高温合金细晶铸造新技术

摘要：常规的铸造组织存在细等轴晶、柱状晶以及粗等轴晶三种晶区，高温合金细晶铸造新工艺能够确保晶粒度细小达到锻造晶粒度，而且分布于整个铸造界面区域内的均匀等轴晶组织，相比于传统的高温合金细晶铸造工艺，高温合金细晶铸造新技术具有超强的充型能力。本文对高温合金细晶铸造技术进行综述，探讨高温合金细晶铸造技术的现状，并且对高温合金细晶铸造新技术进行探讨，展望高温合金细晶铸造技术的发展方向。

关键词：高温合金;细晶组织;铸造技术

1.引言

高温合金是以元素周期表中第八主族元素为基，含有适量合金元素，在高温下能够承受较高应力、较高的抗氧化性能和良好的组织稳定性的合金材料，从上世纪30年代开始，高温合金主要应用于航空发动机的热端部件制作，当前高温合金体系已经初步形成。上世纪50年代高温合金逐渐形成了镍基、铁基、钴基三大高温合金体系，而且相继出现定向凝固、单晶、粉末冶金和机械合金化等工艺，高温合金细晶铸造技术也出现于该时期。当前高温合金细晶铸造技术在能源、交通运输和化学工业等领域得到了广泛的应用，成为国民经济和国防建设具有重大战略意义的材料，

2.高温合金细晶铸造研究发展

锅炉燃烧器用的喷口（耐热合金）的恶劣工况对于高温合金铸件提出更高的要求，因此在整体叶盘和涡轮机匣等期间的铸造，通常为普通熔模精铸的工艺条件下的粗大树枝晶或柱状晶，晶粒的平均尺寸大于4mm，因此容易造成铸件使用过程中的疲劳纹的产生，影响铸件的整体性能与使用寿命。采用细晶铸造技术，能够改善铸件中的低温疲劳性能和其他力学性能，延长铸件的使用寿命。

2.1 细晶铸造原理和方法

细晶铸造技术的原理是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中使合金形成的莱昂结晶和新，组织晶核长大，从而火大晶粒尺寸小于1.6mm的均匀、细小、各项同性的等轴晶铸件，从而确保铸件的性能。常用的细晶铸造方法有动力学法、热控法、改变铸造参数法、化学法等多种方法。

2.2 细晶铸造研究进展

上世纪70年代中期开始，美国Howmet公司发展了高温合金细晶铸造法，采用Grainix法控制合金铸造热参数，从而对合金铸造晶粒大小进行控制。1984年美国Airresearch铸造公司采用热控法生产了T-63型发动机的IN713合金整体涡轮，将浇筑过热度控制在27℃以下，平均晶粒度达到ASTM 00级别，细晶铸造技术生产的涡轮低周疲劳寿命提高了75%。钢铁研究院从上世纪80年代开始采用热控法研究直径为250mm的涡轮的细晶铸造技术，采用合金液相线以上约30℃的浇注温度得到型壳，结果表明热控法能够细化晶粒，但是因为热控法的浇注温度低，因此显微疏松较多，采用热等静压处理会提升铸造成本。

3.高温合金细晶铸造新技术研究

高温合金细晶铸造新技术主要是针对高温合金的大型复杂难充型铸件的细晶铸造工艺，采用感应电流对金属液体施加一定的交变磁场，从而在金属液中产生合适的感应电流，从而确保金属能够持续降温，保持合金的纯液态形态，使液态金属具有良好的充型能力，最终获得全铸造的均匀细等轴晶。

3.1 充型能力研究

采用铸造新技术，能够确保合金单相液体的充型能力，该技术已经制成多种Ni基高温合金铸件，采用顶注加侧注的方法设计法兰铸件，对法兰厚大部位进行补缩。为了对充型能力进行研究，设计制造60kg细经真空铸造炉，采用特定的电磁场参数保证金属液体能够在熔点以下保持纯液态，浇筑温度能够达到熔点以下10-16℃，通过该设备能够得到K4168细晶铸件，得到的铸件冒口下方和冒口上表面层均形成了细晶组织，冒口部分的中心部位形成大的缩孔和粗大的柱状晶。形成柱状晶的主要原因是过冷液体在热传导的有利部位迅速生长，通过铸型壁传导结晶潜热，从而形成不具有过冷度的普通低温金属液体，从而生成粗大的柱状晶结构。

3.2 铸造新技术优点

对过冷金属液体施加抑制 固相形核的电磁场，能够对过冷金属液体的凝固过程进行控制，因为过冷金属液体凝固过程是在充型完成后开始的，因此为了达到细晶凝固的条件，坩埚内的金属液体温度需要降低到熔点低温浇筑温度。但是该阶段的金属液体内部温度均匀性很差，有些局部已经是固、液两相混合的粥状液体，因此结构复杂、薄壁类的铸件会形成欠铸缺陷。在高温合金细晶铸造技术中注入过冷的金属春液体，采用电磁场保证金属液体的均匀状态，最终得到的法兰逐渐铸造界面全部是均匀的等轴细晶，薄壁件充型完整，棱角分明，具有优异的充型能力。采用施加人为影响因素使金属液体过冷新型细晶铸造工艺所铸铸件达到了普通锻造、轧制级别的晶粒度，而且产生的金属液体使等轴的，且能够完成大型复杂耐压关键不见，对于节约能源、资源具有重要的意义。新型细晶铸造工艺的力学性能如表1所示。

表1 K4168细晶铸件法兰铸件力学性能

4.结束语

高温合金细晶铸造技术对于铸造具有重要的意义，传统的铸造技术包括有动力学法、热控法、改变铸造参数法、化学法等多种技术，在铸造冷却的过程中施加合适的电磁场，能够控制金属液体在过冷状态下完成充型，而且该方法能够在复杂、薄壁的典型铸件上得到ASTM3级以上的均匀等轴细晶组织，充型能力强，达到了较高的力学性能水平。

参考文献：

[1]专利文献CN102133629A.一种轻合金电磁悬浮铸造装置和方法

[2]蒋业华，戴长泉，周荣.流变铸造半固态亚共晶高铬铸铁组织形成研究.特种铸造及有色合金，2004（6）：24