CN104690256B - 控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，通过对铸件的一些散热很快、容易冷却的局部位置，粘贴单层或多层不同导热系数的绝热材料，在局部形成复合型壳，改变散热很快的局部区域的导热率，从而有效降低该区域的过冷度，使定向凝固过程中该处杂晶无法形核，最终达到消除杂晶缺陷的目的。本发明对设备的要求低，并且具有工艺简单的特点，对不同成分的镍基高温合金都具有普遍的适用性。

Description

控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法
技术领域
本发明涉及高温合金铸件的定向凝固技术，具体是一种控制高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法。
背景技术
高温合金具有良好的高温力学性能，主要应用在航空发动机以及工业燃气机中高温部件的制造。而涡轮叶片等是航空发动机和工业燃气轮机的最核心部件，随着对飞机发动机和工业燃气机更大动力的需求，要求其叶片等必须在更高温度、更大压力下工作，这就需要将高温合金通过定向凝固的方法制造成具有定向晶组织或单晶组织的涡轮叶片或其它铸件，并且对凝固组织的缺陷进行严格的控制，对杂晶缺陷必须控制到很低的水平，甚至完全消除。由于高温合金叶片等铸件形状复杂，或形状复杂并且尺寸大,常常导致铸件在截面尺寸变化的区域温度场发生突然的、大幅度的变化，使传热过程很不均匀，并由此引起凝固的界面形状不平以及温度梯度下降，使该区域容易出现杂晶这类凝固缺陷。
目前高温合金定向晶叶片或单晶叶片等铸件主要通过在具有足够高的高温强度的陶瓷型壳中通过Bridgman定向凝固的方式进行制造。这种制造工艺所需要的陶瓷型壳采用单一的型壳材料。在铸件截面尺寸变化大的区域，传统的、单一材料的型壳，由于其恒定的导热率，无法与截面几何形状的变化相匹配，导致铸件散热在不同部位不均匀。在复杂几何形状铸件的定向凝固过程中，当凝固界面推进到截面突增的区域后，大截面的外拐角部位等区域散热速度很快，形成大的过冷度，使凝固界面前沿会形成新的结晶核心,该结晶核心进一步长大并阻止原来柱状晶或单晶的继续生长，从而形成杂晶缺陷。
总之，杂晶缺陷的形成过程中，型壳与铸件的形状之间在有些局部不匹配导致导热的不均匀起到了非常重要的作用，这是问题的症结所在。目前的这种定向凝固技术容易形成杂晶缺陷。杂晶这类缺陷破坏了凝固组织的定向性和单晶组织的完整性,形成了新的晶界缺陷，从而会导致发动机或燃汽轮机叶片等铸件的使用寿命大幅降低，或者报废。目前包括杂晶在内的凝固缺陷是高温合金定向晶或单晶铸件不合格率高居不下的主要原因。如，国际上几大公司General Electric、Alstom、Siemens、Mitsubish生产的涡轮定向晶及单晶叶片的不合格率达20-30％，而国内的不合格率则高达60-70％。如果能找到一些新的方法，充分控制定向凝固过程的散热速度和其几何形状变化之间的协调性，使其凝固过程散热更加均匀，则可以减少杂晶，甚至消除杂晶，从而使定向凝固的叶片等铸件的不合格率显著减少。而且通过检索国内外的专利文献和论文数据库可知,目前国内外尚未见到通过调控局部型壳导热率的定向凝固方法来控制杂晶缺陷的报道。
发明内容
为克服现有技术中存在的由于型壳与铸件的形状之间在有些局部不匹配导致导热的不均匀导致铸件的杂晶缺陷的不足，本发明提出了一种控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法。
本发明具体过程是：
步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析。具体过程是：
第一步，生成铸件的网格。采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成扣箱的网格。在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型。检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率。
第四步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率。所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。
第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述扣箱的移动速率与抽拉系统的抽拉速率相同。
第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位。所述在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。
步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；
步骤3，蜡模的制作；将模料注入压型内腔并凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型。
步骤4，底层型壳的制作；采用常规方法制作底层型壳。
步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的底层型壳放入150℃的蒸气中，将蜡模全部熔化得到中空的底层型壳。将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求。
步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳。所述粘结复合型壳片层的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化。所述复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃。
步骤7，浇铸合金液。将镍基高温合金母料切割加工成3～5块合金块。采用常规方法将所述合金块放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10-3Pa并保持；对该坩埚加热至合金块完全熔化；将得到的合金液浇入型壳中，完成合金液的浇铸。
步骤8，抽拉。将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以20～120μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。
本发明的核心思想是通过对铸件的一些散热很快、容易冷却的局部位置，如大截面的角部等，粘贴单层或多层不同导热系数的绝热材料，在局部形成复合型壳，改变散热很快的局部区域的导热率，从而有效降低该区域的过冷度，使定向凝固过程中该处杂晶无法形核，最终达到消除杂晶缺陷的目的。这种在变截面区域角部等过冷容易形成的部位，通过形成局部复合型壳的技术非常重要，不仅可以避免杂晶等缺陷的形成，同时由于复合材料的导热系数可控，故还可以提高局部区域凝固界面前沿的温度梯度避免其它缺陷，如雀斑，小角度晶界等的形成。从文献检索可知,目前国内外尚未见到通过局部复合不同导热率的型壳来控制杂晶缺陷的报道。
