CN109396400B - 一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法和装置，该装置由模温控制、模锭抽拉、磁脉冲扰动和监测与控制等4个系统组成，该方法是通过多区加热精确模温控制系统设计，在模壳熔体中产生自上而下的温度梯度，再匹配合适的抽拉速度将铸件底部处于液相线温度附近的熔体抽拉出保温区，以实现熔体自下而上顺序凝固，消除疏松等凝固缺陷，提高铸件致密度，在此基础上利用电磁场在凝固前沿的瞬时、高能电磁作用，在固/液界面前沿产生强烈的电磁扰动，起到阻碍晶体生长和强烈的细化晶粒作用，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，从而达到大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的协同控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法和装置，属于金属材料制备技术领域。
背景技术
一代技术，一代装备。大型复杂薄壁结构件制备装备伴随着大型复杂薄壁结构件制备技术的发展而进步。最初，国内外在真空感应熔炼炉上采用传统重力铸造工艺制备大型复杂薄壁结构件，但由于大型复杂薄壁结构件形状复杂，不同部位壁厚相差悬殊，传统重力铸造工艺无法解决欠铸、缩松、热裂、变形等问题。为了解决传统重力铸造工艺带来的问题，美国PCC公司于20世纪90年代研发出热控凝固工艺(TCS)和装备，显著提高铸件成形性和致密度，并在机匣等铸件中应用。国内北京航空材料研究院近年也采用热控凝固装备对热控法开展研究。热控法的优点是通过顺序凝固保证铸件成形性，但由于该工艺具有类似定向凝固的特点，加上凝固时间延长，铸件内易形成粗大柱晶，损伤铸件性能。因此，如何细化热控工艺引起的粗大晶粒成为解决大型复杂薄壁结构件制备的关键问题。
为了实现铸件的晶粒细化，发达国家先后运用机械和电磁等扰动技术，发展多种先进工艺和装备，如：美国Howmet公司研发Grainnet(GX)和Microcast-X(MX)工艺和装备。GX法是在较高的过热温度下，在凝固过程中通过机械扰动将枝晶骨架打碎成为结晶核心，从而细化晶粒。MX法则利用电磁扰动以获得细晶组织。目前Howmet公司利用MX工艺和装备研制出大型薄壁细晶结构整体铸件(细晶扩散机匣，直径达1300mm)已应用于火箭发动机中。
对于高温合金的铸造组织细化，国内还停留在对重力铸造铸锭和铸件的研究阶段，采用形核剂和电磁作用两类细化方法。西北工业大学研究发现添加细化剂可显著细化高温合金晶粒，但细化剂的细化效果随着浇注温度升高而减弱。对于大型薄壁铸件，为了保证充型完整需要较高的浇注温度，单纯采用细化剂难以达到所需的细化效果。近年来，利用电磁场扰动细化高温合金铸件凝固组织引起人们的重视。上海大学、大连理工、钢铁研究总院等单位也正在开展电磁场细化金属凝固组织的研究，但是多针对铸锭和小型铸件。申请人及其研究团队曾经研发脉冲磁场真空细晶铸造装置，采用此装置研究脉冲磁场和热参数耦合作用对于镍基高温合金凝固组织的影响，发现低的过热度条件下，由于脉冲磁场引起的界面前沿扰动能够显著阻碍晶体长大，起到细化作用，不同厚度高温合金环状试样和圆棒试样的凝固组织均得到显著细化，晶粒尺寸细化至100μm，但此时疏松缺陷严重。而在高过热度时，铸件充型性良好，疏松等凝固缺陷少，但细化效果减弱或消失，限制该技术在此类大型复杂铸件细晶铸造的应用。
发明内容
为了解决大型复杂薄壁铸件成型困难、晶粒粗大和冶金质量低等问题，本发明的目的是提供一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法及装置，采用多区加热精确模温控制系统设计，控制熔体温度梯度，以一定的抽拉速度将模壳缓慢抽离热区，使熔体在电磁场下顺序凝固，利用在固/液界面前沿产生的强烈电磁扰动，阻碍晶体生长和强细化晶粒，细化铸件凝固组织，从而达到大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的协同控制。
为了达到上述目的，本发明的设计思路是：当高温溶液浇注到置于具有温度梯度的模具中后，在熔体内产生自上而下的温度梯度，随模具向下的缓慢抽拉，熔体形成自下而上的顺序凝固，提高铸件的致密度和成形性，而作用在铸件固液界面处的磁脉冲扰动，提高形核数目，达到细化晶粒的目的。
本发明的技术方案如下：
