高温合金真空电磁铸造凝固过程中液态金属补缩能力的研究

高温合金真空电磁铸造凝固过程中液态金属补缩能力的研究

铸造高温材料通常含有多种化学元素，达到某种类型。因成分中活性元素较多,对杂质含量要求严格,铸造高温合金多采用双真空熔铸工艺,即将原材料先在真空感应炉内熔炼并铸成预制母合金锭,再在真空感应炉内重熔并浇注成铸件。目前采用真空熔铸(VC)工艺预制的母合金锭存在着枝晶组织粗大、元素偏析严重和缩孔缩松较多等问题,从而影响了最终铸件的合格率。电磁搅拌技术(EMS)作为增加等轴晶率、减轻元素偏析、减少中心缩松和缩孔的重要手段,对改善凝固组织具有显著作用。电磁搅拌在铝合金、铜合金和钢的连铸中已得到大量的研究和应用。本文建立了表示高温合金真空电磁铸造凝固过程中液态金属补缩能力的数学模型,并通过研究在真空熔铸过程中施加电磁搅拌对高温合金母合金锭中心缩松缩孔的影响,验证了数学模型的准确性。在此基础上,本文提出了高温合金真空电磁铸造技术(V-EMC),旨在为解决采用传统真空熔铸工艺预制的高温合金母合金锭存在的质量问题提供新的技术途径。1旋转磁场的电磁力电磁搅拌器本体的线圈在通入三相交流电后会产生一个旋转磁场。当液态金属置于旋转磁场内,液态金属将产生感生电流,液态金属作为载流导体,在外加磁场的作用下产生电磁力。电磁力确切地说是其周向分力驱动液态金属沿旋转磁场方向进行旋转运动。电磁力的周向分力可由下式计算:Fϕ=μ4α2ΡΗ20r(Ρ-1)R(Ρ-2)sin2(Ρϕ2-ωst)(1)Fϕ=μ4α2PH20r(P−1)R(P−2)sin2(Pϕ2−ωst)(1)式中:P为搅拌器极数;H0为旋转磁场的周向磁感应强度;R为搅拌器半径;r为液态金属的半径;ωs为涡流的角频率;α为涡流常数;t为磁场周期;Φ为相位角;μ为导磁率。2补缩通道参数的计算从式(1)可知,电磁力的计算比较困难。由于电磁力驱动液态金属做旋转运动,使液体金属的质点都相应地产生了惯性离心力,因此本文以惯性离心力来等效电磁力的作用,以此建立表述高温合金真空电磁铸造凝固过程中液态金属补缩能力的数学模型。离心力可以表示为:Fl=mω2r(2)式中:m为液体金属质量;r为液态金属的半径;ω为液体金属的旋转角速度。在固相骨架形成初期,其晶间通道可以相互贯通,连成一片,且认为凝固过程中无偏析现象,即液态金属的表面张力σ、密度ρ、结晶温度间隔ΔT均不变。此时,可将补缩过程简化为缝式层流运动,如图1所示。液态金属形成的缩松、缩孔,其内部必定是真空的,否则也不称其为缩孔,而应改称为气孔。在高温合金真空电磁铸造凝固过程中,对缩孔进行补缩的动力有:液态金属在凝固时的表面张力;液态金属的压力P(包括液态金属静压力γh和外界附加压力P′);电磁力。因而推动液态金属进行补缩的力F1为:F1=Bδ(P′+γh)+2Bσ+BδLρgω2r(3)式中:B和δ分别为补缩通道的宽度和厚度;g为重力加速度;h为冒口上沿到液固界面的高度;γ为液态金属的重度;P′为真空度。由于液态金属与凝固相润湿性好,因而接触角θ=0°,故cosθ=1,所以补缩力才以式(3)的形式存在。在高温合金真空电磁铸造凝固过程中,阻碍液态金属补缩的力为缝隙间层流运动时的粘性阻力F2:F2=12μLuBδ(4)F2=12μLuBδ(4)式中:u为液态金属的补缩速度;μ为液态金属动力粘度。由于所流经的补缩途径并非平板间的平行通道,而是弯曲的晶粒间隙,因而阻力要比按平板间平行缝隙进行计算时大很多倍。