CN103817313B - 一种整体细晶向心叶轮铸件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及向心叶轮铸件领域，具体为一种合金整体细晶向心叶轮铸件的制备方法。在铸件凝固过程中施加旋转磁场，电磁场可穿透金属液，与金属液间产生相对运动，使得金属液内的磁通量发生变化，相当于磁场以一定的速度切割金属液，使其内部产生感应电流。这种感应电流又与感应器产生的磁场相互作用产生电磁力，作用于金属液的每个体积元上，从而驱动金属液的旋转运动。在铸件冷却凝固过程中，施加双向旋转电磁场，有效的均匀化合金微观组织，细化晶粒，使向心叶轮铸件整体晶粒度达到均匀、一致，同时可以减少合金铸件内的成分偏析和疏松等冶金缺陷，解决机械振动法和铸型旋转法中容易产生铸造裂纹等问题，可有效改善向心叶轮铸件整体晶粒度。
Description
技术领域
本发明涉及向心叶轮铸件领域，具体为一种合金整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，该方法可有效改善向心叶轮铸件整体晶粒度。
背景技术
向心叶轮铸件主要用于发动机或是其辅助动力装置中，通常在工作环境中承受较大的离心力和气动力，对铸件的性能和质量要求较高，一般具有尺寸大、结构复杂、壁厚不均匀等特点。通过晶粒细化技术，可有效改善叶轮铸件的中温持久强度和抗疲劳性能，但在整体细晶铸造时，极易出现晶粒分布不均匀、裂纹、缩孔等缺陷；向心叶轮叶尖是薄壁结构，极易变形，整体细晶铸造技术难度大。
细晶铸造技术是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中是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，较典型的细晶铸造晶粒度为美国标准ASTM0～2级。细晶铸造在晶粒细化同时，尤其细化合金中的初生碳化物和γ′强化相，并改善其形态及其分布，进而改善合金性能。因此，细晶铸造的突出优点是大幅提高铸件在中低温（≤760℃）条件下的低周疲劳性能，显著减小铸件力学性能数据的分散度，从而提高铸件的设计容限。同时，该技术还在一定程度上改善铸件的抗拉性能和持久性能，并使铸件具有良好的热处理性能。细晶铸造技术还可以改善合金铸件的机械加工性能，减小螺孔和刀形锐利边缘等处产生加工裂纹的潜在危险。因此，整体细晶铸造工艺技术已成为中温及以下使用的零部件制造技术关键。
工业发达国家，尤其是美国和德国，早在20世纪70年代末就开始了细晶铸造技术的研究和应用，20世纪80年代中后期趋于成熟，目前该技术已在航空、航天等领域广泛应用。如美国Howmet公司利用细晶铸造技术成功的制造了IN792MOD5A、Mar-M247、IN713C、IN718等合金整体涡轮，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。
国内对细晶铸造技术研究从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，对合金细晶铸造工艺进行了较系统的研究，但在航空发动机中应用尚不广泛，尤其对作为转动件的整体向心叶轮的细晶铸造工艺还未进行过研究。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种在磁场作用下的细晶铸造工艺来制备整体细晶向心叶轮铸件的方法，解决向心叶轮叶尖的薄壁结构易产生欠铸，整体细晶铸造技术难度大，在机械振动法和铸型旋转法中容易产生铸造裂纹等问题。
本发明的技术方案是：
一种整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）合金熔炼：按照合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应细晶铸造炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3～7分钟，然后降温至浇铸温度，炉内真空度为0.1～5Pa；
（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的合金进行浇铸，获得整体向心叶轮铸件，浇铸温度1380～1450℃；
（3）细化过程：整体细晶向心叶轮铸件晶粒度控制工艺为，将步骤（2）的向心叶轮置于双向旋转电磁场中，静置时间8秒～30秒后，施加150A～300A，3Hz～15Hz的双向旋转电磁场；待铸件完全凝固后，停止搅拌，获得整体细晶向心叶轮铸件。
所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，双向旋转电磁场中的正、反相磁场旋转时间20～40秒，换向时间2～8秒。
