CN101602102B - 外加小温度梯度消除铸件缩孔缩松的凝固过程控制方法 - Google Patents
外加小温度梯度消除铸件缩孔缩松的凝固过程控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种外加小温度梯度消除铸件缩孔缩松的凝固过程控制方法，其原理是通过在铸型外部强制加热，使铸型形成自上而下的正温度梯度，当铸型的温度和温度梯度达到预定值时，浇入金属液，从而使金属液内部形成一个自上而下的外加小温度梯度，铸件实现顺序凝固。本发明的铸造生产方法能显著消除大长径(高厚)比铸件中的宏观缩孔与缩松，提高铸件的致密度与合格率，极大提高生产效率。强制加热方法可以是各种形式的加热(电阻加热、感应加热，等等)炉，将铸型放入分段加热的加热炉中，通过自动控温系统控制炉膛各段的温度，使铸型达到预定的加热温度并具有自上而下的正温度梯度。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种无宏观缩孔缩松缺陷的大长径(高厚)比铸件的铸造生产方法。
背景技术
在铸造生产中，液态金属浇满铸型后，由于铸型的散热，液态金属温度下降，发生液态收缩，铸件外表下降到凝固温度时凝固一层硬壳，冻结内浇口，进一步凝固时硬壳内的金属液在液态收缩与凝固收缩时由于得不到上方金属液的补缩，往往在最后凝固的部分出现孔洞，容积大而集中的孔洞成为集中缩孔，或简称为缩孔；细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称为缩松。
在铸件中存在任何形态的缩孔，都会由于它们减小受力的有效面积，以及在缩孔处产生应力集中现象，使铸件的机械性能显著降低。由于缩孔的存在还降低铸件的气密性和物理化学性能，最终使部件的废品率增加。例如在航空发动机细晶叶片生产中，由于缩孔缩松的存在曾使废品率高达80％。在用于板材加工或锻造加工而生产的铸锭中，由于缩孔缩松的存在，使铸锭的致密度降低，可使用部分减少，从而造成极大浪费。
在某些合金的生产中(如钛合金)，热等静压被用来闭合铸造过程中产生的缩孔缩松，但这种方法会增加加工成本，而且某些尺寸比较大的缩孔缩松通过热等静压无法消除，在有些情况下，热等静压后铸件会发生变形，同时热等静压后铸件的某些性能会下降。
铸造生产中主要通过设计合适的浇冒系统，金属液在浇注沿程中通过散热而形成一个自生的温度梯度，同时通过加大浇道与冒口来保证补缩通道的通畅。但是由于某些合金的导热率大，比热容小等特点，或者由于铸件的长径(高厚)比较大，浇注过程中形成的自生温度梯度往往并不能完全消除缩孔缩松。同时，增大浇道与冒口也会使生产成本大大增加。
附图1a、1b为利用商品化软件ProCAST对直径60mm，高度分别为100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭铸造过程流动场与温度场数值模拟与缩孔缩松缺陷预测的结果。结果表明在不同高度的铸锭中，可用的致密无缩孔缩松部分长度均只有铸锭下部的60-80mm。从这个位置开始，铸锭的轴线上出现缩孔缩松，如图1a，这是因为凝固过程中，金属液有侧向和纵向两个散热方向，因此柱状晶向这两个生长方向生长。在凝固初期，纵向生长和侧向生长互不干扰，此时不会产生缩孔缩松。随着凝固的进行，由于侧向固液界面以平直的方式向前推进，如图1b，有些位置的柱状晶会接触闭合，此时金属液纵向的补缩通道被堵塞，其下方没有完全凝固的位置就会产生缩孔缩松。因此，如果不改变铸锭的散热条件，只增加铸锭的高度，并不能使铸锭致密部分的长度增加。
附图2a、2b为利用商品化软件ProCAST对浇注温度分别为1550℃、1600℃、1700℃，尺寸为Φ60mm×200mm的铸锭铸造过程流动场与温度场数值模拟与缩孔缩松缺陷预测的结果。结果表明随着浇注温度的提高，铸锭的凝固速度变慢，如图2b，侧向柱状晶封闭补缩通道所需要的时间增加，纵向柱状晶有更多的时间生长，从而使铸锭致密部分的长度有所增加。但是侧向固液界面仍然是以平直的方式向前推进。所以缩孔缩松改善的效果不显著，如图2a。
