精密鑄造高溫合金的應用與需求研究

蘇景陽

摘 要：隨著我國高溫合金技術的不斷發展下，可以為關鍵機械部位的實現帶來了機遇。對此，本文主要從高溫合金材料、定向凝固技術的應用、單晶葉片制造、單晶高溫合金的鑄造缺陷進行分析，并在對這些技術使用的基礎上對其所存在的不足之處進行探究，從而提出合理化建議，提供給相關人士，供以借鑒。

關鍵詞：應用；技術；分析；發展；使用

由于高溫合金在元素周期表中在第八族元素的條件下，合理的添加了某些合金元素。因此，在高溫的情況下，同樣可以承受很大的重量。除此之外，還起到了防腐的作用。在最近幾年里，隨著現代化技術水平的不斷提升，高溫合金精密鑄造手段在相關領域得到了普遍的認可，應當大力的推廣，特別是在工業或者是化學工業等相應的技術領域中得到了青睞。相關單位通過采取該手段能夠為我國的經濟帶來益處。對此，本文主要在對高溫合金性質進行分析的基礎上，重點對該手段在相關領域所起到了作用進行分析。

1 高溫合金材料

相對于鐵基和鈷基高溫合金，鎳基高溫合金在現代工業中使用最廣泛，牌號最多，地位也最重要。鎳基高溫合金是以Ni-Cr二元系為基體，加入Co、Mo和W等固溶強化、沉淀強化和晶界強化元素。目前世界上的高溫合金，特別是單晶高溫合金材料的發展已經歷了4代.第1代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發動機上獲得廣泛應用。20世紀80年代后期以來，以PWA1484、ReneN5為代表的第2代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進航空發動機上得到大量使用，目前一些國家研制的第2代單晶高溫合金已成熟，并廣泛應用在軍民用航空發動機上。

2 定向凝固技術的應用

定向凝固技術一般包括水冷結晶快速定向凝固技術以及液態金屬冷卻定向凝固技術。目前一些技術強國主要還是應用快速定向凝固技術，本法在鑄型移出技術的基礎上，借助于冷卻處理，大大提高了溫度梯度。在性能上，定向凝固技術發展的已經很成熟了。目前，單晶高溫合金難溶元素的大量應用也帶來了結晶溫度間隔時間很長以及偏析問題更加嚴重的問題，另外定向凝固技術溫度梯度也出現了控制不利的情況。在此基礎之上，發展了LMC方法，此法利用鑄模工藝，在合金中添加一些液態金屬，這樣加工出來的合金具有對流換散熱效果顯著的優點。

在航空發動機應用方面，LMC技術解決了定向凝固技術散熱效率低以及生產效率不高的難題。當溫度梯度在200℃/cm時，材料一次枝晶間距可以降低到150μm時，高溫合金鑄件更加致密，提高了性能以及加工生產效率。在零部件使用壽命以及抗疲勞強度方面也有很大程度的提升，單晶合金的持久壽命較之前提高了15%，另外一個指標抗疲勞強度也提高了20%。本工藝提高了單晶葉片的安全性，更為重要的是單晶合金在熱等靜壓處理時，隨著疏松彌合和致密度提高，避免形成不可修復的再結晶缺陷致使葉片報廢。自從上世紀90年代以來，工業燃氣渦輪技術更新也完善了LMC技術，滿足了大尺寸定向以及大直徑葉片的技術需求。高溫度梯度LMC定向凝固技術可以在一定程度上減少單晶雀斑的出現，進而提高了構件的屈服強度。

3 單晶葉片制造

高溫合金精密鑄造工業中，高溫合金單晶葉片制備主要是通過選晶法以及籽晶技術。

選晶法是在鑄件或者葉片底部加一個選晶器來選擇產生單晶。在單晶體制備過程中，通過一些技術手段，可以改變晶體的力學性能。所以，對于選晶過程中引晶段和選晶段晶粒組織演化和競爭生長的研究就顯得非常關鍵。