对本发明得到的试样进行宏观腐蚀后，可以看到使用复合型壳的变截面铸件内部并未出现杂晶这类缺陷。说明通过上述工艺处理后，镍基高温合金凝固组织内部未出现杂晶缺陷，可以作为控制定向凝固过程中杂晶缺陷形成的方法。
本发明在确定界面前沿过冷度较大的部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，即凝固分数分布场，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。
本发明中的电熔刚玉为在2000～2400℃时将铝矾土在电炉内和碳反应，去除SiO2和Fe2O3等杂质，熔融后制得结晶αAl2O3。
本发明中的糊状模料为石蜡-硬脂酸模料，由于硬脂酸分子是极性分子，故对涂料的湿润性好，因而在石蜡中加入硬脂酸，能改善模料的涂挂性，石蜡和硬脂酸的配比为各50％。
所述步骤六中的复合型壳片层的材料为轻质莫来石耐火片层，其导热率小于0.1W/m·K，且厚度控制在3-6mm之间。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明提供的一种控制高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，避免了现有铸件定向凝固过程中局部区域凝固界面前沿过冷度难以控制这个顽固性问题。通过局部复合型壳的方法调控该处导热系数，从而有效的降低了引起该处杂晶缺陷的过冷度，并在一定程度上提高了凝固界面前沿的温度梯度，避免了局部区域形成杂晶等缺陷，保证了无(少)杂晶缺陷的定向晶或单晶铸件的制造。在模拟结果中，图5中的5a、5b和5c是抽拉速度分别为20μm/s，70μm/s和120μm/s时，使用传统型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比，从图中看出，随着抽拉速率的增大拐角处过冷区位置变大，此区域形成杂晶的可能性增大。图5中的5d、5e和5f是抽拉速度分别为20μm/s，70μm/s和120μm/s时，使用复合型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比，对比使用传统型壳的结果，拐角处过冷区域面积显著减小。在实验结果中，在抽拉速度为20μm/s时，图6a所示台阶状铸件的大截面拐角处有明显的大范围杂晶缺陷出现，而图6b中使用复合型壳条件下铸件未出现杂晶缺陷。在抽拉速度为70μm/s时，图7a所示台阶状铸件的大截面拐角处有明显的小范围杂晶缺陷出现，而图7b中使用复合型壳条件下铸件未出现杂晶缺陷。在抽拉速度为120μm/s时，图8a所示台阶状铸件的大截面有一半面积被杂晶缺陷占据，而图8b中使用复合型壳条件下仅仅在拐角处杂晶缺陷显著减少。
本发明的复合型壳部分质量较轻，对设备的要求低，并且具有工艺简单的特点。由于本发明仅基于传热学的基本原理对散热过程中较快的区域进行型壳的复合，所以对不同成分的镍基高温合金都具有普遍的适用性。
附图说明
图1a是台阶状铸件的结构示意图；图1b是本定向凝固方法使用的复合型壳的结构示意图。
图2a是台阶状铸件的网格；图2b是铸件外围型壳的网格；图2c是扣箱的面网格；图2d是扣箱与铸件在定向凝固开始时的相对位置。
图3是为镍基高温合金DZ445铸件与型壳的物性参数，其中图3a是镍基高温合金DZ445铸件导热率与温度的关系；图3b是镍基高温合金DZ445铸件密度与温度的关系；图3c是镍基高温合金DZ445铸件液相粘度与温度的关系；图3d型壳导热率与温度的关系。
图4是凝固全过程中，不同阶段凝固界面的演化规律。a是凝固进行至800s时凝固界面的变化；b是凝固进行至850s时凝固界面的变化；c是凝固进行至920s时凝固界面的变化；d是凝固进行至950s时凝固界面的变化；e是凝固进行至1020s时凝固界面的变化。
图5a是抽拉速度为20μm/s时，使用传统型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比；图5b是抽拉速度为70μm/s时，使用传统型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比；图5c是抽拉速度为120μm/s时，使用传统型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比；图5d是抽拉速度为20μm/s时，使用复合型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比；图5e是抽拉速度为70μm/s时，使用复合型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比；图5f是抽拉速度为120μm/s时，使用复合型壳的凝固界面的位置及其过冷区域对比。
图6a是在抽拉速度为20μm/s时未使用复合型壳条件下凝固组织，b是在抽拉速度为20μm/s时使用复合型壳条件下凝固组织。
图7a是在抽拉速度为70μm/s时未使用复合型壳条件下凝固组织，b是在抽拉速度为70μm/s时使用复合型壳条件下凝固组织。
图8a是在抽拉速度为120μm/s时未使用复合型壳条件下凝固组织，b是在抽拉速度为120μm/s时使用复合型壳条件下凝固组织。
图9是本发明的流程图。图中：
1.复合型壳；2.底层型壳；3.铸件；4.DZ445镍基高温合金液相温度等值面；5.DZ445镍基高温合金固相温度等值面；6.在抽拉速度为20μm/s时未使用复合型壳条件下大截面拐角处的过冷区；7.在抽拉速度为120μm/s时未使用复合型壳条件下大截面拐角处的过冷区过冷区；8.在抽拉速度为20μm/s时未使用复合型壳条件下杂晶缺陷；9.在抽拉速度为70μm/s时未使用复合型壳条件下杂晶缺陷杂晶缺陷；10.在抽拉速度为120μm/s时未使用复合型壳条件下杂晶缺陷杂晶缺陷杂晶缺陷；11.在抽拉速度为120μm/s时使用复合型壳条件下杂晶缺陷杂晶缺陷杂晶缺陷杂晶缺陷。
具体实施方式
本发明通过四个实施例具体说明本发明的实施过程。所述四个实施例的具体实施过程相同，区别在于各实施例中的技术参数不同。
实施例 1 2 3 4
合金牌号 DZ445 DZ445 DZ125 CMSX4
扣箱移动速率μm/s 20 70 120 120
蜡模的注入压力Mpa 0.3 0.6 0.2 0.5
蜡模的注入温度℃ 60 62 54 58
复合型壳厚度mm 5 3 6 4
合金块数 3 4 5 5
抽拉速率μm/s 20 70 120 120
模料的凝固时间min 1 3 4 5
各实施例的具体过程：
实施例一
本实施例是一种控制高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，所采用的定向凝固装置为定向凝固炉。本实施例的具体步骤如下：
步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对本实施例的台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析。具体过程是：
第一步，生成铸件的网格。采用常规方法进行铸件3的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步.
