高溫合金精密鑄造技術(shù)研究進(jìn)展

騫磊

北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100095

引言

高溫合金精密鑄造技術(shù)以熔模鑄造工藝為主，發(fā)展期間形成了等軸晶類型、定向柱晶與單晶類型的精密鑄造形式，不同技術(shù)的應(yīng)用具有不同的特點(diǎn)，需結(jié)合高溫合金的生產(chǎn)需求、工藝特征等完善相應(yīng)的技術(shù)體系，確保各類制造技術(shù)的良好使用。

1 高溫合金精密鑄造技術(shù)

1.1 高溫合金熔模精密鑄造

20世紀(jì)70年代之后我國的合金化理論與相應(yīng)的熱處理工藝技術(shù)快速發(fā)展、進(jìn)步，取得了一定的突破。當(dāng)前我國的高溫合金等軸晶鑄件生產(chǎn)的過程中，鑄件直徑已經(jīng)達(dá)到了150cm，航空領(lǐng)域中的葉片長度從5cm增加到12cm，在燃?xì)廨啓C(jī)方面的定向類型或者是單晶類型的葉片長度能夠達(dá)到60cm，可以通過高溫合金鑄造技術(shù)生產(chǎn)十分復(fù)雜的鑄件。同時(shí)單晶合金也開始蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了第一代到第四代單晶合金，承受溫度的能力提升了30℃，例如：英國所研究開發(fā)的第四代單晶合金，和傳統(tǒng)的定向柱晶合金的承受溫度能力相比高100℃左右，并且應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代末期，北京的相關(guān)研究部門成功研究開發(fā)單晶高溫合金，持久性能指標(biāo)甚至已經(jīng)超過國外相同類型的合金，可以進(jìn)行批量性的生產(chǎn)。目前高溫合金鑄件已經(jīng)開始向著復(fù)雜化、大型化、高精確度化的方向發(fā)展，對鑄造工藝、流程形成一定的挑戰(zhàn)，也促使熔模精密鑄造技術(shù)不斷進(jìn)步，從真空冶煉技術(shù)發(fā)展到無余量鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、單晶技術(shù)等方面。鑄造技術(shù)的提升與高溫合金原材料生產(chǎn)制造之間也存在直接的聯(lián)系，需要結(jié)合高溫合金材料特性、鑄件使用情況等，完善相應(yīng)的工藝技術(shù)模式與機(jī)制，控制材料的性能，保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性。

1.2 高溫合金等軸晶精密鑄造

1.2.1 細(xì)晶鑄造。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境非常惡劣，在高溫、高寒等極端工作條件下，對渦輪葉片、葉盤及渦輪機(jī)匣等高等溫合金鑄件的壽命提出嚴(yán)格的要求，如果采用傳統(tǒng)的熔模精鑄技術(shù)，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的鑄件出現(xiàn)柱狀晶或是樹枝晶，晶粒的平均尺寸超過4毫米，晶粒粗大，并且組織存在差異性，各部位性能會(huì)有所不同，如果通過此類技術(shù)生產(chǎn)高溫合金，可能會(huì)導(dǎo)致鑄件在使用期間出現(xiàn)疲勞裂紋的問題，縮短使用壽命，而等軸晶精密鑄造技術(shù)的應(yīng)用就可以改變現(xiàn)狀，尤其是細(xì)晶鑄造技術(shù)，可以有效進(jìn)行傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)流程的控制，使得合金形核的機(jī)制有所強(qiáng)化，能夠形成數(shù)量較高的結(jié)晶核心，起到晶粒長大的抑制性作用，獲取到平均晶粒尺寸在1.6mm之內(nèi)并且均勻度較高的等軸晶鑄件產(chǎn)品，符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