一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，采用多区加热模温控制系统的设计，控制熔体温度梯度，通过模锭抽拉系统将模壳抽离多区加热模温控制系统的热区，使熔体在电磁场下顺序凝固，采用磁脉冲扰动系统，利用在固/液界面前沿产生的强烈磁脉冲扰动，阻碍晶体生长和强细化晶粒，细化铸件凝固组织，从而达到大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的协同控制。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，采用磁脉冲扰动系统，在励磁线圈中产生脉冲磁场，其磁场强度控制在0.1T～0.5T，频率控制在1～10Hz范围内，作用时间为10～40分钟。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，采用多区加热模温控制系统的设计，最高加热温度1500℃，熔体温度梯度0.1～2℃/mm。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，模锭抽拉系统的抽拉速度1～1000mm/min范围内任意可调，实现模壳低速抽离热区以及之后的高速下拉至冷却室。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，具体按以下步骤进行：
(a)将过热度20～100℃的熔体浇注到置于多区加热模温控制系统内的模壳内，熔体温度梯度控制在0.1～2℃/mm范围内；
(b)开启模锭抽拉系统，将模壳以5～40mm/min抽拉速度抽离热区；
(c)开启磁脉冲扰动系统，使熔体在电磁场下作用下顺序凝固，控制脉冲磁场的强度与频率，磁场强度控制在0.1T～0.5T，频率控制在1～10Hz范围内，作用时间为10～40分钟；
(d)利用顺序凝固，消除疏松凝固缺陷，提高铸件致密度，同时利用固/液界面前沿产生强烈的磁脉冲扰动，细化铸件凝固组织，从而实现大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的一体化成型；
(e)当铸锭完全凝固后，关闭磁脉冲扰动系统，取出铸锭。
所述方法使用的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置，该装置用于大型复杂薄壁细晶铸件铸造工艺中，包括模温控制系统、模锭抽拉系统、磁脉冲扰动系统和监测与控制系统，脉冲磁场发生电源和磁脉冲扰动细化器连接形成磁脉冲扰动系统，模温控制系统、模锭抽拉系统分别和监测与控制系统连接，盛放熔体的坩埚、模温控制系统、模壳、磁脉冲扰动细化器、模锭抽拉系统设置于真空室中，坩埚位于模壳上方，模锭抽拉系统连接于模壳底部，模温控制系统位于模壳的侧上部，磁脉冲扰动细化器位于模壳的侧面下部。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置，模温控制系统通过多区加热的方式实现宽温度梯度区间控制；模锭抽拉系统把模壳送至模温控制系统内预热以及浇注完成后将模壳抽离热区，实现铸件自底而上顺序凝固；磁脉冲扰动系统调节脉冲磁场强度和频率；监测与控制系统实现熔体温度、温度梯度、磁场参数、热控参数的测量与控制。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置，模温控制系统包括电阻加热电源、电阻加热器、PID智能控制调温仪器，电阻加热器位于模壳的外围，电阻加热电源的输出端与电阻加热器连接，电阻加热电源的输入端与PID智能控制调温仪器连接；采用三区加热的方式以及PID智能控制调温仪器，通过PID智能控制调温仪器实现分段控制加热，上、中、下三个温度梯度区间的温度递减，实现宽温度梯度区间连续精确控制。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置，磁脉冲扰动细化器外层为励磁线圈，励磁线圈连接脉冲磁场发生装置，磁脉冲扰动细化器内层为水冷装置，加强模壳内铸件底部的冷却，一方面作为热控凝固装置中水冷环，另一方面隔绝模壳高温对励磁线圈的影响。
所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置，监测与控制系统通过集成化设计，实现多参数的集中显示与快捷控制。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明提供的一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法及装置，充分利用基于控制熔体的温度梯度实现铸件顺序凝固原理的热控凝固工艺，提高铸件成形性和致密度，在此基础上利用电磁扰动细化复杂薄壁精铸件凝固组织，从而达到大型复杂薄壁结构件致密度和晶粒度的协同控制，解决大型复杂薄壁铸件成型困难、晶粒粗大和冶金质量低等问题。
2、本发明提供的一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法及装置，磁场强度控制范围为0.1T～0.5T，脉冲磁场频率控制范围为大于0至10Hz。与现有技术相比，存在效果显著、可制备大尺寸铸件等特点，在工业上实施比较容易。
3、本发明提供的一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法及装置，对铸件的形状和尺寸无特殊要求，可制备不同形状和尺寸的铸件，拓宽此技术的使用范围。
附图说明
图1是本发明大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置示意图。其中，1、脉冲磁场发生电源；2、监测与控制系统；3、模锭抽拉系统；4、磁脉冲扰动细化器；5、多区加热模温控制系统；6、真空室；7、模壳；8、熔体；9、坩埚。