本实施例中，通过Pro-E建模软件建立铸件三维几何形状的三维模型；将该三维模型导入Precast软件中进行网格划分，将该三维模型划分为铸件的四面体网格，所述型壳的四面体网格的大小不超过0.1mm，如图2a所示。
通过precast软件，在铸件网格除浇注入口端面以外的表面生成型壳的四面体网格，所述型壳的四面体网格的厚度为4mm，且该网格的大小不超过0.1mm，如图2b所示。
通过Pro-E建模软件确定铸件和扣箱的相对位置，使铸件处于定向凝固炉内隔热板上表面，并使铸件的几何中心与定向凝固炉内隔热板的中心重合，如图2d所示。
第二步，生成扣箱的网格。在定向凝固过程，需要计算铸件和定向凝固炉内的辐射传热，故在铸件外部制作扣箱，并且该扣箱的几何形状与所使用的定向凝固炉内壁完全相同。在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型。检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步。
本实施例中，通过Pro-E建模软件建立该扣箱的空间几何模型；将得到的扣箱的空间几何模型导入Precast软件中进行网格划分，得到三角形的扣箱的面网格，如图2c所示。在划分扣箱网格过程中，Percast软件由于出现负体积和网格节点交叉的错误而不能继续完成网格的划分时，应尝试减小网格大小，直至成功无误的完成网格的划分。在减小网格大小时，每次减小的步长为0.02mm。本实施例的划分未出现错误，进行第三步。
第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率。
本实施例中，所述铸件为DZ445高温合金包括13.10％的Cr、10.06％的Co、4.56％的W、1.79％的Mo、4.08％的Al、2.40％的Ti、4.80％的Ta、0.014％的B和0.081％的C，余量为Ni。所述的百分比为质量百分比。所述DZ445高温合金的固相线温度为1272℃，液相线温度为1347℃，潜热为121.4kJ/kg，室温密度为8.443g·cm-3。
通过J Mat Pro软件得到该DZ445高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度，并将得到的DZ445高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度导入Procast软件中。
通过netzschlfa447高温热导仪测量所述型壳在不同温度下的导热率，并将得到的型壳在不同温度下的导热率导入Procast软件中。
第四步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率。所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。
在确定所述的边界条件包括型壳与铸件接触界面的传热系数时，由于铸件为镍基高温合金，型壳采用电熔刚玉制成，故型壳与铸件的传热类型为金属/非金属传热，通过《实用金属材料选用手册》得到该型壳与铸件接触界面的传热系数为200～220W/m2·℃。
本实施例中，在确定所述扣箱的发射率时，根据定向凝固炉内的实际温度将扣箱上不同区域的温度、表面辐射率输入Procast软件中。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。其中定向凝固炉内的温度通过热电偶测得，而定向凝固炉内不同区域的表面发射率通过JPS-5X远红外线发射率测试仪测得。
第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。所述的表面发射率为该波长的一个微小波长间隔内，真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比，所述的移动速率与抽拉系统的抽拉速率相同。
将得到的型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率、型壳与铸件的物性参数输入Procast软件中，作为N-S方程中的限制条件并与N-S方程联立求解，以得到铸件在定向凝固过程中不同抽拉时间的温度场的变化和凝固界面的变化。凝固界面指的是DZ445镍基高温合金液相温度等值面4和DZ445镍基高温合金固相温度等值面5中间的区域。通过对所述凝固界面在不同阶段的变化的分析，得到凝固界面前沿过冷度较大的位置。
图4中显示了凝固全过程中不同阶段具有典型特征的凝固界面的变化规律。当凝固进行至800s时，凝固界面停留至铸件的小截面处，凝固界面界面维持平整，如图4a所示。随着凝固时间延续至850s时，凝固界面向上凸起并向平台一侧延伸，如图4b所示。当凝固时间延续至920s时，在铸件拐角处两侧出现了明显的间断的凝固界面，所述的铸件拐角处两侧为在抽拉速度为20μm/s时未使用复合型壳条件下大截面拐角处的过冷区6，如图4c所示，通过所述铸件拐角处两侧出现的间断的凝固界面前沿的过冷度和临界形核过冷度的对比，说明该铸件拐角处两侧出现的间断的凝固界面前沿的过冷度超过临界形核过冷度，容易形核产生新的晶粒，即杂晶。当凝固界面完全推进至铸件的大截面之后，所述在铸件拐角处两侧出现了明显的间断的凝固界面的区域向中间汇聚时并最终形成了微凹的形貌并保持，如图4d～4e所示。综上所述，铸件大截面拐角处形成了明显的间断的凝固界面，而间断的凝固界面是由于该凝固界面处散热较快形成，故容易形成杂晶。
根据模拟结果，发现当凝固界面推进至铸件的小截面与大截面相交的区域时，在该大截面的拐角处形成过冷度较大的区域。
第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位。所述在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，即凝固分数分布场，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。
本实施例中的铸件为台阶状，该铸件小截面的具体尺寸为4×20×100mm，大截面具体尺寸为40×20×50mm。
步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；
步骤3，蜡模的制作；为了防止在制模过程中模料粘附压型内腔，在注蜡之前先在压型的型腔表面均匀喷涂一层厚度不超过1mm分型剂，所述分型剂是硅油。将糊状的模料装入注射器内，并将所述模料注入压型内腔。在将该模料注入压型内腔时，注入压力为0.2～0.6MPa，注入温度为54～62℃，本实施例中，注入压力为0.3MPa，注入温度为60℃。模料在充满压型后停留1～5分钟凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型。为防止其收缩，定型后的蜡模需在干燥处存放8小时以上。将得到的蜡模浸入碱性脱脂液中，通过碱性脱脂液与分型剂发生皂化反应以除去蜡模表面的分型剂。
