(工艺技术)新技术新工艺细晶铸造

1、新技术新工艺 - 细晶铸造细晶铸造国外近二十年来集中力量发展了高温合金定向铸造和单晶铸造技术，主要是为了提 高航空发动机高压涡轮叶片的高温工作能力，从而增大发动机的推力，并延长其工作寿 命。与此同时，航空发动机的恶劣工况对在中低温条件下工作的低压涡轮叶片、整体叶 盘和涡轮机匣等高温合金铸件的低周疲劳寿命提出了更高要求。但是这类铸件在普通熔 模精铸工艺生产条件下，一般为粗大的树枝晶或柱状晶，晶粒平均尺寸大于4mm，较典型的为 49mm。由于晶粒粗大及组织、性能上的各向异性，很容易导致铸件在使用过程 中疲劳裂纹的产生和发展，这对于铸件的疲劳性能尤其是低周疲劳性能极为不利，并且 造成铸件力学性能数据

2、过于分散，降低了设计容限。随着对发动机的整体寿命和性能要 求的进一步提高，改善铸件的中低温疲劳性能及其他力学性能显得十分重要。这便导致 了细晶铸造技术的产生和发展。工业发达国家，尤其是美国和德国，早在 20世纪 70 年代末就开展了高温合金细晶 铸造技术的研究和应用，在 20世纪 80 年代中后期该项技术发展趋于成熟，目前正在航 空、航天工业领域中扩大其应用范围，如美国 Howmet 公司利用细晶铸造技术成功地制 造了 Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718 等高温合金整体涡轮，使涡轮的低周疲劳寿 命提高了 23 倍。德国、法国在新型号航空发动机上也采用了细晶整体涡轮铸件。国内

3、 对高温合金细晶铸造技术的研究从 20 世纪 80年代末开始起步，经过“八五”和“九五” 期间的研究和应用，我国航空制造业建立了专门的细晶铸造设备，对高温合金细晶铸造 工艺进行了较系统的试验，研制了一批镍基高温合金细晶铸件，并已应用于航空发动机 中，在细晶铸造研究领域内取得了重要的进展。1 细晶铸造的特点和工艺方法1.1 细晶铸造的特点细晶铸造技术或工艺（ FGCP）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大量结晶核心，并阻止晶粒长大，从而获得平均晶粒 尺寸小于 1.6mm 的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件，较典型的细晶铸件晶粒度为美 国标准 ASTM0

4、2 级。细晶铸造在使铸件晶粒细化的同时，还使高温合金中的初生碳化 物和强化相尺寸减小，形态改善。因此，细晶铸造的突出优点是大幅度地提高铸件 在中低温（ 760）条件下的低周疲劳寿命，并显著减小铸件力学性能数据的分散度， 从而提高铸造零件的设计容限。同时该技术还在一定程度上改善铸件抗拉性能和持久性 能，并使铸件具有良好的热处理性能。细晶铸造技术还可改善高温合金铸件的机加工性能，减小螺孔和刀刃形锐利边缘等 处产生加工裂纹的潜在危险。 因此该技术可使熔模铸件的应用范围扩大到原先使用锻件、 厚板机加工零件和锻铸组合件等领域。在航空发动机零件的精铸生产中，使用细晶铸件 代替某些锻件或用细晶铸造的锭料来做

5、锻坯已很常见。1.2 细晶铸造的工艺方法 细晶铸造晶核的增殖来源于合金液中已存在的或外加的固体形核基底成形核心作 用，因此，细化晶粒的关键是增加合金液中的形核基底的数量。目前增加形核基底的数 量的基本方法大致可分为三大类：热控法或改变铸造参数法（ VCP 法）、动力学法（或机 械法）和化学法。这也是细晶铸造的三类基本工艺方法，如表 1 所示。表 1 细晶铸造的工艺方法类别热控法( Thermal Control Method)动力学法( Dynamic Method )化学法( Chemical Approach )工艺原理在静态铸型条件下，通过控制铸型温度，降低合金精炼温度和时间， 使分散于

6、熔液中作为形核基底的碳 化物保留下来，并较大幅度地降低 浇注过热度，增大铸件冷却速度，在浇注和凝固过程中施加外力迫使合金液产生振动、搅动等运动，已凝固的枝晶被破碎并使之遍布于整个熔液 中，从而形成更多的有效晶核，并限 制了晶粒的长大。 常见的方法有： （1）通过向熔液中加入有效形核 剂，形成大量的非均匀质核心 而使晶粒细化。 典型的如添加 元素 B、稀土元素、 Ni-Al 中 间化合物等以达到限制晶粒长大和细化晶粒的一般方法： 旋转铸型法、 机械振动法、目的超声波振动法、电磁搅动法等；（ 2）Grainex 法、 Mould-Agitation 法；（ 3）Microcast-X 法工艺参数铸

7、型温度 （t 型） 、浇注温度 ）t 浇）及精炼温度 （t 精）等浇注温度 （t 铸） 和铸型旋转振动参数 （速度、频率 ） 以及铸型冷却速率等精炼温度 （t 精） 、形核剂加入量及其加入制度等晶粒细化典型尺寸范围1.60 0.18mm0.36 0.07mm1.25 0.12mm工艺简单，但铸件容易欠铸、晶粒晶粒度均匀、合金纯净度高、成形能工艺简单，但容易引进杂质、优缺点度不均匀力好，但需要建立专用的细晶铸造设改变合金成分备适用范围形状简单的小尺寸铸件回转体和厚大截面铸件形状简单的小尺寸铸件近年来美国 Howmet 公司研制和发展的 Grainex （简称 GX法）和 icrocast-X（