图2是本发明大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型原理示意图。其中，10、热传导方向；11、磁脉冲扰动；12、固/液界面前沿。
图3为本发明和普通铸造K4169高温合金大型复杂薄壁铸件厚大部位凝固组织。其中，(a)本发明工艺组织，(b)普通铸造工艺组织。
图4为本发明K4169高温合金大型复杂薄壁铸件内疏松形貌。
具体实施方式
如图1-图2所示，为了实现大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型，本发明还提供一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置，用于大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型中，包括模温控制系统5、模锭抽拉系统3、磁脉冲扰动系统(脉冲磁场发生电源1和磁脉冲扰动细化器4)和监测与控制系统2等，脉冲磁场发生电源1和磁脉冲扰动细化器4连接形成磁脉冲扰动系统，模温控制系统5、模锭抽拉系统3分别和监测与控制系统2连接，盛放熔体8的坩埚9、模温控制系统5、模壳7、磁脉冲扰动细化器4、模锭抽拉系统3设置于真空室6中，坩埚9位于模壳7上方，模锭抽拉系统3连接于模壳7底部，模温控制系统5位于模壳7的侧上部，磁脉冲扰动细化器4位于模壳7的侧面下部。其中，磁脉冲扰动系统1可以调节脉冲磁场强度和频率，监测与控制系统2实现熔体温度、温度梯度、磁场参数、热控参数、抽拉速度、模壳温度的测量与控制。
本发明中，磁脉冲扰动细化器的结构组成和作用如下：外层为励磁线圈，励磁线圈连接脉冲磁场发生装置后产生磁场强度0.1T～0.5T、频率0Hz～50Hz的脉冲磁场，内层为水冷装置，加强模壳内铸件底部的冷却，一方面起到热控凝固装置中水冷环的作用，另一方面隔绝模壳高温对励磁线圈的影响。
本发明中，多区加热模温控制系统5的结构组成和作用如下：包括电阻加热电源、电阻加热器、控制系统(如：PID智能控制调温仪器)，电阻加热器位于模壳7的外围，电阻加热电源的输出端与电阻加热器连接，电阻加热电源的输入端与控制系统连接。首先考虑温度场的稳定性，电阻加热器可以采用石墨加热器；其次为实现温度梯度的精确可控，采用三区加热的方式以及PID智能控制调温仪器，通过PID智能控制调温仪器实现分段控制加热，上、中、下三个温度梯度区间的温度递减，实现宽温度梯度区间连续精确控制。
本领域中，“大型复杂薄壁结构件”的定义如下：尺寸大于φ300mm，壁厚差大于10∶1。
如图1-图2所示，本发明大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，具体按以下步骤进行：
(a)将过热度20～100℃的熔体8浇注到置于多区加热模温控制系统6的模壳7内，熔体8温度梯度控制在0.1～2℃/mm范围内；
(b)开启模锭抽拉系统3，将模壳7以5～40mm/min抽拉速度缓慢抽离热区；
(c)开启磁脉冲扰动系统，使熔体在电磁场下作用下顺序凝固，控制脉冲磁场的强度与频率，磁场强度控制在0.1T～0.5T，频率控制在1～10Hz范围内，作用时间为10～40分钟；
(d)利用顺序凝固，消除疏松等凝固缺陷，提高铸件致密度，同时沿热传导方向10利用固/液界面前沿12产生强烈的磁脉冲扰动11，细化铸件凝固组织，从而实现大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的一体化成型；
(e)当铸锭完全凝固后，关闭磁脉冲扰动系统，取出铸锭。
以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例中，将K4169镍基高温合金在真空感应熔炼炉中熔化至1500℃并精炼5分钟，然后降温至1420℃(过热度60℃)，浇注到置于模温控制系统内的模壳(上部温度1360℃、下部温度1260℃)中，开启模锭抽拉系统，将模壳以10mm/min抽拉速度缓慢抽离热区；开启磁脉冲扰动系统，使熔体在电磁场下作用下顺序凝固，控制脉冲磁场的强度与频率，磁场强度0.2T，频率5Hz范围内，作用时间为30分钟。铸件充型完整，晶粒尺寸小于3mm，疏松缺陷的面积百分比控制在0.03％以下。
实施例2
本实施例中，将K4169高温合金在感应熔炼炉中熔化至1500℃并精炼5分钟，然后降温至1450℃(过热度90℃)，浇注到置于模温控制系统内的模壳(1380℃、下部温度1260℃)中，开启模锭抽拉系统，将模壳以12mm/min抽拉速度缓慢抽离热区；开启磁脉冲扰动系统，使熔体在电磁场下作用下顺序凝固，控制脉冲磁场的强度与频率，磁场强度0.4T，频率5Hz范围内，作用时间为40分钟。
如图3所示，本发明和普通铸造K4169高温合金大型复杂薄壁铸件凝固后合金显微组织的对比。铸件外径为890mm，薄壁2mm，厚大部位20mm。可见，采用本发明工艺，铸件厚大部位晶粒细化效果明显，晶粒尺寸小于3mm。
如图4所示，本发明铸造K4169高温合金大型复杂薄壁铸件凝固后合金疏松缺陷，疏松缺陷的面积百分比控制在0.02％以下。