所述模料为石蜡-硬脂酸模料，由于硬脂酸分子是极性分子，故对涂料的湿润性好，因而在石蜡中加入硬脂酸，能改善模料的涂挂性，石蜡和硬脂酸的配比为各50％。
步骤4，底层型壳的制作；所述制作底层型壳时，在蜡模表面浸涂硅溶胶；通过撒砂工艺在浸涂有硅溶胶的蜡模除浇注入口端面以外的表面铺覆电熔刚玉颗粒，在该浸涂有硅溶胶的蜡模的表面形成涂挂层，所述电熔刚玉的粒度为30um～60um。将表面铺覆有电熔刚玉颗粒的蜡模置于氨气氛围中干燥2h，得到表面有涂挂层的蜡模。将所述表面有涂挂层的蜡模重复所述浸涂硅溶胶－撒砂－干燥的过程四次，直至所述涂挂层达到4mm为止。将经过反复制作涂挂层的蜡模放置12小时，使其充分硬化，得到底层型壳2。
步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的脱蜡放入150℃的蒸气中，将蜡模全部融化得到中空的底层型壳2。将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求。
步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳1；本实施例中，所述复合型壳片层的厚度为5mm。所述复合型壳片层时的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化。所述复合型壳片层的材料为轻质莫来石耐火片层，该复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃。所述导热系数是指在稳定传热条件下，厚度为1m的复合型壳片层两侧表面的温差为1℃时，1s内通过该复合型壳片层表面1m2面积传递的热量。导热系数的单位为W/m·℃。
步骤7，浇铸合金液。将镍基DZ445的高温合金母料通过线切割加工成3～5块独立的体积为1.4×10-5m3的合金块，本实施例中，所述合金块为3块。将所述复合型壳固定在定向凝固炉内。将加工的合金块均放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10-3Pa并保持；对该坩埚加热至1700℃，得到完全融化的合金液。将合金液从坩埚中浇入型壳中，完成合金液的浇铸。
步骤8，抽拉。将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以20μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。
对本实施例得到的台阶状铸件进行宏观腐蚀之后观察，可以看到使用复合型壳的变截面铸件内部并未出现杂晶这类缺陷。图6中显示了在抽拉速度为20μm/s时，未使用和使用复合型壳条件下凝固组织对比，证明在抽拉速度为20μm/s时未使用复合型壳条件下出现杂晶缺陷8。其中图6a台阶状铸件的大截面拐角处有明显的大范围杂晶缺陷出现，而图6b中使用复合型壳条件下铸件未出现杂晶缺陷。
实施例二
本实施例是一种控制高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，所采用的定向凝固装置为定向凝固炉。本实施例的具体步骤如下：
步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对本实施例的台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析。具体过程是：
第一步，生成铸件的网格。采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
本实施例中，通过Pro-E建模软件建立铸件三维几何形状的三维模型；将该三维模型导入Precast软件中进行网格划分，将该三维模型划分为铸件的四面体网格，所述型壳的四面体网格的大小不超过0.1mm，如图2a所示。
通过precast软件，在铸件网格除浇注入口端面以外的表面生成型壳的四面体网格，所述型壳的四面体网格的厚度为4mm，且该网格的大小不超过0.1mm，如图2b所示。
通过Pro-E建模软件确定铸件和扣箱的相对位置，使铸件处于定向凝固炉内隔热板上表面，并使铸件的几何中心与定向凝固炉内隔热板的中心重合，如图2d所示。
第二步，生成扣箱的网格。在定向凝固过程，需要计算铸件和定向凝固炉内的辐射传热，故在铸件外部制作扣箱，并且该扣箱的几何形状与所使用的定向凝固炉内壁完全相同。在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型。检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步。
本实施例通过Pro-E建模软件建立该扣箱的空间几何模型；将得到的扣箱的空间几何模型导入Precast软件中进行网格划分，得到三角形的扣箱的面网格，如图2c所示。
在划分扣箱网格过程中，Percast软件由于出现负体积和网格节点交叉的错误而不能继续完成网格的划分时，应尝试减小网格大小，直至成功无误的完成网格的划分。在减小网格大小时，每次减小的步长为0.02mm。本实施例的划分未出现错误，进行第三步。
第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率。
本实施例中，所述铸件为DZ445高温合金包括13.10％的Cr、10.06％的Co、4.56％的W、1.79％的Mo、4.08％的Al、2.40％的Ti、4.80％的Ta、0.014％的B和0.081％的C，余量为Ni。所述的百分比为质量百分比。所述DZ445高温合金的固相线温度为1272℃，液相线温度为1347℃，潜热为121.4kJ/kg，室温密度为8.443g·cm-3。
通过J Mat Pro软件得到该DZ445高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度，并将得到的DZ445高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度导入Procast软件中。
通过netzschlfa447高温热导仪测量所述型壳在不同温度下的导热率，并将得到的型壳在不同温度下的导热率导入Procast软件中。
第四步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率。所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。
在确定所述的边界条件包括型壳与铸件接触界面的传热系数时，由于铸件为镍基高温合金，型壳采用电熔刚玉制成，故型壳与铸件的传热类型为金属/非金属传热，通过《实用金属材料选用手册》得到该型壳与铸件接触界面的传热系数为200～220W/m2·℃。
本实施例根据定向凝固炉内的实际温度将扣箱上不同区域的温度、表面辐射率输入Procast软件中。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。其中定向凝固炉内的温度通过热电偶测得，而定向凝固炉内不同区域的表面发射率通过JPS-5X远红外线发射率测试仪测得。