籽晶法制備單晶體可以理解為是能夠在和單晶材質的籽晶放置到相應的位置上，接著將金屬液體均勻的澆筑在籽晶體表面，從而逐漸變成單晶體。和選晶法之間進行對比，籽晶法能夠對相應的三維空間進行控制。通常情況下，只有保持籽晶和熱流處于相同的狀態下，才能夠對相應的晶粒進行控制，最終形成單晶。當材料是在半固態地區的情況下，相應的晶粒會在枝晶上面逐漸形成核，這樣就可以得到雜晶體核，但是使用這種材料的設備可就會留下質量問題。為了減少這種情況的發生，在工業具體的使用中，為了提煉出質量優秀的籽晶，相關人員可以從合格的晶體上面進行切取，然后在對切取方向做好嚴格的掌握，只有這樣才可以得到品質優秀的籽晶，從而使晶體達到完整的目的。

4 單晶高溫合金的鑄造不足之處

由于單晶高溫合金鑄件通常表面都會出現縮松、雀斑等情況，其主要是因為設計合金成分、施工工藝等有關因素。相關人員在對單晶高溫合金里面的相關元素進行去除中，在高溫服役使所產生的凝固缺陷屬于薄弱環節，會在一定程度上對發動機的相關功能帶來不利影響。因此，相關人員應當對單晶葉片鑄造所存在的不足之處進行分析，避免出現過多的凝固缺陷，從而使單晶達到完整的目的，是研究相應手段的關鍵環節。對單晶高溫合金葉片而言，所存在的不足之處主要是因為凝固手段的不恰當和合金內部形式發生變化而形成的。從結構的角度出發，由于葉片處于不同的位置，其具體的尺寸以及結構的不同都會致使凝固發生變化。除此之外，不恰當的凝固工藝參數也會致使凝固的質量不理想，再加之合金金屬出現現象也會在某種程度上使凝固存在缺陷。站在理論的角度出發，相應的緣板和不規則的葉冠等因素都會對高溫合金的鑄造帶來影響。由于大尺寸的單晶葉片的距離存在很遠，相應境界的不同也會致使大型單晶葉片的應用帶來了影響。由于合金沒有較好的可鑄性能和相關的元素含量的變化有著密切的聯系，就會因為元素的變化而發生雀斑的現象，對晶體取向帶來干擾。在一些國家中，有著先進的技術，完善了單晶高溫鑄造工藝，這樣就會在某種程度上彌補了缺陷的問題，在此情況下研制出了棒狀實驗亦或是發動機葉片，所采取的梯度已經超過了10k/cm。

高溫合金細晶鑄件倘若處于高、中或者是低溫的狀態下，具有一定的強度，這樣就能夠將其使用在相關的領域中，例如工業燃機領域中。就高溫合金葉片而言，對促進我國經濟水平的提高提供了關鍵的技術，將新型液態金屬冷卻手段使用在相關領域中，能夠為我國找到凝固組織帶來益處。一般情況下，高溫合金單晶可以采取以下兩種形式得到：一種是選晶技術；另一種是籽晶技術。

結束語

通過以上內容的論述，可以得知：在最近幾年里，采取精密鑄造高溫合金技術在我國相關領域得到了較多的認可，也在不斷的推廣。例如在航空發動機中就采取了該技術，有著顯著的效果。本文主要從定向凝固技術的應用、單晶葉片制造、單晶高溫合金的鑄造不足之處進行了分析，可以很好的表明該技術在未來的發展中是值得被推廣的技術，從而為我國的經濟繁榮做出貢獻。

參考文獻

[1]項嘉義，謝發勤，吳向清，姚小飛.基于專利分析的中國高溫合金發展趨勢研究[J].材料導報，2014（3）.

[2]行衛東，范興祥，董海剛，吳躍東，付光強，劉楊.廢舊高溫合金再生技術及進展[J].稀有金屬，2013（3）.

[3]郭建亭，周蘭章，袁超，侯介山，秦學智.我國獨創和獨具特色的幾種高溫合金的組織和性能[J].中國有色金屬學報，2011（2）.

[4]尹志冬，戴斌煜，劉智彬，商景利，王薇薇.高溫合金凈化技術研究現狀[J].鑄造，2011（5）.