附图3为利用商品化软件ProCAST对冒口尺寸分别为80mm、100mm、120mm，尺寸为Φ60mm×200mm的铸锭铸造过程流动场与温度场数值模拟与缩孔缩松缺陷预测的结果。结果表明随着冒口尺寸的增大，冒口内金属液凝固的速度变慢，对铸锭上方补缩效果明显，从而使铸锭顶部的缩孔缩松减少。铸锭侧向固液界面的形态仍为平直状，下部致密部分的长度没有增加。
从前面的模拟结果可以看出，增加铸锭长度、提高浇注温度、加大冒口等方法并没有使TiAl合金铸锭中致密部分的长度增加，也就是说，浇注过程中铸锭自生的纵向小温度梯度不足以消除其缩孔缩松缺陷。因此，非常有必要寻找一种新的方法来有效实现铸锭凝固过程中的顺序凝固，减少铸锭轴心上的宏观缩孔缩松，从而提高铸锭的利用率。
发明内容
本发明为了解决现有的铸锭凝固过程中产生的缩孔缩松问题，使铸锭或铸件致密度更高，消除或减少宏观的缩孔缩松，有效提高铸锭的利用率与铸件的成品率，提供了一种消除细长铸件缩孔缩松的凝固过程控制方法。
本发明的原理是通过在铸型外部强制加热，使铸型形成自上而下的正温度梯度，当铸型的温度和温度梯度达到预定值时，浇入金属液，从而使金属液内部形成一个的自上而下的外加小温度梯度，铸件实现顺序凝固。并且铸型最高温度低于合金的固相线温度，以保持铸型对金属液的冷却能力，所以通常为等轴晶组织。
对形状相对细长的铸件而言，该方法可以保持畅通的补缩通道，显著减少铸锭与铸件中的缩孔缩松，提高铸件的工艺出品率和合格率。
强制加热方法可以通过各种形式的加热炉实现，如电阻加热炉、感应加热炉，等等。将铸型放入分段加热的电加热炉中，通过自动控温系统控制炉膛各段的温度，使铸型达到预定的加热温度并具有自上而下的正温度梯度。
具体的方法如下：
步骤一、设定自动控温系统的预定温度，将加热炉的各段温度自上而下设定为正温度梯度，即炉膛上部温度高于下部温度；
步骤二、将铸型放入加热炉，自动控温系统通电以预热铸型，使铸型形成自上而下的正温度梯度，即铸型上部的温度高于下部温度，并且使铸型最高温度低于合金的固相线温度；同时利用测温热电偶测定铸型的即时温度；
步骤三、当铸型的温度和温度梯度达到预定时，浇注金属液使之铸造成型。
本发明的铸造生产方法能显著消除铸件中的宏观缩孔与缩松，提高铸件的致密度与合格率，极大提高生产效率。
附图说明
图1a为不同高度铸锭的缩孔缩松分布示意图；
图1b为不同高度铸锭的固液界面形态示意图；
图2a为不同浇注温度铸锭的缩孔缩松分布；
图2b为不同浇注温度铸锭的固液界面形态；
图3a为三种尺寸冒口铸锭的缩孔缩松分布；
图3b为三种尺寸冒口铸锭的固液界面形态；
图4为分段式电加热炉结构示意图；
图5a为铸型温度梯度为0℃/cm铸锭的固液界面形态与缩孔缩松分布示意图；
图5b为铸型温度梯度为12.5℃/cm铸锭的固液界面形态与缩孔缩松分布示意图；
图5c为铸型温度梯度为25℃/cm铸锭的固液界面形态与缩孔缩松分布示意图；
图6a为铸型无温度梯度时TiAl合金十字板状铸件固液界面形态；
图6b为铸型有温度梯度时TiAl合金十字板状铸件固液界面形态；
图7a为铸型温度梯度为0℃/cm时Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭中的缩孔缩松；
图7b为铸型温度梯度为10℃/cm时Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭中缩孔缩松的改善；
图8a为温度梯度为0℃/cm时K417合金铸锭中的缩孔缩松；
图8b为温度梯度为10℃/cm时K417合金铸锭中的缩孔缩松的改善；
图9a为无温度梯度时TiAl合金十字板状铸件中的缩孔缩松；
图9b为有温度梯度时对TiAl合金十字板状铸件缩孔缩松的改善。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的控制方法进行详细说明。
本发明的控制方法通过如下步骤实现：