第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。所述的表面发射率为该波长的一个微小波长间隔内，真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比，所述的移动速率与抽拉系统的抽拉速率相同，本实施例中，扣箱移动速率为70μm/s。
将得到的型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率、型壳与铸件的物性参数输入Procast软件中，作为N-S方程中的限制条件并与N-S方程联立求解，以得到铸件在定向凝固过程中不同抽拉时间的温度场的变化和凝固界面的变化。通过对所述凝固界面在不同阶段的变化的分析，得到凝固界面前沿过冷度较大的位置。
根据模拟结果，发现当凝固界面推进至铸件的小截面与大截面相交的区域时，在该大截面的拐角处形成过冷度较大的区域。
第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位。所述在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，即凝固分数分布场，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。
本实施例中的铸件为台阶状，该铸件小截面的具体尺寸为4×20×100mm，大截面具体尺寸为40×20×50mm。
步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；
步骤3，蜡模的制作；为了防止在制模过程中模料粘附压型内腔，在注蜡之前先在压型的型腔表面均匀喷涂一层厚度不超过1mm分型剂，所述分型剂是硅油。将糊状的模料装入注射器内，并将所述模料注入压型内腔。在将该模料注入压型内腔时，注入压力为0.2～0.6MPa，注入温度为54～62℃，本实施例中，注入压力为0.6MPa，注入温度为62℃。模料在充满压型后停留1～5分钟凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型。为防止其收缩，定型后的蜡模需在干燥处存放8小时以上。将得到的蜡模浸入碱性脱脂液中，通过碱性脱脂液与分型剂发生皂化反应以除去蜡模表面的分型剂。
所述模料为石蜡-硬脂酸模料，由于硬脂酸分子是极性分子，故对涂料的湿润性好，因而在石蜡中加入硬脂酸，能改善模料的涂挂性，石蜡和硬脂酸的配比为各50％。
步骤4，底层型壳的制作；所述制作底层型壳时，在蜡模表面浸涂硅溶胶；通过撒砂工艺在浸涂有硅溶胶的蜡模除浇注入口端面以外的表面铺覆电熔刚玉颗粒，在该浸涂有硅溶胶的蜡模的表面形成涂挂层，所述电熔刚玉的粒度为30μm～60μm。将表面铺覆有电熔刚玉颗粒的蜡模置于氨气氛围中干燥2h，得到表面有涂挂层的蜡模。将所述表面有涂挂层的蜡模重复所述浸涂硅溶胶－撒砂－干燥的过程四次，直至所述涂挂层达到4mm为止。将经过反复制作涂挂层的蜡模放置12小时，使其充分硬化，得到底层型壳。
步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的脱蜡放入150℃的蒸气中，将蜡模全部融化得到中空的底层型壳。将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求。
步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳；本实施例中，复合型壳片层的厚度为3mm。所述复合型壳片层时的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化。所述复合型壳片层的材料为轻质莫来石耐火片层，该复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃。所述导热系数是指在稳定传热条件下，厚度为1m的复合型壳片层两侧表面的温差为1℃时，1s内通过该复合型壳片层表面1m2面积传递的热量。导热系数的单位为W/m·℃。
步骤7，浇铸合金液。将镍基DZ445的高温合金母料通过线切割加工成3～5块独立的体积为1.05×10-5m3的合金块，本实施例中的合金块为4块。将所述复合型壳固定在定向凝固炉内。将加工的合金块均放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10-3Pa并保持；对该坩埚加热至1700℃，得到完全融化的合金液。将合金液从坩埚中浇入型壳中，完成合金液的浇铸。
步骤8，抽拉。将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以70μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。
对本实施例得到的台阶状铸件进行宏观腐蚀之后观察，可以看到使用复合型壳的变截面铸件内部并未出现杂晶这类缺陷。图7中显示了在抽拉速度为70μm/s时，未使用和使用复合型壳条件下凝固组织对比，证明在抽拉速度为70μm/s时未使用复合型壳条件下出现杂晶缺陷9。其中图7a台阶状铸件的大截面拐角处有明显的小范围杂晶缺陷出现，而图7b中使用复合型壳条件下铸件未出现杂晶缺陷。
实施例三
本实施例是一种控制高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，所采用的定向凝固装置为定向凝固炉。本实施例的具体步骤如下：
步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对本实施例的台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析。具体过程是：
第一步，生成铸件的网格。采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步。
本实施例中，通过Pro-E建模软件建立铸件三维几何形状的三维模型；将该三维模型导入Precast软件中进行网格划分，将该三维模型划分为铸件的四面体网格，所述型壳的四面体网格的大小不超过0.1mm，如图2a所示。
通过precast软件，在铸件网格除浇注入口端面以外的表面生成型壳的四面体网格，所述型壳的四面体网格的厚度为4mm，且该网格的大小不超过0.1mm，如图2b所示。
通过Pro-E建模软件确定铸件和扣箱的相对位置，使铸件处于定向凝固炉内隔热板上表面，并使铸件的几何中心与定向凝固炉内隔热板的中心重合，如图2d所示。
第二步，生成扣箱的网格。在定向凝固过程，需要计算铸件和定向凝固炉内的辐射传热，故在铸件外部制作扣箱，并且该扣箱的几何形状与所使用的定向凝固炉内壁完全相同。在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型。检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步。