8、简称法 ）细晶工艺代表着国际先进水平的细晶铸造工艺方法，目前已投入生产应用。图1为 GX、 MX法的晶粒细化典型尺寸范围图1 MX 、GX法的晶粒细化尺寸范围其中 GX 法以动力学法为基础，是高温合金细晶铸造第一代动力学法工艺，它采用 较高的过热温度，在合金凝固过程中打碎已凝固的枝晶骨架成为结晶核心，从而细化铸 件晶粒。与热控法相比， GX 法浇注过热度较大，因而使铸件薄壁部分容易成形，所获得 的铸件纯净度高，晶粒度细小而均匀，通常能达到 ASTM0级。但晶粒形态仍保留着 轻微的树枝状，其缺点是不能全面改善铸件的晶粒形态，仅使厚截面部位晶粒细化。这 种方法适用于铸造叶盘和其他一些回转体铸件以及

9、截面厚大的细晶铸件。 MX 法是 Howmet 公司开发的第二代动力学法细晶铸造工艺，其特点是将机械扰动与快速凝固相 结合以获得晶粒更加细小的晶胞组织，用此法铸造的铸件晶粒度能达 ASTM35 级或更 细，可与变形高温合金零件的晶粒度相媲美， 因而能以比 GX 法更大的幅度提高铸件的力 学性能。直到目前为止，该工艺仍属不公开的专利。但从有关资料分析，其工艺要点主 要包括：合金精炼后静止降温，使浇注过热度保持在 20以内。浇注时对合金液进 行机械或电磁感应扰动，使合金液成细小的液滴流注入预热铸型的型腔。在铸型内扰 动合金液并提高铸型对合金液的冷却强度，使铸件在整个截面上都能生成均匀、细小、 非枝

10、晶的晶胞组织。 MX 法现主要用于生产镍基高温合金的熔模铸件、铸锭和可锻坯件。在 20 世纪 90 年代中期国内研究和开发了属于动力学法范畴的细晶铸造工艺 铸型搅动法（ Mould-Agitation 法），简称 MA 法，并建立了 ZGX-25 型细晶铸造真空感 应炉。利用该设备可铸造出外形尺寸达 300mm 、重量达 50kg 的细晶铸件。在该设备上 不但能用化学法和热控法铸造细晶叶片、细晶整体结构件，而且还可用铸型搅动法生产 出纯净度较高的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件。其工艺原理与 GX 法相近，如图 2 所示。图2 MA法工艺原理示意图ZGX-25 型细晶铸造炉具有预热铸型的加热器，

11、并有能使铸型单向 /双向旋转功能的 机构。铸型搅动法（ MA 法）细化铸件晶粒基于在凝固过程中对枝晶破碎、增殖形核质 点的原理。具体工艺步骤为：将模壳装卡在专用的铸型系统中，并预热至规定的型壳温 度。在对合金熔液精炼干净后，调整好浇注温度，然后浇入型壳中，静止一段时间后， 铸型双向搅动，直到凝固完毕。在金属液凝固过程中，通过铸型搅动使铸型壁上最初形成的枝晶被破碎，破碎 的枝晶分布于整个合金液中，因而创造了有效的形核核心，导致铸件产生细小、均匀和 等轴的晶粒。此外，铸型中心到铸型壁的热梯度得到降低，因此不管铸件截面厚度如何 变化，都能获得较均匀的等轴晶。铸型搅动法主要控制的搅动参数为：浇注后合金

12、液在铸型内的静止时间静； 正转/反转的时间正反；正转反转之间换向时间换；正转 /反转的转速 v 正反；双向转 动的总时间为总。 实验中通过变化合金的浇注过热温度 t 浇及搅动参数来得到不同的 晶粒度。铸型搅动工艺的优点在于采用比热控法细晶工艺高得多的浇注温度，因而铸件 纯净度高，薄壁部位容易成形。相比之下，传统的热控法细晶铸造工艺和硼化物沉淀工 艺主要依赖于很低的浇注温度，因而导致了非金属夹杂物的诱入。2 细晶铸造举例采用铸型搅动法细晶铸造生产了某航空发动机上在中温条件 ( 470750)下使 用的整体涡轮。 该整体涡轮直径为 147mm，铸件毛重 10.5kg，用 K418B 镍基高温合金铸

13、 造，其主要化学成分见表 2。熔模型壳用硅酸乙酯 -刚玉砂制壳工艺制成。合金的熔炼和浇注在自制的 ZGX-25 型细晶铸造真空感应炉内进行。 铸型在炉内可双向旋转， 对注入型腔内的合金液 体施加双向搅动作用。细晶铸造的工艺参数见表 3。表 2 K418B 合金主要化学成分(质量分数， % )CCrMoTiAlZrBNi0.04512.344.370.795.830.0600.011余量表 3 K418B 合金整体涡轮的细晶铸造工艺参数铸型温度 t 型 / 浇注过热度 t 浇 / 搅动参数静 / s正反 / s 换 / sv 正反 / rmin -1总 / min90010006080453521005细晶涡轮经过热等静压（ HIP）和热处理。热等静压工艺为： 1200/150MPa/4h； 热处理工艺为 :1180， 2h，空冷 +930，16h，空冷。在热处理后涡轮的