20世紀(jì)70年代的中期階段，美國就已經(jīng)開始使用高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)，通過熱失控的形式生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)合金渦輪產(chǎn)品，能夠?qū)⒉牧蠞沧⑦^熱度維持在27℃之內(nèi)，平均晶粒度控制在直徑0.51mm左右，和傳統(tǒng)的熔模鑄造技術(shù)相較，細(xì)晶鑄造的鑄件壽命延長75%以上。20世紀(jì)80年代美國研究開發(fā)了鑄型攪動(dòng)技術(shù)，合金凝固時(shí)利用攪拌的形式將枝晶剪斷，進(jìn)而形成較多的形核核心，最終生產(chǎn)出均勻度較高、粒徑很小的晶粒。在此之后，美國又研究開發(fā)出第二代動(dòng)力學(xué)細(xì)晶鑄造技術(shù)，能夠增強(qiáng)鑄型攪動(dòng)的效果，嚴(yán)格控制溫度參數(shù)數(shù)值，加快凝固的速度，獲取到晶粒較為細(xì)小的晶胞組織，主要技術(shù)為：合金熔煉之后的靜置降溫工藝，可以將澆注環(huán)節(jié)的過熱度控制為20℃之內(nèi)；帶電澆注技術(shù)，通過感應(yīng)爐之內(nèi)的電磁攪拌形式，使得在合金液體表面所漂浮的雜晶推動(dòng)到其他位置，確保金屬液體的潔凈度符合標(biāo)準(zhǔn)；利用旋轉(zhuǎn)鑄型攪動(dòng)對操作期間所產(chǎn)生的內(nèi)熔體進(jìn)行處理，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的冷卻強(qiáng)度，使得鑄件的截面形成均勻度較高、直徑很小的晶胞組織。我國的相關(guān)機(jī)構(gòu)在研究的過程中已經(jīng)開發(fā)出鑄型攪動(dòng)技術(shù)的細(xì)晶鑄造爐設(shè)備，生產(chǎn)相應(yīng)的細(xì)晶鑄件，可以延長鑄件的使用壽命。

受20世紀(jì)80年代德國研究多種金屬化合物類在合金細(xì)化方面的影響，我國西北工業(yè)大學(xué)也開始研究金屬化合物類細(xì)化劑，形成合金細(xì)化的作用，并發(fā)現(xiàn)使用金屬化合物細(xì)化劑除了能夠確保組織細(xì)化，還能增強(qiáng)碳化物的細(xì)化效果，提升等軸晶的數(shù)量，降低樹枝晶的數(shù)量與尺寸，增強(qiáng)不同溫度條件下合金的屈服與抗拉強(qiáng)度。此類方式的應(yīng)用屬于化學(xué)法晶粒細(xì)化技術(shù)，其便于操作的特性使其廣泛地應(yīng)用于表面細(xì)化鑄件的生產(chǎn)工藝中。但是，由于化學(xué)法晶粒細(xì)化技術(shù)受熔煉澆注過程中溫度的影響較大，溫度較低則反應(yīng)形核的數(shù)量較少，溫度過高則形核重熔于熔體中，導(dǎo)致最終細(xì)化效果較差。高溫合金的熔鑄工藝具備一定的復(fù)雜性特點(diǎn)，高溫合金的熔點(diǎn)在普遍在1300℃以上，澆注之前需要進(jìn)行過熱處理，在高溫的狀態(tài)下很多添加劑都會(huì)出現(xiàn)分解的現(xiàn)象，或者是直接和熔體之間相互熔合，無法保留形成形核基底，這就導(dǎo)致生產(chǎn)期間添加劑材料的使用受到一定限制，所以在未來的生產(chǎn)過程中需要結(jié)合高溫合金的情況科學(xué)使用化學(xué)添加劑。