本实施例通过Pro-E建模软件建立该扣箱的空间几何模型；将得到的扣箱的空间几何模型导入Precast软件中进行网格划分，得到三角形的扣箱的面网格，如图2c所示。
在划分扣箱网格过程中，Percast软件由于出现负体积和网格节点交叉的错误而不能继续完成网格的划分时，应尝试减小网格大小，直至成功无误的完成网格的划分。在减小网格大小时，每次减小的步长为0.02mm。本实施例的划分未出现错误，进行第三步。
第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率。
本实施例中，所述铸件为DZ125高温合金包括8.9％的Cr、10％的Co、7％的W、2％的Mo、4.75％的Al、2.5％的Ti、3.80％的Ta、1.5％的Hf和0.0015％的B，余量为Ni。所述的百分比为质量百分比。所述DZ445高温合金的固相线温度为1268℃，液相线温度为1337℃，潜热为124.4kJ/kg，室温密度为8.743g·cm-3。
通过J Mat Pro软件得到该DZ125高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度，并将得到的DZ125高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度导入Procast软件中。
通过netzschlfa447高温热导仪测量所述型壳在不同温度下的导热率，并将得到的型壳在不同温度下的导热率导入Procast软件中。
第四步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率。所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。
在确定所述的边界条件包括型壳与铸件接触界面的传热系数时，由于铸件为镍基高温合金，型壳采用电熔刚玉制成，故型壳与铸件的传热类型为金属/非金属传热，通过《实用金属材料选用手册》得到该型壳与铸件接触界面的传热系数为200～220W/m2·℃。
本实施例中，根据定向凝固炉内的实际温度将扣箱上不同区域的温度、表面辐射率输入Procast软件中。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。其中定向凝固炉内的温度通过热电偶测得，而定向凝固炉内不同区域的表面发射率通过JPS-5X远红外线发射率测试仪测得。
第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。所述的表面发射率为该波长的一个微小波长间隔内，真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比，所述的移动速率与抽拉系统的抽拉速率相同。
将得到的型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率、型壳与铸件的物性参数输入Procast软件中，作为N-S方程中的限制条件并与N-S方程联立求解，以得到铸件在定向凝固过程中不同抽拉时间的温度场的变化和凝固界面的变化。通过对所述凝固界面在不同阶段的变化的分析，得到凝固界面前沿过冷度较大的位置。
根据模拟结果，发现当凝固界面推进至铸件的小截面与大截面相交的区域时，在抽拉速度为120μm/s时未使用复合型壳条件下大截面拐角处的过冷区7如图5c所示。
第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位。所述在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，即凝固分数分布场，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。
本实施例中的铸件为台阶状，该铸件小截面的具体尺寸为4×20×100mm，大截面具体尺寸为40×20×50mm。
步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；
步骤3，蜡模的制作；为了防止在制模过程中模料粘附压型内腔，在注蜡之前先在压型的型腔表面均匀喷涂一层厚度不超过1mm分型剂，所述分型剂是硅油。将糊状的模料装入注射器内，并将所述模料注入压型内腔。在将该模料注入压型内腔时，注入压力为0.2～0.6MPa，注入温度为54～62℃；本实施例中，注入压力为0.2MPa，注入温度为54℃。模料在充满压型后停留1～5分钟凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型。为防止其收缩，定型后的蜡模需在干燥处存放8小时以上。将得到的蜡模浸入碱性脱脂液中，通过碱性脱脂液与分型剂发生皂化反应以除去蜡模表面的分型剂。
所述模料为石蜡-硬脂酸模料，由于硬脂酸分子是极性分子，故对涂料的湿润性好，因而在石蜡中加入硬脂酸，能改善模料的涂挂性，石蜡和硬脂酸的配比为各50％。
步骤4，底层型壳的制作；所述制作底层型壳时，在蜡模表面浸涂硅溶胶；通过撒砂工艺在浸涂有硅溶胶的蜡模除浇注入口端面以外的表面铺覆电熔刚玉颗粒，在该浸涂有硅溶胶的蜡模的表面形成涂挂层，所述电熔刚玉的粒度为30μm～60μm。将表面铺覆有电熔刚玉颗粒的蜡模置于氨气氛围中干燥2h，得到表面有涂挂层的蜡模。将所述表面有涂挂层的蜡模重复所述浸涂硅溶胶－撒砂－干燥的过程四次，直至所述涂挂层达到4mm为止。将经过反复制作涂挂层的蜡模放置12小时，使其充分硬化，得到底层型壳。
步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的脱蜡放入150℃的蒸气中，将蜡模全部融化得到中空的底层型壳。将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求。
步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳；本实施例中复合型壳片层的厚度为6mm。所述复合型壳片层时的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化。所述复合型壳片层的材料为轻质莫来石耐火片层，该复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃。所述导热系数是指在稳定传热条件下，厚度为1m的复合型壳片层两侧表面的温差为1℃时，1s内通过该复合型壳片层表面1m2面积传递的热量。导热系数的单位为W/m·℃。本实施例中，所述复合型壳片层的厚度为6mm。