步骤一、设定自动控温系统的预定温度，将加热炉的各段温度自上而下设定为正温度梯度，即炉膛上部温度高于下部温度；加热炉温度梯度G的范围为G＞0℃/cm，并且铸型最高温度低于合金的固相线温度。
步骤二、将铸型放入加热炉，自动控温系统通电以预热铸型，使铸型形成自上而下的正温度梯度，即铸型上部的温度高于下部温度，并且使铸型最高温度低于合金的固相线温度以保证铸型对金属液的冷却作用；同时利用测温热电偶测定铸型的即时温度；
步骤三、当铸型的温度和温度梯度达到预定时，浇注金属液使之铸造成型。
金属液内外加小温度梯度G’的范围为0℃/cm ＜G’≤10℃/cm，凝固后的铸态组织为等轴晶。
所述的加热炉为一个分段电加热炉，如图4所示为分段电加热炉剖面示意图。炉膛2共有四段，自上而下顺序排列，金属炉体1与炉膛2之间用保温棉隔开。每段炉膛2分别由功率为8KW的电加热体3加热，在炉膛2的内部空腔内设置有K型控温热电偶4，用于连续测得炉膛2的内部温度。炉膛2内各段的温度利用自动控温系统5控制。所述的自动控温系统5通过智能温控表控制通/断电，其控制过程具体为：
首先手动设定希望达到的预定温度，自动控温系统5自动通电，电加热体3开始加热炉膛2。与此同时，控温热电偶4不断测得炉膛2的即时温度，反馈给自动控温系统5上的智能温控表，当炉膛2的实际温度接近设定的预定温度时，智能温控表断续通电，使炉膛2内的加热温度慢慢达到设定的预定温度，此后维持断续通电状态，使炉膛2内散热的速度与电加热体3加热速度处于平衡状态，以保证炉膛2内温度始终维持在预定温度。自动控温系统5的最高加热温度为1000℃，控温精度为±5℃。
在合金的凝固过程中，由于铸型6各处的温度不同，对金属液的冷却作用也不相同。铸型6底部的温度较低，金属液接触以后迅速冷却凝固，铸型6上部温度较高，该处的金属液冷却较慢，这样金属液在凝固过程中由于各处的冷速不同，形成一个纵向的温度梯度。从而使上部的金属液有充分时间对下方金属液由于凝固收缩出现的缩孔缩松进行补缩。从而实现了顺序凝固，有效地减少了缩孔缩松缺陷。
附图5a、5b、5c为外加小温度梯度法对铸锭凝固过程中固液界面形态与缩孔缩松缺陷的改善结果。结果表明，在铸型6无温度梯度的时候，如图5a，凝固过程中固液界面比较平直，补缩通道容易被堵塞，铸锭中的轴线缩孔缩松比较多。铸型6的温度梯度达到12.5℃/cm时，如图5b，凝固时固液界面呈锥形，补缩扩张角增大，有利于补缩，从而使缩孔缩松减少，铸型6的温度梯度达到25℃/cm时，如图5c，补缩扩张角进一步增大，铸锭的缩孔缩松进一步减少。
附图6a、6b为外加小温度梯度法对TiAl合金十字板状铸件凝固过程固液界面形态的改变。如图6a，当铸型6没有温度梯度时，根据数值模拟，可知其凝固过程的凝固顺序是由外向内逐层凝固，最后凝固的部位在靠近直浇道轴线位置。如图6b，当铸型6外加温度梯度后，凝固顺序是从下往上逐层顺序凝固，补缩扩张角增大，有利于凝固过程的补缩。
可见，应用本发明可以使铸锭在凝固过程中的补缩扩张角增大，金属液的补缩能力更强，有利于实现由下而上的顺序凝固，从而使消除凝固过程中产生的缩孔缩松。使铸锭的致密度增加，利用率加大，有效地降低了生产成本，避免了工业生产中的浪费。对于铸件而言，上述方法可以使铸件内部的宏观缩孔缩松减少，增加铸件致密度，使工业生产中的合格率上升，产品的性能提高，使用寿命延长。
实施例1
采用Ti-47Al-2Cr-2Nb成分的合金，在CaO坩埚中真空感应熔炼后分别浇注到温度梯度分别为0℃/cm的ZrO2铸型(实验1)和20℃/cm的ZrO2铸型(实验2)中。具体方法如下：
步骤一、设定自动控温系统的预定温度，实验1中，加热炉温度为室温，实验2中，将加热炉的各段温度自上而下设定为650℃、450℃、250℃、50℃。
步骤二、将铸型放入加热炉，自动控温系统通电以预热铸型，使铸型达到预定温度，实验1中，温度梯度为0℃/cm，实验2中，温度梯度为20℃/cm；同时利用测温热电偶测定铸型的即时温度；
步骤三、当铸型的温度和温度梯度达到预定时，浇注金属液使之铸造成型得到尺寸为Φ60mm×280mm的铸锭。
