高溫合金細晶鑄造新技術

趙飛文

摘要：常規的鑄造組織存在細等軸晶、柱狀晶以及粗等軸晶三種晶區，高溫合金細晶鑄造新工藝能夠確保晶粒度細小達到鍛造晶粒度，而且分布于整個鑄造界面區域內的均勻等軸晶組織，相比于傳統的高溫合金細晶鑄造工藝，高溫合金細晶鑄造新技術具有超強的充型能力。本文對高溫合金細晶鑄造技術進行綜述，探討高溫合金細晶鑄造技術的現狀，并且對高溫合金細晶鑄造新技術進行探討，展望高溫合金細晶鑄造技術的發展方向。

關鍵詞：高溫合金;細晶組織;鑄造技術

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力、較高的抗氧化性能和良好的組織穩定性的合金材料，從上世紀30年代開始，高溫合金主要應用于航空發動機的熱端部件制作，當前高溫合金體系已經初步形成。上世紀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，而且相繼出現定向凝固、單晶、粉末冶金和機械合金化等工藝，高溫合金細晶鑄造技術也出現于該時期。當前高溫合金細晶鑄造技術在能源、交通運輸和化學工業等領域得到了廣泛的應用，成為國民經濟和國防建設具有重大戰略意義的材料，

2.高溫合金細晶鑄造研究發展

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生，影響鑄件的整體性能與使用壽命。采用細晶鑄造技術，能夠改善鑄件中的低溫疲勞性能和其他力學性能，延長鑄件的使用壽命。

2.1?細晶鑄造原理和方法

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

2.2?細晶鑄造研究進展

上世紀70年代中期開始，美國Howmet公司發展了高溫合金細晶鑄造法，采用Grainix法控制合金鑄造熱參數，從而對合金鑄造晶粒大小進行控制。1984年美國Airresearch鑄造公司采用熱控法生產了T-63型發動機的IN713合金整體渦輪，將澆筑過熱度控制在27℃以下，平均晶粒度達到ASTM?00級別，細晶鑄造技術生產的渦輪低周疲勞壽命提高了75%。鋼鐵研究院從上世紀80年代開始采用熱控法研究直徑為250mm的渦輪的細晶鑄造技術，采用合金液相線以上約30℃的澆注溫度得到型殼，結果表明熱控法能夠細化晶粒，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.高溫合金細晶鑄造新技術研究

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

3.1?充型能力研究

采用鑄造新技術，能夠確保合金單相液體的充型能力，該技術已經制成多種Ni基高溫合金鑄件，采用頂注加側注的方法設計法蘭鑄件，對法蘭厚大部位進行補縮。為了對充型能力進行研究，設計制造60kg細經真空鑄造爐，采用特定的電磁場參數保證金屬液體能夠在熔點以下保持純液態，澆筑溫度能夠達到熔點以下10-16℃，通過該設備能夠得到K4168細晶鑄件，得到的鑄件冒口下方和冒口上表面層均形成了細晶組織，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的有利部位迅速生長，通過鑄型壁傳導結晶潛熱，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構。

3.2?鑄造新技術優點

對過冷金屬液體施加抑制?固相形核的電磁場，能夠對過冷金屬液體的凝固過程進行控制，因為過冷金屬液體凝固過程是在充型完成后開始的，因此為了達到細晶凝固的條件，坩堝內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部溫度均勻性很差，有些局部已經是固、液兩相混合的粥狀液體，因此結構復雜、薄壁類的鑄件會形成欠鑄缺陷。在高溫合金細晶鑄造技術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，最終得到的法蘭逐漸鑄造界面全部是均勻的等軸細晶，薄壁件充型完整，棱角分明，具有優異的充型能力。采用施加人為影響因素使金屬液體過冷新型細晶鑄造工藝所鑄鑄件達到了普通鍛造、軋制級別的晶粒度，而且產生的金屬液體使等軸的，且能夠完成大型復雜耐壓關鍵不見，對于節約能源、資源具有重要的意義。新型細晶鑄造工藝的力學性能如表1所示。

表1?K4168細晶鑄件法蘭鑄件力學性能

4.結束語

高溫合金細晶鑄造技術對于鑄造具有重要的意義，傳統的鑄造技術包括有動力學法、熱控法、改變鑄造參數法、化學法等多種技術，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下完成充型，而且該方法能夠在復雜、薄壁的典型鑄件上得到ASTM3級以上的均勻等軸細晶組織，充型能力強，達到了較高的力學性能水平。

參考文獻：

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[2]蔣業華，戴長泉，周榮.流變鑄造半固態亞共晶高鉻鑄鐵組織形成研究.特種鑄造及有色合金，2004（6）：24