步骤7，浇铸合金液。将镍基DZ445的高温合金母料通过线切割加工成3～5块独立的体积为0.84×10-5m3的合金块，本实施例中的合金为5块。将所述复合型壳固定在定向凝固炉内。将加工的合金块均放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10- 3Pa并保持；对该坩埚加热至1700℃，得到完全融化的合金液。将合金液从坩埚中浇入型壳中，完成合金液的浇铸。
步骤8，抽拉。将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以120μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。
对本实施例得到的台阶状铸件进行宏观腐蚀之后观察，可以看到使用复合型壳的变截面铸件内部并未出现杂晶这类缺陷。图8是在抽拉速度为120μm/s时，未使用和使用复合型壳条件下凝固组织对比，证明在该抽拉速度下未使用复合型壳条件下的杂晶缺陷10大面积出现在台阶状铸件的大截面拐角处，在该抽拉速度下使用复合型壳条件下的杂晶缺陷11显著减少。
实施例四
本实施例是一种控制高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，所采用的定向凝固装置为定向凝固炉。本实施例的具体步骤如下：
步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对本实施例的台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析。具体过程是：
第一步，生成铸件的网格。采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
本实施例中，通过Pro-E建模软件建立铸件三维几何形状的三维模型；将该三维模型导入Precast软件中进行网格划分，将该三维模型划分为铸件的四面体网格，所述型壳的四面体网格的大小不超过0.1mm，如图2a所示。
通过precast软件，在铸件网格除浇注入口端面以外的表面生成型壳的四面体网格，所述型壳的四面体网格的厚度为4mm，且该网格的大小不超过0.1mm，如图2b所示。
通过Pro-E建模软件确定铸件和扣箱的相对位置，使铸件处于定向凝固炉内隔热板上表面，并使铸件的几何中心与定向凝固炉内隔热板的中心重合，如图2d所示。
第二步，生成扣箱的网格。在定向凝固过程，需要计算铸件和定向凝固炉内的辐射传热，故在铸件外部制作扣箱，并且该扣箱的几何形状与所使用的定向凝固炉内壁完全相同。在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型。检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步。
本实施例，通过Pro-E建模软件建立该扣箱的空间几何模型；将得到的扣箱的空间几何模型导入Precast软件中进行网格划分，得到三角形的扣箱的面网格，如图2c所示。
在划分扣箱网格过程中，Percast软件由于出现负体积和网格节点交叉的错误而不能继续完成网格的划分时，应尝试减小网格大小，直至成功无误的完成网格的划分。在减小网格大小时，每次减小的步长为0.02mm。本实施例的划分未出现错误，进行第三步。
第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率。
本实施例中，所述铸件为CMSX4高温合金包括6.5％的Cr、9％的Co、6％的W、0.6％的Mo、5.6％的Al、1％的Ti、6.5％的Ta、0.1％的Hf和3％的Re，余量为Ni。所述的百分比为质量百分比。所述CMSX4高温合金的固相线温度为1300℃，液相线温度为1355℃，潜热为124.4kJ/kg，室温密度为8.543g·cm-3。
通过J Mat Pro软件得到该CMSX4高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度，并将得到的CMSX4高温合金在不同温度下的导热率、粘度和密度导入Procast软件中。
通过netzschlfa447高温热导仪测量所述型壳在不同温度下的导热率，并将得到的型壳在不同温度下的导热率导入Procast软件中。
第四步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率。所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。
在确定所述的边界条件包括型壳与铸件接触界面的传热系数时，由于铸件为镍基高温合金，型壳采用电熔刚玉制成，故型壳与铸件的传热类型为金属/非金属传热，通过《实用金属材料选用手册》得到该型壳与铸件接触界面的传热系数为200～220W/m2·℃。
本实施例根据定向凝固炉内的实际温度将扣箱上不同区域的温度、表面辐射率输入Procast软件中。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。其中定向凝固炉内的温度通过热电偶测得，而定向凝固炉内不同区域的表面发射率通过JPS-5X远红外线发射率测试仪测得。
第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件。所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。所述各不同区域中的温度和表面发射率分别为：与定向凝固炉的加热区对应的部位的温度为1500℃，表面发射率为0.95；与定向凝固炉的隔热板区对应的部位的温度为1300℃，表面发射率为0.7；与定向凝固炉的冷却板区对应的部位的温度为30℃，表面发射率为0.2。所述的表面发射率为该波长的一个微小波长间隔内，真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比，所述的移动速率与抽拉系统的抽拉速率相同，本实施例中扣箱移动速率为120μm/s。
将得到的型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率、型壳与铸件的物性参数输入Procast软件中，作为N-S方程中的限制条件并与N-S方程联立求解，以得到铸件在定向凝固过程中不同抽拉时间的温度场的变化和凝固界面的变化。通过对所述凝固界面在不同阶段的变化的分析，得到凝固界面前沿过冷度较大的位置。
根据模拟结果，发现当凝固界面推进至铸件的小截面与大截面相交的区域时，在该大截面的拐角处形成过冷度较大的区域。
第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位。所述在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，即凝固分数分布场，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位。
本实施例中的铸件为台阶状，该铸件小截面的具体尺寸为4×20×100mm，大截面具体尺寸为40×20×50mm。