实施例结果表明，本发明方法是通过多区加热精确模温控制系统设计，在模壳熔体中产生自上而下的温度梯度，再匹配合适的抽拉速度将铸件底部处于液相线温度附近的熔体抽拉出保温区，以实现熔体自下而上顺序凝固，消除疏松等凝固缺陷，提高铸件致密度，在此基础上利用电磁场在凝固前沿的瞬时、高能电磁作用，在固/液界面前沿产生强烈的电磁扰动，起到阻碍晶体生长和强烈的细化晶粒作用，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，从而达到大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的协同控制。本发明涉及的方法和装置可用于航空发动机整体涡轮和转子、机匣、扩压器等大型复杂薄壁细晶铸件的一体化制备。
Claims (7)
1.一种大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，其特征在于，采用多区加热模温控制系统的设计，控制熔体温度梯度，通过模锭抽拉系统将模壳抽离多区加热模温控制系统的热区，使熔体在电磁场下顺序凝固，采用磁脉冲扰动系统，利用在固/液界面前沿产生的强烈磁脉冲扰动，阻碍晶体生长和强烈的细化晶粒，细化铸件凝固组织，从而达到大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的协同控制；其中，大型复杂薄壁细晶铸件的尺寸大于Ф300mm，壁厚差大于10∶1，具体按以下步骤进行：
（a）将过热度20～100℃的熔体浇注到置于多区加热模温控制系统内的模壳内，熔体温度梯度控制在0.1～2℃/mm范围内；
（b）开启模锭抽拉系统，将模壳以5～40 mm/min抽拉速度抽离热区；
（c）开启磁脉冲扰动系统，使熔体在电磁场下作用下顺序凝固，控制脉冲磁场的强度与频率，磁场强度控制在0.1 T～0.5T，频率控制在1～10Hz范围内，作用时间为10～40分钟；
（d）利用顺序凝固，消除疏松凝固缺陷，提高铸件致密度，同时利用固/液界面前沿产生强烈的磁脉冲扰动，细化铸件凝固组织，从而实现大型复杂薄壁铸件整体成形、晶粒细化、缺陷控制的一体化成型；
（e）当铸锭完全凝固后，关闭磁脉冲扰动系统，取出铸锭；
该方法使用的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型装置，用于大型复杂薄壁细晶铸件铸造工艺中，包括模温控制系统、模锭抽拉系统、磁脉冲扰动系统和监测与控制系统，脉冲磁场发生电源和磁脉冲扰动细化器连接形成磁脉冲扰动系统，模温控制系统、模锭抽拉系统分别和监测与控制系统连接，盛放熔体的坩埚、模温控制系统、模壳、磁脉冲扰动细化器、模锭抽拉系统设置于真空室中，坩埚位于模壳上方，模锭抽拉系统连接于模壳底部，模温控制系统位于模壳的侧上部，磁脉冲扰动细化器位于模壳的侧面下部。
2.按照权利要求1所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，其特征在于，采用多区加热模温控制系统的设计，最高加热温度1500℃，熔体温度梯度0.1～2℃/mm。
3.按照权利要求1所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，其特征在于，模锭抽拉系统的抽拉速度1～1000 mm/min范围内任意可调，实现模壳低速抽离热区以及之后的高速下拉至冷却室。
4.按照权利要求1所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，其特征在于，模温控制系统通过多区加热的方式实现宽温度梯度区间控制；模锭抽拉系统把模壳送至模温控制系统内预热以及浇注完成后将模壳抽离热区，实现铸件自底而上顺序凝固；磁脉冲扰动系统调节脉冲磁场强度和频率；监测与控制系统实现熔体温度、温度梯度、磁场参数、热控参数的测量与控制。
5.按照权利要求1所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，其特征在于，模温控制系统包括电阻加热电源、电阻加热器、PID智能控制调温仪器，电阻加热器位于模壳的外围，电阻加热电源的输出端与电阻加热器连接，电阻加热电源的输入端与PID智能控制调温仪器连接；采用三区加热的方式以及PID智能控制调温仪器，通过PID智能控制调温仪器实现分段控制加热，上、中、下三个温度梯度区间的温度递减，实现宽温度梯度区间连续精确控制。
6.按照权利要求1所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，其特征在于，磁脉冲扰动细化器外层为励磁线圈，励磁线圈连接脉冲磁场发生装置，磁脉冲扰动细化器内层为水冷装置，加强模壳内铸件底部的冷却，一方面作为热控凝固装置中水冷环，另一方面隔绝模壳高温对励磁线圈的影响。
7.按照权利要求4所述的大型复杂薄壁细晶铸件一体化成型方法，其特征在于，监测与控制系统通过集成化设计，实现多参数的集中显示与快捷控制。
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