基高溫合金鑄件，采用頂注加側(cè)注的方法設(shè)計法蘭鑄件，對法蘭厚大部位進(jìn)行補(bǔ)縮。為了對充型能力進(jìn)行研究，設(shè)計制造60kg細(xì)經(jīng)真空鑄造爐，采用特定的電磁場參數(shù)保證金屬液體能夠在熔點以下保持純液態(tài)，澆筑溫度能夠達(dá)到熔點以下10-16℃，通過該設(shè)備能夠得到K4168細(xì)晶鑄件，得到的鑄件冒口下方和冒口上表面層均形成了細(xì)晶組織，冒口部分的中心部位形成大的縮孔和粗大的柱狀晶。形成柱狀晶的主要原因是過冷液體在熱傳導(dǎo)的有利部位迅速生長，通過鑄型壁傳導(dǎo)結(jié)晶潛熱，從而形成不具有過冷度的普通低溫金屬液體，從而生成粗大的柱狀晶結(jié)構(gòu)。

3.2?鑄造新技術(shù)優(yōu)點

對過冷金屬液體施加抑制?固相形核的電磁場，能夠?qū)^冷金屬液體的凝固過程進(jìn)行控制，因為過冷金屬液體凝固過程是在充型完成后開始的，因此為了達(dá)到細(xì)晶凝固的條件，坩堝內(nèi)的金屬液體溫度需要降低到熔點低溫澆筑溫度。但是該階段的金屬液體內(nèi)部溫度均勻性很差，有些局部已經(jīng)是固、液兩相混合的粥狀液體，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁類的鑄件會形成欠鑄缺陷。在高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)中注入過冷的金屬春液體，采用電磁場保證金屬液體的均勻狀態(tài)，最終得到的法蘭逐漸鑄造界面全部是均勻的等軸細(xì)晶，薄壁件充型完整，棱角分明，具有優(yōu)異的充型能力。采用施加人為影響因素使金屬液體過冷新型細(xì)晶鑄造工藝所鑄鑄件達(dá)到了普通鍛造、軋制級別的晶粒度，而且產(chǎn)生的金屬液體使等軸的，且能夠完成大型復(fù)雜耐壓關(guān)鍵不見，對于節(jié)約能源、資源具有重要的意義。新型細(xì)晶鑄造工藝的力學(xué)性能如表1所示。

表1?K4168細(xì)晶鑄件法蘭鑄件力學(xué)性能

4.結(jié)束語

高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)對于鑄造具有重要的意義，傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)包括有動力學(xué)法、熱控法、改變鑄造參數(shù)法、化學(xué)法等多種技術(shù)，在鑄造冷卻的過程中施加合適的電磁場，能夠控制金屬液體在過冷狀態(tài)下完成充型，而且該方法能夠在復(fù)雜、薄壁的典型鑄件上得到ASTM3級以上的均勻等軸細(xì)晶組織，充型能力強(qiáng)，達(dá)到了較高的力學(xué)性能水平。

參考文獻(xiàn)：

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