步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；
步骤3，蜡模的制作；为了防止在制模过程中模料粘附压型内腔，在注蜡之前先在压型的型腔表面均匀喷涂一层厚度不超过1mm分型剂，所述分型剂是硅油。将糊状的模料装入注射器内，并将所述模料注入压型内腔。在将该模料注入压型内腔时，注入压力为0.2～0.6MPa，注入温度为54～62℃；本实施例中，注入压力为0.5MPa，注入温度为58℃。模料在充满压型后停留1～5分钟凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型。为防止其收缩，定型后的蜡模需在干燥处存放8小时以上。将得到的蜡模浸入碱性脱脂液中，通过碱性脱脂液与分型剂发生皂化反应以除去蜡模表面的分型剂。
所述模料为石蜡-硬脂酸模料，由于硬脂酸分子是极性分子，故对涂料的湿润性好，因而在石蜡中加入硬脂酸，能改善模料的涂挂性，石蜡和硬脂酸的配比为各50％。
步骤4，底层型壳的制作；所述制作底层型壳时，在蜡模表面浸涂硅溶胶；通过撒砂工艺在浸涂有硅溶胶的蜡模除浇注入口端面以外的表面铺覆电熔刚玉颗粒，在该浸涂有硅溶胶的蜡模的表面形成涂挂层，所述电熔刚玉的粒度为30μm～60μm。将表面铺覆有电熔刚玉颗粒的蜡模置于氨气氛围中干燥2h，得到表面有涂挂层的蜡模。将所述表面有涂挂层的蜡模重复所述浸涂硅溶胶－撒砂－干燥的过程四次，直至所述涂挂层达到4mm为止。将经过反复制作涂挂层的蜡模放置12小时，使其充分硬化，得到底层型壳。
步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的脱蜡放入150℃的蒸气中，将蜡模全部融化得到中空的底层型壳。将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求。
步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳。所述复合型壳片层时的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化。所述复合型壳片层的材料为轻质莫来石耐火片层，该复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃。所述导热系数是指在稳定传热条件下，厚度为1m的复合型壳片层两侧表面的温差为1℃时，1s内通过该复合型壳片层表面1m2面积传递的热量。导热系数的单位为W/m·℃。本实施例中，所述复合型壳片层的厚度为4mm。
步骤7，浇铸合金液。将镍基DZ445的高温合金母料通过线切割加工成3～5块独立的体积为0.84×10-5m3的合金块，本实施例中的合金块为5块。将所述复合型壳固定在定向凝固炉内。将加工的合金块均放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10-3Pa并保持；对该坩埚加热至1700℃，得到完全融化的合金液。将合金液从坩埚中浇入型壳中，完成合金液的浇铸。
步骤8，抽拉。将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以120μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。

Claims (3)

1.一种控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，确定界面前沿过冷度较大的部位；通过Procast铸造软件对台阶状铸件的定向凝固全过程进行数值模拟计算分析；具体过程是：
第一步，生成铸件的网格；采用常规方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型；检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成扣箱的网格；在制作扣箱时，采用常规方法进行扣箱的网格划分，得到该扣箱的网格模型；检查所述扣箱的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积和网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行扣箱的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，向Procast软件中输入铸件和型壳的物性参数，所述的物性参数是通过常规方法得到的该铸件在不同温度下的导热率、粘度、密度，以及型壳在不同温度下的导热率；
第四步，确定定向凝固过程中的边界条件；所述的边界条件包括型壳与铸件的传热系数和扣箱的发射率；所述的传热系数的值，是指在稳定传热条件下，该铸件与型壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃；
第五步，设定扣箱的移动速率和定向凝固过程的初始条件；
第六步，确定界面前沿过冷度较大的部位；在确定界面前沿过冷度较大部位时，通过求解N-S方程得到定向凝固过程中固液界面形貌的变化，并根据所述定向凝固过程中固液界面形貌的变化确定界面前沿过冷度较大的部位；
步骤2，压型的制作；根据设计的台阶状铸件的几何尺寸制造压型；
步骤3，蜡模的制作；将模料注入压型内腔并凝固成为蜡模，将该蜡模取出并放入10℃以下的冷水中定型；
步骤4，底层型壳的制作；采用常规方法制作底层型壳；
步骤5，底层型壳的脱蜡与烧结；将得到的底层型壳放入150℃的蒸气中，将蜡模全部熔化得到中空的底层型壳；将脱蜡后的底层型壳在900℃条件下焙烧2h，保证型壳的强度达到设计要求；
步骤6，复合型壳的黏合；根据步骤1中确定的界面前沿过冷度较大的部位，将该界面前沿过冷度较大的部位与厚度为3～6mm复合型壳片层粘结，形成复合型壳；粘结复合型壳片层的粘结剂为硅溶胶，将该复合型壳放置12小时使其硬化；所述复合型壳片层的导热系数小于0.1W/m·℃；
步骤7，浇铸合金液；将镍基高温合金母料切割加工成3～5块合金块；采用常规方法将所述合金块放入定向凝固炉的坩埚中，并将定向凝固炉内抽真空至6×10-3Pa并保持；对该坩埚加热至合金块完全熔化；将得到的合金液浇入型壳中，完成合金液的浇铸；
步骤8，抽拉；将浇入型壳中合金液保温静置30min后，以20～120μm/s的抽拉速率进行定向凝固，得到台阶状铸件，并实现杂晶缺陷的消除或显著减少。
2.如权利要求1所述控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，其特征在于，所述扣箱上不同区域为该扣箱分别与定向凝固炉的加热区、隔热板区和冷却区对应的部位。
3.如权利要求1所述控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法，其特征在于，所述扣箱的移动速率与抽拉系统的抽拉速率相同。
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