1.2.2 雙組織雙性能鑄造技術(shù)。一般情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過程中，由于工作條件不同各個(gè)位置所承受的溫度和應(yīng)力也有所差異，因此，在實(shí)際生產(chǎn)的過程中需要結(jié)合具體情況選擇鑄造工藝技術(shù)，例如：葉片渦輪工作期間的溫度很高，需要使用定向柱晶組織或者是單晶組織，確保具備一定的抗蠕變性能、抗熱腐蝕性能，對于一些渦輪的工作溫度很低，就可以使用等軸晶組織，提升抗拉與抗疲勞性能，預(yù)防裂紋擴(kuò)展的問題。為達(dá)到此類生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，美國已經(jīng)研究出雙組織雙性能鑄造技術(shù)，指的是將金屬鑄入預(yù)制件的周圍區(qū)域，使其成為具備較高整體性的鑄件，這樣不僅能夠?qū)⒏鞣N類型的合金材料鑄造成為整體零件，還能形成等軸組織、定向組織、單晶組織，在鑄造的過程中，需要在蠟?zāi)Ｉ厦媾渲靡呀?jīng)制作完成的定向葉片，脫模以后鑄型周圍屬于金屬材料的葉片，中間的位置使用細(xì)晶鑄造技術(shù)實(shí)現(xiàn)澆注的目的，最終形成雙組織葉輪材料。目前我國已經(jīng)結(jié)合航空葉盤結(jié)構(gòu)的特征，利用對葉片凝固結(jié)晶整個(gè)流程溫度場的控制，形成相應(yīng)的定向結(jié)晶溫度梯度，聯(lián)合使用細(xì)結(jié)晶鑄造技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破的目的。

1.3 高溫合金定向柱晶與單晶精密鑄造

1.3.1 定向凝固技術(shù)。定向凝固技術(shù)屬于當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)過程中最為重要的技術(shù)形式，涉及水冷結(jié)晶快速類型、液態(tài)金屬冷卻類型的定向凝固工藝，20世紀(jì)90年代歐美國家就已經(jīng)開始使用先進(jìn)的水冷結(jié)晶快速定向凝固技術(shù)，主要是將鑄型移出技術(shù)作為基礎(chǔ)部分，通過輻射擋板進(jìn)行爐子設(shè)備冷區(qū)、熱區(qū)的隔離處理，改善溫度梯度，并且技術(shù)在應(yīng)用期間設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常簡易，工藝應(yīng)用穩(wěn)定性很高，具有成熟性的特點(diǎn)，很適合生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的葉片等各種尺寸很小的鑄件。定向凝固技術(shù)在應(yīng)用的過程中，最初階段利用鑄件將熱量傳導(dǎo)進(jìn)入水冷板設(shè)備，形成冷卻的作用，在鑄件不斷拉出之后，傳熱的效率會(huì)有所降低，原因就是很多高溫合金都不具備一定的導(dǎo)熱性能，需要利用模殼向著水冷爐殼進(jìn)行輻射散熱，很容易在凝固之前就會(huì)出現(xiàn)溫度梯度減小的現(xiàn)象，因此在使用水冷結(jié)晶快速類型定向凝固技術(shù)的過程中需要結(jié)合高溫合金鑄件的特征強(qiáng)化研究力度，嚴(yán)格控制溫度梯度。而液態(tài)金屬冷卻定向凝固技術(shù)在應(yīng)用期間，就可以將鑄模設(shè)置在熔點(diǎn)很低的液態(tài)金屬中，對流換熱的效果較好，目前國內(nèi)外已經(jīng)開始使用此類定向凝固技術(shù)進(jìn)行高溫合金的生產(chǎn)制備，取得了良好的成績[1]。

1.3.2 單晶葉片生產(chǎn)技術(shù)。單晶葉片生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用的過程中，應(yīng)重點(diǎn)使用選晶法和籽晶法，①選晶法應(yīng)用的過程中，主要是在鑄件或者是葉片的底部區(qū)域設(shè)置選晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)行單晶的篩選，目前我國在選晶法方面重點(diǎn)研究開發(fā)單晶合金引晶段的截面腐蝕情況、不同位置橫截面的定能情況等，認(rèn)為通過螺旋選晶器設(shè)備所制作的高溫合金不會(huì)產(chǎn)生單晶取向的生產(chǎn)影響[2]。②籽晶法主要是將與單晶部件材料相同的籽晶設(shè)置在鑄型外殼的底部區(qū)域，之后將已經(jīng)進(jìn)行過熱的熔融液體澆注其中，也可以重新熔融固體材料棒，之后適當(dāng)進(jìn)行固液界面前沿液相之內(nèi)溫度梯度的控制、抽拉速率的控制，獲取晶體取向符合標(biāo)準(zhǔn)、籽晶符合要求的高溫合金部件。雖然此類技術(shù)在應(yīng)用的過程中性能良好，但是很可能受到一些因素的影響出現(xiàn)雜晶，尤其是籽晶和合金材料相互熔融的情況下，會(huì)形成半固態(tài)的區(qū)域，其他取向類型的晶粒就會(huì)在枝晶上面出現(xiàn)游離晶，導(dǎo)致所生產(chǎn)的鑄件存在缺陷問題。因此，在未來發(fā)展的過程中應(yīng)結(jié)合籽晶法技術(shù)的特點(diǎn)與情況制定完善的技術(shù)方案，確保單晶葉片的生產(chǎn)性能和質(zhì)量。