所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，制得的整体细晶向心叶轮铸件按使用要求不同，进行后续的热处理：
热处理制度：①1185℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；②1121℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；③843℃±10℃保温20～30小时，炉冷或空冷至室温。
步骤（2）浇铸过程中，采用Al2O3制备陶瓷型壳，浇铸近成型合金铸件。
步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在850℃以上预热3～5小时。
真空感应炉用的冶炼坩埚选用MgO坩埚，真空感应炉用的测温系统为W－Re电偶，测温保护套管为外层涂覆ZrO2或CeO和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管。
按重量百分含量计，向心叶轮铸件的化学成分为：C：0.05～0.1%；Cr：11.5～13.5%；Co：8～10%；Mo：1～3%；W：3～5%；Ta：3.3～5.2%；Al：3～4%；Ti：3.4～4.8%；B：0.01～0.02%；Zr：0.01～0.05%；Ni：余量。
本发明设计原理如下：
本发明在整体向心叶轮的制备中采用了一种在磁场作用下的细晶铸造工艺，在铸件冷却凝固过程中，施加双向旋转电磁场，有效的均匀化合金微观组织，细化晶粒，使向心叶轮铸件整体晶粒度达到均匀、一致，同时可以减少合金铸件内的成分偏析和疏松等冶金缺陷。
在铸件凝固过程中施加旋转磁场，电磁场可穿透金属液，与金属液间产生相对运动，使得金属液内的磁通量发生变化，相当于磁场以一定的速度切割金属液，使其内部产生感应电流。这种感应电流又与感应器产生的磁场相互作用产生电磁力，作用于金属液的每个体积元上，从而驱动金属液的旋转运动。合金铸件在凝固过程中，固液界面前沿这种熔体相对于固相产生的强力流动，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，金属液的强力流动还能加速液穴的传热和传质过程，使铸型中心到铸型壁的热梯度得到降低，固液界面前沿过冷度增加，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。
本发明优点在于：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。同时，旋转磁场仅驱动液态金属在固液界面产生相对流动，减小了合金中内应力的生成，解决了在机械振动法和铸型旋转法中容易产生铸造裂纹的问题。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、铸件整体晶粒度一致：向心叶轮叶片薄壁部位、轮毂部位以及轮轴中心粗大部位的晶粒度均匀、一致。
2、合金组织改善：合金中碳化物相及γ′析出相尺寸细小、分布均匀、形状规则。
3、合金性能提高：大幅提高铸件在中低温条件下的低周疲劳性能。
4、铸造性能好：铸件成形性好，不发生铸造裂纹。
附图说明
图1（a）-图1（b）是本发明的向心叶轮铸件晶粒度示意图；其中，图1（a）铸件叶盆部表面晶粒度；图1（b）铸件中心内部晶粒度。
图2（a）-图2（b）是本发明的向心叶轮铸件内部疏松示意图。其中，图2（a）热控法制备铸件中的缩孔；图2（b）本发明铸件中偶有显微疏松。
图3（a）-图3（b）是本发明的向心叶轮铸件表面缺陷示意图。其中，图3（a）铸型旋转法易产生微裂纹；图3（b）本发明铸件表面无缺陷。
图4（a）-图4（b）是采用本发明制备的铸件组织形态示意图；其中，图4（a）细小均匀的γ′强化相；图4（b）细小弥散的碳化物相。
具体实施方式
本发明合金整体细晶向心叶轮的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）合金熔炼：按照合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应细晶铸造炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3～7分钟，然后降温至浇铸温度，炉内真空度为0.1～5Pa；
（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的合金进行浇铸，获得整体向心叶轮铸件，浇铸温度1380～1450℃；
（3）细化过程：整体细晶向心叶轮铸件晶粒度控制工艺为，将步骤（2）的向心叶轮置于双向旋转电磁场中，静置时间8秒～30秒后，施加150A～300A，3Hz～15Hz的双向旋转电磁场。待铸件完全凝固后，停止搅拌，获得整体细晶向心叶轮铸件。其中，双向旋转电磁场中的正、反相磁场旋转时间20～40秒，换向时间2～8秒。