令该倍数为ξ,则式(5)可写成:F2=12μLuBδ⋅ξ(5)F2=12μLuBδ⋅ξ(5)ξ与形成固相骨架的液固共存区厚度有关;与晶粒大小和数量有关;与晶粒在空间的排列状态取向有关。一般可近似表示为:ξ=ΔΤG⋅ηD⋅ψ(6)ξ=ΔTG⋅ηD⋅ψ(6)式中:D为晶粒的平均直径;ΔT为合金结晶温度范围,ΔT>0;G为合金在液固共存区的温度梯度,G>0;η为补缩通道的实际长度与液固共存区的厚度之比,一般η>1;ψ为系数;ΔT/G为液固共存区的厚度;(ΔT/G)(η/D)为弯曲补缩通道上分布的晶粒个数,亦即补缩通道弯曲的次数。固相骨架内实际补缩通道的总长度L可由式(7)表示:L=ΔΤG⋅η(7)由于在补缩通道的曲折路径里,越伸向己凝固的固体层,其液相体积分数越少,温度也越低,路径也越窄小。加之液态金属的粘度迅速增加,因而每出现一次曲折,其阻力增加的值中足以同假设间隙δ不变时的整个沿程阻力相当,故系数ψ是一个接近于1的数。由式(3)、(5)及牛顿第一运动定律可得:dudt+12μξρδ2=2σδ+Ρ′+γhLρ+ω2r(8)式(8)的解析解难以求出,须进行近似处理,即认为液态金属是匀速进行补缩,亦即dudt=0,则式(8)可写成:u=δ212μξ{1L[2σδ+Ρ′+γh]+ρω2r}(9)式中:由于L≥0,因而要求G≥0。将式(6)和(7)带入式(9)得:u=δ2DG12μΔΤψη{GΔΤη[2σδ+Ρ′+γh]+ρω2r}(10)将速度u的单位取为液态金属单位时间所流经的晶粒个数,则式(10)可写为:uD=δ2G12μΔΤψη{GΔΤη[2σδ+Ρ′+γh]+ρω2r}(11)随着温度的降低,原来连成片状的补缩通道将缩小成类似孔隙通道,这时可用毛细管的模型来计算它的补缩情况。则式(11)可写成:uD=d2G32μΔΤψη{GΔΤη[4σd+Ρ′+γh]+ρω2r}(12)式中:d为毛细管内径。式(12)即是表示高温合金真空电磁铸造凝固过程中液态金属补缩能力的数学模型。比较式(11)与(12)可知,其机理完全一致,只是毛细管模型的补缩速度比平板模型的补缩速度要更小一些。3不同铸造工艺方法下液体补缩能力的比较对式(12)中的各参数进行分析,可以探讨影响补缩的因素。对于具体的铸件,其合金的表面张力σ、密度ρ、重度γ、粘度μ、结晶温度范围ΔT等都是定值,补缩速度主要与合金液固共存区的温度梯度的平方G2、电磁力作用下液体金属旋转角速度的平方ω2成正比,与真空度P′、补缩通道厚度δ、补缩通道实际长度与液固共存区厚度之比的平方η2成反比,其中,δ、η是与工艺设计有关的量,G、ω和P′,是与工艺方法有关的量。补缩数学模型另一重要的应用是进行不同铸造工艺方法凝固过程中液态金属的补缩能力的比较。令ω=0,将其带入式(12)中可以得到表示高温合金真空熔铸凝固过程液态金属补缩能力的数学模型:uD=d2G32μΔΤψη{GΔΤη[4σd+Ρ′+γh]}(13)设n为高温合金真空电磁铸造和真空熔铸两种铸造方法凝固过程中液态金属的补缩能力之比,则n为:n=GΔΤη(4σd+Ρ′+γh)+ρω2rGΔΤη(4σd+Ρ′+γh)(14)虽然式(12)、(13)中估算的参数较多,但在利用式(14)进行不同铸造工艺方法液态金属的补缩能力比较时,可以略去一些难估算的参数,此时的结果还是比较可靠的。施加60A、50Hz的旋转型电磁搅拌时,高温合金K417真空熔铸的工艺参数见表1,将其代入式(14)可得n=78。