2 單晶高溫合金鑄造的缺陷

目前在生產(chǎn)的過程中，高溫合金的成分參數(shù)與凝固參數(shù)控制存在難點(diǎn)，很容易在定向凝固生產(chǎn)或是單晶生產(chǎn)期間出現(xiàn)雀斑、熱裂和疏松等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的高溫性能。并且去除晶界強(qiáng)化元素之后，單晶高溫合金生產(chǎn)期間的凝固缺陷問題較為嚴(yán)重，導(dǎo)致葉片和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能降低，使用壽命縮短，所以在實(shí)際生產(chǎn)的過程中應(yīng)結(jié)合單晶葉片鑄造過程中缺陷產(chǎn)生的原因，嚴(yán)格進(jìn)行凝固缺陷的控制，增強(qiáng)單晶完整性的同時(shí)，保證產(chǎn)品的性能符合標(biāo)準(zhǔn)，研制、開發(fā)可以增強(qiáng)單晶高溫合金葉片性能的先進(jìn)定向凝固技術(shù)。從實(shí)際情況而言，凝固缺陷問題發(fā)生的主要原因是葉片的各個(gè)位置尺寸與結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，使得各個(gè)位置的凝固特性存在一定差異；凝固工藝參數(shù)不合理或者不穩(wěn)定，導(dǎo)致最終的凝固過程難以控制；合金元素和相關(guān)的偏析現(xiàn)象；單晶葉片的緣板部分和上部分的界面突然發(fā)生變化，導(dǎo)致生產(chǎn)期間出現(xiàn)雜晶的問題，單晶完整性降低[3]。

全面研究分析出現(xiàn)凝固缺陷問題的原因之后，可以使用優(yōu)化鑄造技術(shù)的方式預(yù)防或是降低單晶缺陷問題的發(fā)生率，美國在研究的過程中就使用高梯度定向凝固技術(shù)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)，有效降低了雀斑缺陷問題的發(fā)生率，嚴(yán)格控制各個(gè)零件尺寸條件下的溫度梯度參數(shù)，形成一定的生產(chǎn)優(yōu)化、改良的作用。我國在研究的過程中，已開始重視高溫合金定向凝固技術(shù)的應(yīng)用缺陷研究，但是由于缺陷發(fā)生的形式較為復(fù)雜，存在多種影響因素，受到一些情況的限制，無法直接了解缺陷形成的情況，因此還不能在生產(chǎn)實(shí)踐的過程中徹底解決缺陷問題，所以在我國的高溫合金精密鑄造技術(shù)應(yīng)用的過程中，應(yīng)重點(diǎn)研究分析影響快速凝固技術(shù)的因素，制定完善的權(quán)限控制方案計(jì)劃，為相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供一定幫助[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，高溫合金精密鑄造技術(shù)應(yīng)用的過程中，國內(nèi)外已經(jīng)開始大力研究等軸晶精密鑄造技術(shù)、定向柱晶和單晶精密鑄造技術(shù)，取得了良好的成績，但是在技術(shù)應(yīng)用的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高溫合金鑄件缺陷問題，需要根據(jù)缺陷問題的出現(xiàn)原因和實(shí)際情況研究開發(fā)優(yōu)化技術(shù)，保證高溫合金的精密鑄造質(zhì)量和性能。