新技术新工艺细晶铸造

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4~9mm。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2~3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ASTM0~2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γ＇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暑类

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近年来美国Howmet公司研制和发展的Grainex（简称GX法）和Ｍicrocast-X(简称ＭＸ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1MX、GX法的晶粒细化尺寸范围区体蹲其中鞋GX副法以拜动力惜学法引为基讽础，羞是高门温合塞金细桨晶铸慕造第日一代责动力戴学法沫工艺加，它赖采用贤较高兰的过而热温炉度，殖在合搞金凝写固过窗程中杰打碎挽已凝蠢固的禽枝晶架骨架傅成为亭结晶端核心钞，从馒而细测化铸洽件晶固粒。南与热前控法丙相比偶，G铁X法浑浇注乐过热趁度较惑大，君因而蜓使铸领件薄狸壁部恒分容袄易成访形，哗所获罩得的杆铸件艺纯净训度高怨，晶您粒度符细小毫而均贸匀，朵通常凡能达喂到A立ST闲M0驰～２割级。便但晶腾粒形烤态仍拨保留毁着轻谈微的生树枝压状，蕉其缺瑞点是诉不能笼全面架改善去铸件穗的晶逆粒形竟态，栗仅使扯厚截率面部侧位晶携粒细垄化。争这种刻方法圆适用况于铸徐造叶芬盘和敏其他脊一些顿回转哀体铸冶件以袭及截类面厚石大的鲜细晶本铸件丛。M慰X法刻是H僵ow幕me粮t公台司开述发的暂第二晶代动还力学疮法细着晶铸蛾造工得艺，考其特孙点是衫将机偏械扰体动与踩快速琴凝固尺相结洪合以摘获得唯晶粒农更加焰细小新的晶蓝胞组棵织，越用此利法铸拨造的仔铸件威晶粒便度能乌达A斑ST塑M3悟~5绝级或仇更细捷，可婚与变脏形高转温合厦金零轮件的冰晶粒绑度相纵媲美富，因污而能盲以比污GX组法更粮大的尸幅度徒提高辉铸件握的力溜学性港能。虹直到籍目前屿为止四，该袖工艺术仍属君不公祸开的够专利络。但挑从有昆关资蔬料分卸析，妹其工鼻艺要林点主鞠要包贿括：晶①合菌金精你炼后替静止沫降温宝，使蛋浇注浊过热最度保锄持在种20柱℃以兰内。酷②浇覆注时创对合污金液柔进行掉机械搁或电暴磁感融应扰吹动，捉使合峰金液础成细筛小的骡液滴躺流注萝入预艇热铸母型的吧型腔路。③惩在铸鲁型内烦扰动关合金距液并喜提高持铸型支对合免金液万的冷改却强全度，内使铸爷件在新整个荒截面幼上都惭能生茶成均两匀、咬细小笋、非奖枝晶嘉的晶聪胞组奶织。州MX阵法现垒主要正用于筐生产量镍基航高温夹合金禾的熔舅模铸躬件、陈铸锭劲和可匠锻坯个件。既贴诚在2粉0世暑纪9写0年织代中险期国系内研聋究和赚开发竹了属对于动贩力学白法范烘畴的度细晶根铸造愤工艺栗——诵铸型惰搅动拘法（笔Mo拳ul永d-素Ag芬it桑at紫io阻n法授），姜简称技MA眼法，竖并建叔立了劝ZG谨X-雕25音型细使晶铸湖造真杀空感杰应炉挥。利丛用该屈设备恨可铸陕造出易外形禽尺寸土达3振00去mm我、重踢量达超50跃kg爽的细叫晶铸瞒件。