制得的整体细晶向心叶轮铸件按使用要求不同，需要进行后续的热处理：
热处理制度：①1185℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；②1121℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；③843℃±10℃保温20～30小时，炉冷或空冷至室温。本发明中，整体细晶向心叶轮铸件的合金性能范围如下：
（1）室温下，抗拉强度1100～1200MPa，屈服强度900～1000MPa，断裂延伸率大于5%，断面收缩率大于5%。
（2）760℃下，抗拉强度1050～1120MPa，屈服强度850～950MPa，断裂延伸率大于5%，断面收缩率大于5%。
步骤（2）浇铸过程中，采用Al2O3制备陶瓷型壳，浇铸近成型合金铸件。
步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在850℃～1100℃预热3～5小时。
真空感应炉用的冶炼坩埚选用MgO坩埚，真空感应炉用的测温系统为W－Re电偶，测温保护套管为外层依次涂覆ZrO2(或CeO)和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管。
按重量百分含量计，本发明向心叶轮铸件的化学成分为：C：0.05～0.1%；Cr：11.5～13.5%；Co：8～10%；Mo：1～3%；W：3～5%；Ta：3.3～5.2%；Al：3～4%；Ti：3.4～4.8%；B：0.01～0.02%；Zr：0.01～0.05%；Ni：余量。
下面结合附图及实施例进一步详述本发明。
实施例1
采用真空感应细晶铸造炉熔炼母合金，浇铸整体细晶向心叶轮。精炼温度为1550℃，精炼时间为3分钟，真空度是0.1Pa，浇注温度为1450℃。
浇铸后的整体细晶向心叶轮置于双向交替旋转的磁场中，静置20秒后，施加220A，5Hz的磁场，正、反相磁场旋转时间30秒，换向时间5秒，待铸件完全凝固后，停止搅拌。本实施例合金成分见表1。
表1整体细晶相心叶轮成分（wt%）
图1（a）-图1（b）是本实施例浇铸的整体细晶向心叶轮的晶粒度情况。可见，施加双向旋转电磁场后，铸件在凝固过程中金属液的强力流动可打碎铸型壁上初生的枝晶，同时加速液穴的传热和传质过程，使铸型中心到铸型壁的热梯度得到降低，固液界面前沿过冷度增加，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，使向心叶轮铸件内、外整体晶粒度达到均匀、一致，见图2（b）、图3（b）。
本实施例中，向心叶轮铸件的合金性能如表2：
表2叶轮铸件合金性能
表中，σb为抗拉强度，σ0.2为屈服强度，A为断裂延伸率，Z为断面收缩率，τ为持久寿命。
对比例1
整体细晶向心叶轮成分同实施例1，分别采用热控法和铸型旋转法制备整体细晶向心叶轮，过程如下：
（1）热控法：母合金精炼温度为1550℃，精炼时间为3分钟，真空度是0.1Pa，型壳温度保持在1350℃，浇注温度为1410℃。
（2）母合金锭的熔炼及浇铸过程同实施例1。浇铸后的向心叶轮铸件置于机械旋转盘上，静置20秒后进行正、反方向交替旋转。正、反旋转时间为30秒，换向时间5秒。
如图2（a）所示，对比例1中采用热控法浇铸的整体细晶向心叶轮，在叶轮粗大的轴心部位，极易出现疏松、缩孔缺陷，导致叶轮报废。
如图3（a）所示，对比例1中采用铸型旋转法制备的向心叶轮，由于整个铸型随着转盘一起旋转，因此在铸件内部产生较大内应力，往往导致在叶轮的应力集中部位产生铸造裂纹，使叶轮无法使用。
实施例1浇铸出的向心叶轮铸件，内部组织致密，铸造缺陷少，状况良好。从而，很好地解决了叶轮由于结构复杂、薄厚部位尺寸相差较大所导致的一般细化工艺无法解决的难题，使叶轮铸件的冶金质量得到提高。
实施例2
与实施例1不同之处在于，本实施例向心叶轮铸件用合金成分见表3。
表3向心叶轮铸件用合金成分（wt%）
向心叶轮采用双向电磁旋转细化后，进行热处理，过程如下：
（1）采用真空感应细晶铸造炉熔炼母合金，浇铸整体细晶向心叶轮。精炼温度为1520℃，精炼时间为3分钟，真空度是0.1Pa，浇注温度为1420℃。
（2）浇铸后的整体细晶向心叶轮置于双向交替旋转的磁场中，静置10秒后，施加300A，12Hz的磁场，正、反相磁场旋转时间20秒，换向时间2秒，待铸件完全凝固后，停止搅拌。
（3）制得合金铸件进行的热处理制度为：①1185℃保温2小时，空冷至室温；②1121℃保温2小时，空冷至室温；③843℃保温24小时，空冷至室温。