由此计算结果可知:由于施加在凝固过程中的电磁搅拌增加了液态金属的补缩动力,因而高温合金真空电磁铸造凝固过程中,液态金属的补缩能力要比真空熔铸凝固过程中液态金属的补缩能力高出很多。液态金属补缩能力的提高可以使液态金属顺利通过固液两相区,对因凝固收缩而形成的缩孔缩松进行补缩,因此,和通过传统真空熔铸方法得到的母合金锭的中心缩孔缩松分布情况相比,通过真空电磁铸造得到的母合金锭的中心缩孔缩松的分布情况将会有很大的改善。4试验证实4.1试验装置及参数试验材料选用高温合金K417。其化学成分范围(质量分数,%)为:C:0.13～0.22,Cr:8.5～9.5,Co:14～16,Mo:2.5～3.5,Al:4.8～5.7,Ti:4.5～5.0,V:0.6～0.9,Fe≤1.0,Ni:余量。图2为试验装置示意图,该装置主要由VIM-10型真空中频感应炉、旋转型电磁搅拌器和奥氏体不锈钢锭模组成。旋转磁场的强度由输入的励磁电流大小控制。锭模的尺寸为:上端内径Φ88mm、下端内径Φ76mm、外径Φ100mm、高250mm。电磁场在金属铸型及铸坯中的透入深度δ可用下式表示:δ=√12μσω0(15)式中:μ为磁导率,σ为电导率,ω0=2πf,f为频率。经计算工频电磁场在非磁性的奥氏体不锈钢铸型和镍基高温合金铸坯中的透入深度大于60mm,因此本实验可以使用工频电磁场。4.2电磁搅拌和真空度将7Kg炉料熔化、在1550℃精炼10min、然后冷却到1450℃后浇注到锭模中,自浇注10s后施加50Hz、60A的电磁搅拌。同样熔铸条件下制得不加电磁搅拌时的高温合金母合金锭。熔炼过程中的真空度保持在6×10-2Pa。将铸锭沿纵截面切开,用15gCuSO4+3.5mLH2SO4+50mLHCl混合溶液腐蚀得到其宏观组织,以考察电磁搅拌对铸锭凝固组织的影响。4.3真空电磁铸造法图3为通过传统真空熔铸方法及真空电磁铸造方法,得到的高温合金母合金锭心部熔体的凝固收缩情况。通过传统真空熔铸方法得到的母合金锭(图3a)的中心缩孔缩松带长87mm,中心缩孔缩松比率为54%。用真空电磁铸造方法得到的母合金锭(图3b)的中心缩孔缩松带长54mm,中心缩孔缩松比率为33%。因此可见,和用传统真空熔铸方法得到的母合金锭的中心缩孔缩松分布情况相比,用真空电磁铸造得到的母合金锭的中心缩孔缩松的分布情况有了很大的改善。试验结果与数学模型的计算结果基本吻合,从而证明了数学模型的准确性和实用性。为了提高高温合金精铸件的纯洁度及机械性能,高温合金母合金锭在重熔前一般要将其中心缩孔和缩松去除掉,因此通过施加电磁搅拌将母合金锭中心缩松和缩孔比率从54%降低到33%,可以大幅提高高温合金母合金锭的利用率。此外,本文提出的高温合金真空电磁铸造技术中使用的是不需要变频设备的工频电磁场,因而只需在真空中频感应炉的浇注工位增加一台小功率的搅拌器即可,对设备的改动不大,不会大幅增加设备成本和操作工艺的复杂程度。因此,高温合金母合金锭的真空电磁铸造技术具有较高的推广价值。5试验结果的分析(1)高温合金真空电磁铸造补缩数学模型的表达式为:uD=d2G32μΔΤψη{GΔΤη[4σd+Ρ′+γh]+ρω2r}(2)当电磁搅拌的频率为50Hz、电流为60A时,用真空电磁铸造得到的高温合金K417母合金锭的中心缩孔缩松比率为33%;用真空铸造得到的高温合金K417母合金锭的中心缩