舞在该议设备碰上不你但能恩用化运学法雁和热脑控法龙铸造跨细晶泳叶片寒、细伏晶整借体结斥构件冷，而乳且还尚可用智铸型涝搅动妄法生哨产出滔纯净朵度较趟高的朽细晶肃整体科叶盘立、涡承轮等熔回转武体铸储件。堵其工赢艺原舞理与挥GX假法相喘近，慎如图东2所假示。纺图2惜班MA庭法工拣艺原反理示塘意图稿ZG输X-疑25归型细猎晶铸响造炉塑具有惰预热重铸型评的加店热器杨，并悼有能绑使铸也型单僻向港/晒双向帽旋转础功能串的机臭构。股铸型厌搅动啦法（口MA美法）喉细化调铸件郊晶粒亮基于舰在凝欠固过摔程中怠对枝陪晶破绪碎、运增殖礼形核笨质点兰的原贵理。膝具体俗工艺够步骤辛为：携将模妈壳装肾卡在压专用胆的铸敬型系漠统中飘，并去预热疮至规语定的菜型壳没温度慌。在阶对合露金熔责液精栏炼干最净后扩，调将整好峰浇注绩温度和，然印后浇或入型征壳中雀，静客止一拢段时此间后膏，铸腔型双蹲向搅谣动，衔直到喘凝固戴完毕蒜。桨在金羞属液狼凝固寿过程长中，反通过叹铸型翼搅动箭使铸找型壁存上最辅初形坊成的赶枝晶肢被破特碎，则破碎闯的枝跑晶分悔布于溜整个锦合金殃液中皇，因得而创枪造了炼有效著的形丛核核宵心，亮导致戏铸件爱产生冻细小仇、均福匀和尊等轴滩的晶护粒。劳此外筝，铸伙型中蠢心到烫铸型遇壁的质热梯胞度得誓到降独低，苍因此矿不管辽铸件致截面逝厚度登如何预变化昼，都厘能获永得较低均匀岛的等滨轴晶竹。迈铸型愚搅动源法主均要控比制的避搅动快参数招为：井浇注奖后合仰金液耳在铸波型内药的静三止时秩间鲜τ猜静；强正转无/惰反转从的时丹间江τ耗正反昨；正临转反逗转之炎间换崭向时取间男τ艇换；零正转弯/词反转哪的转哨速兰v戚正反陈；双功向转箩动的订总时是间为疮τ抗总。惨实验升中通练过变传化合你金的台浇注安过热初温度流Δ创t乳浇及舒搅动而参数捷来得顾到不享同的撞晶粒捎度。悔铸型协搅动川工艺册的优毕点在狡于采跟用比创热控袖法细旬晶工既艺高索得多峡的浇喇注温篮度，涂因而波铸件殿纯净庄度高沃，薄奇壁部括位容贱易成君形。占相比黄之下策，传叼统的梅热控相法细以晶铸诊造工输艺和屑硼化版物沉摸淀工辛艺主劳要依错赖于与很低弟的浇暴注温混度，冶因而带导致厅了非指金属豪夹杂雷物的乖诱入降。潮旦2换细晶友铸造误举例淡采用忠铸型号搅动乱法细命晶铸疗造生后产了推某航嗓空发绘动机败上在的中温剂条件症（猪47绢0~访75糖0挡℃装）下晌使用每的整景体涡棉轮。果该整怀体涡凝轮直既径为忌14形7m养m辈，铸鼠件毛梁重忘10汤.5挽kg照，用爹K4焦18蹄B痛镍基籍高温特合金改铸造晶，其网主要蕉化学祸成分式见表椒2陶。誉熔模女型壳栋用硅夹酸乙情酯絮-旗刚玉活砂制祥壳工差艺制蒸成。倚合金焰的熔佛炼和恋浇注搂在自独制的封ZG堂X-务25叠型细盛晶铸乳造真倒空感择应炉躺内进降行。狮铸型肯在炉羞内可柏双向满旋转捷，对粉注入佩型腔因内的芽合金粗液体税施加哀双向政搅动想作用慰。细纪晶铸傅造的捡工艺吗参数庆见表农3痛。肝表2舒收K4足18灯B合惨金主捷要化胃学成市分（溜质量羊分数捐，%庸）签C派Cr绿Mo荣Ti侄Al江Zr俗B既Ni国0.破04棕5务12漆.3裂4乞4.愁37较0.筑79抛5.熟83京0.疫06足0挥0.范01临1色余量瘦表3牛示K4筒18尼B合饶金整茫体涡劳轮的侄细晶筛铸造枣工艺题参数厘铸型抓温度升t奔型伤

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