图4（a）-图4（b），由本实施例浇铸的向心叶轮铸件组织形态可见，在旋转磁场的作用下，铸件在晶粒细化同时，尤其细化合金中的碳化物和γ′强化相，改善其形态及其分布，使其更加细小、弥散，进而改善合金性能。
本实施例中，向心叶轮铸件的合金性能如表4：
表4叶轮铸件合金性能
表中，σb为抗拉强度，σ0.2为屈服强度，A为断裂延伸率，Z为断面收缩率，τ为持久寿命。
实施例3
与实施例1不同之处在于，采用真空感应细晶铸造炉熔炼母合金，浇铸整体细晶向心叶轮。精炼温度为1480℃，精炼时间为3分钟，真空度是1Pa，浇注温度为1430℃。
浇铸后的整体细晶向心叶轮置于双向交替旋转的磁场中，静置15秒后，施加180A，10Hz的磁场，正、反相磁场旋转时间35秒，换向时间6秒，待铸件完全凝固后，停止搅拌。本实施例合金成分见表5。
表5整体细晶相心叶轮成分（wt%）
对合金铸件进行的热处理制度为：①1185℃保温2小时，空冷至室温；②1121℃保温2小时，空冷至室温；③843℃保温24小时，空冷至室温。
本实施例中，施加双向旋转电磁场后，铸件在凝固过程中金属液的强力流动可打碎铸型壁上初生的枝晶，同时加速液穴的传热和传质过程，使铸型中心到铸型壁的热梯度得到降低，固液界面前沿过冷度增加，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，使向心叶轮铸件内、外整体晶粒度达到均匀、一致。
本实施例中，向心叶轮铸件的合金性能如表6：
表6叶轮铸件合金性能
表中，σb为抗拉强度，σ0.2为屈服强度，A为断裂延伸率，Z为断面收缩率，τ为持久寿命。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）合金熔炼：按照合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应细晶铸造炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3～7分钟，然后降温至浇铸温度，炉内真空度为0.1～5Pa；
（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的合金进行浇铸，获得整体向心叶轮铸件，浇铸温度1380～1450℃；
（3）细化过程：整体细晶向心叶轮铸件晶粒度控制工艺为，将步骤（2）的向心叶轮置于双向旋转电磁场中，静置时间8秒～30秒后，施加150A～300A，3Hz～15Hz的双向旋转电磁场；待铸件完全凝固后，停止搅拌，获得整体细晶向心叶轮铸件；
双向旋转电磁场中的正、反相磁场旋转时间20～40秒，换向时间2～8秒；
按重量百分含量计，向心叶轮铸件的化学成分为：C：0.05～0.1%；Cr：11.5～13.5%；Co：8～10%；Mo：1～3%；W：3～5%；Ta：3.3～5.2%；Al：3～4%；Ti：3.4～4.8%；B：0.01～0.02%；Zr：0.01～0.05%；Ni：余量。
2.按照权利要求1所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，其特征在于，制得的整体细晶向心叶轮铸件按使用要求不同，进行后续的热处理：
热处理制度：①1185℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；②1121℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；③843℃±10℃保温20～30小时，炉冷或空冷至室温。
3.按照权利要求1所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，其特征在于，步骤（2）浇铸过程中，采用Al2O3制备陶瓷型壳，浇铸近成型合金铸件。
4.按照权利要求1所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，其特征在于，步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在850℃以上预热3～5小时。
5.按照权利要求1所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，其特征在于，真空感应炉用的冶炼坩埚选用MgO坩埚，真空感应炉用的测温系统为W－Re电偶，测温保护套管为外层涂覆ZrO2和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管，或者测温保护套管为外层涂覆为CeO和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管。
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