附图7a、7b为外加小温度梯度法对Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭缩孔缩松改善作用的验证结果。结果表明，实验1中，不采用外加小温度梯度得到的铸锭如图7a，其中心有细长的缩孔缩松，铸锭中致密的可用部分长度只有60mm，实验2中，采用外加小温度梯度法得到铸锭中心的宏观缩孔消失如图7b，可以用的致密部分长度达到了210mm。浇注金属液过程中实时检测金属液内的温度，金属液内形成一个外加小温度梯度G’，G’的范围为0℃/cm＜G’≤10℃/cm。
实施例2
采用K417合金，在MgO坩埚中真空感应熔炼后分别浇注到温度梯度为0℃/cm ZrO2铸型(实验1)与10℃/cm的ZrO2铸型(实验2)中。得到尺寸为Φ60mm×280mm的铸锭。具体方法如实施例1所述，所述的温度梯度为0℃/cm和10℃/cm；加热炉的各段温度自上而下设定为350℃、250℃、150℃、50℃。
附图8a、8b为外加小温度梯度法对K417合金铸锭缩孔缩松改善作用的验证结果。结果如图8a、8b，对尺寸为Φ60mm×280mm的K417合金铸锭，10℃/cm的铸型温度梯度可以使该铸锭的无缩孔长度由140mm提高到200mm。浇注金属液过程中实时检测金属液内的温度，金属液内形成一个外加小温度梯度G’，G’约等于10℃/cm，凝固后的铸态组织为等轴晶。
实施例3
采用Ti-47Al-2Cr-2Nb合金，在水冷铜坩埚磁悬浮真空感应熔炼后分别浇注到温度梯度为0℃/cm ZrO2铸型(实验1)与15℃/cm的ZrO2铸型(实验2)中。得到十字板状铸件，铸件高170mm，冒口高50mm，直浇道直径35mm，板厚分别为20mm、10mm、5mm与2.5mm。具体方法如实施例1所述，所述的温度梯度为0℃/cm和15℃/cm；加热炉的各段温度自上而下设定为400℃、290℃、180℃、70℃。
附图9a、9b为外加小温度梯度法对Ti-47Al-2Cr-2Nb合金十字板状铸件缩孔缩松改善的实验验证结果。由图9a可知，在铸型没有温度梯度的情况下，Ti-47Al-2Cr-2Nb十字板状铸件在最后凝固的位置产生缩孔缩松，板厚为5mm和2.5mm的片除了产生气孔外，也存在细小分散的宏观缩孔缩松。采用外加小温度梯度法得到的铸件各片及直浇道轴线的宏观缩孔缩松基本完全消除，如图9b，内部气孔也基本消除，总的内部缺陷明显少于铸型无外加温度梯度的情况。浇注金属液过程中实时检测金属液内的温度，金属液内形成一个外加小温度梯度G’，G’约等于8℃/cm，凝固后的铸态组织为等轴晶。
Claims (2)
1.外加小温度梯度消除铸件缩孔缩松的凝固过程控制方法，其特征在于：
通过加热铸型，使铸型形成自上而下的正温度梯度，当铸型的温度和温度梯度达到预定值时，浇入金属液，从而使金属液内部形成一个的自上而下的外加小温度梯度，铸件实现顺序凝固；所述金属液浇注过程中形成外加小温度梯度G’的范围为0℃/cm＜G’≤10℃/cm，凝固后的铸态组织为等轴晶；
具体实施方法如下：
步骤一、设定自动控温系统的预定温度，将加热炉的各段温度自上而下设定为正温度梯度，即炉膛上部温度高于下部温度；加热炉温度梯度G的范围为0℃/cm＜G≤20℃/cm，并且铸型最高温度低于合金的固相线温度；
步骤二、将铸型放入加热炉，自动控温系统通电以预热铸型，使铸型形成自上而下的正温度梯度，即铸型上部的温度高于下部温度；同时利用测温热电偶测定铸型的即时温度；
步骤三、当铸型的温度和温度梯度达到预定时，浇注金属液使之铸造成型。
2.根据权利要求1所述的外加小温度梯度消除铸件缩孔缩松的凝固过程控制方法，其特征在于：加热炉的加热方法为采用电阻加热炉或感应加热炉，将铸型放入分段加热的加热炉中，通过自动控温系统控制炉膛各段的温度，使铸型达到预定的加热温度并具有自上而下的正温度梯度。
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