CN1117645C - 真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法，其特征在于：在真空气氛条件下，合金开始凝固时，对合金熔体施加一对对称但是方向相反的行波磁场，磁场强度在50-200mT范围内。本发明易于控制，所获得的高温合金晶粒更为细小，并且疏松和空洞较少。
Description
本发明涉及金属材料的铸造方法，特别提供了一种真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法。
高温合金是用于制造航空、航天飞行器、火箭发动机、舰艇、核反应堆和工业用燃气轮机、石油化工设备等耐高温部件的材料。获得这些高温合金部件的方法主要有铸造、锻造和粉末冶金法。由于铸造高温合金能使部件一次精密成形，在工艺性、经济性和使用性能方面都具有很大的优势，因此应用日渐广泛。但是，通常的熔模铸造高温合金精密铸件往往因其晶粒度较粗大而导致机械性能低。因此，自八十年代初国内外有关学者专家一直在研究开发高温合金细晶铸造技术。目的是控制高温合金熔模铸件的晶粒尺寸和形态，使其组织结构和性能与锻件相近，从而代替成本昂贵的锻件甚至粉末冶金为细化高温合金晶粒组织，国内外先后开发了热控法，化学法和机械法三种细化方法。热控法的特点是降低精炼温度和时间，保留碳化物，同时降低浇注温度，加速冷却，限制晶粒生长；可获得尺寸为0.3～1.0mm的等轴晶和树枝等轴晶。化学法是向熔体中加入有效的固体形核剂，形成大量非均质晶核；可获得尺寸为0.5～0.8mm的等轴晶；机械法是通过旋转铸型、机械振动来搅拌熔体，细化晶粒；可获得尺寸为0.1～1.6mm的等轴晶。上述工艺方法均存在着局限性和缺陷。如热控法的缺点是不易排除气泡和夹杂，使铸件纯净度降低，且铸造大件困难；由于极低的过热温度和严格的温度控制限制了它的应用。机械法由于是利用机械力如离心力，难以使熔体运动均匀和受部件形状的限制。化学法的缺点是难于控制化学成份，且形核剂易于形成氧化物造成疲劳源。因此，晶粒细化一直是高温合金细晶铸造中没有彻底解决的问题。
本发明的目的在于提供一种真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法，其易于控制，所获得的高温合金晶粒更为细小，并且疏松和空洞较少。
本发明提供了一种真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法，其特征在于：在真空气氛条件下，合金开始凝固时，对合金熔体施加一对对称但是方向相反的行波磁场，磁场强度在50-200mT范围内。
所谓的行波磁场是沿直线方向呈正弦波形分布的磁场，由于是平移的正弦波，又称为平面平行波磁场。本发明在真空熔铸工件在浇注和凝固过程中，对合金熔体施加一对对称但是方向相反的行波磁场，磁场和熔体交互作用，在熔体内形成一对力偶，引起熔体转动，形成电磁搅拌。搅拌力在熔体凝固过程中可以破碎枝晶，增加固相形核率，促进柱状晶向等轴晶的转变，使熔体凝固结晶后成为均匀细小的等轴晶组织。具体地行波电磁场搅拌细化晶粒的主要原因是，在电磁场的作用下，在合金熔体中形成电磁力，电磁力使熔体流动，凝固过程中的柱状晶的尖端被流动力剪断或熔断成为新的固相晶粒核心，这些微晶粒后来又作为等轴晶生长的晶核，因此凝固过程中形核率增加，凝固方式由柱状晶向等轴晶转变；并且由于凝固前沿及大量新形成的自由晶粒之间的对流换热，使液体中残余过热迅速消除，结晶前沿的温度梯度降低，温度场更均匀化。这些都会使等轴晶组织增加。一般地，行波磁场由线性电磁搅拌器产生，电磁搅拌强度主要由磁场强度决定，可以通过调节绕组电流的大小进行调节，从而可以方便地控制晶粒细化程度。在本发明方法中，磁场强度在50-200mT范围内可以无级调节。磁场作用时间因铸件尺寸大小不同而定，一般控制在凝固结束。行波电磁搅拌除了细化晶粒，还有其他优点，可以减少高温合金铸件内的成分偏析，疏松等冶金缺陷。该方法克服了现有其它真空精密高温合金铸件细化方法的弊端，能达到现有细化方法所不能达到的效果。
总之，本发明可以解决现有方法没能彻底解决的问题，并获得比上述三种方法更均匀更细小的晶粒组织，其晶粒尺寸在0.1～0.5mm范围。本发明减少了疏松与空洞等缺陷，这是热控法所解决不了的。从组织结构上，本发明的细晶铸造高温合金可与锻件相近，有望代替锻件。由于行波电磁场强度易调节，所以比现有三种细晶铸造方法更易控制晶粒细化。下面通过实施例详述本发明。
附图1为行波电磁搅拌细化晶粒原理示意。
附图2为行波电磁搅拌及搅拌强度对GH4169高温合金宏观组织的影响a无电磁搅拌b弱电磁搅拌c强电磁搅拌。
附图3为行波电磁搅拌及搅拌强度对GH4169高温合金疏松和枝晶组织的影响a无电磁搅拌b电磁搅拌。
实施例
利用所发明的真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法对GH4169、K17等高温合金进行了熔炼浇铸，取得了预期的效果，现以GH4169变形高温合金为例具体说明。
GH4169合金，其化学成分为(wt.％)C＜＝0.01，Mn＜＝0.5，Si＜＝0.75，Cr17～21，Ni余，Mo2.8～3.3，Nb4.5～5.75，Al0.2～0.8，Ti0.3～1.3，B0.006(按计算量加入)，Fe17～20，S＜＝0.015，P＜＝0.015。
将GH4169母合金置于真空感应炉的坩锅中，通电加热至熔化。浇注之前先调节产生行波磁场的绕组电流，达到所需的电磁搅拌强度。行波电磁场绕组电流可调范围为10～50A，分别调整相应的磁场强度为50、200mT，然后将熔体浇入施加行波电磁场的铸模中。在熔体凝固过程中受到电磁搅拌作用。当熔体完全凝固后，调节行波磁场绕组电流为零，此时停止电磁搅拌。
取出GH4169合金铸件后，切开进行宏观晶粒组织的确定，结果为晶粒尺寸达到0.1～0.3mm，分布均匀。金相观察表明，疏松空洞明显减少见图2、图3。
K17的化学成分(wt.％)如下表：
| B | C | Zr | Mo | Cr | V | Ti | Co | Al | Si | Mn | Fe | Ni |
| 0.0163 | 0.163 | 0.071 | 3.01 | 8.94 | 0.73 | 4.37 | 10.21 | 5.55 | ＜0.2 | ＜0.2 | ＜1.0 | balance |
通过本方法处理，获得了0.1～0.5mm的细晶铸造组织。
比较例
仍以GH4169变形高温合金为例。施加行波电磁搅拌的合金锭其宏观晶粒形态为等轴晶和状晶，未施加行波电磁搅拌的合金锭则多为贯穿的柱状晶，随着施加行波磁场搅拌强度的增加结晶状态由柱状晶变为等轴晶，而且越来越细小，均匀。(见图2)
金相观察结果表明：无行波电磁搅拌的合金在缩口处有大量的疏松、空洞，而行波电磁搅拌的合金其疏松、空洞明显减少(见图3)。
Claims (1)
1、一种真空行波电磁细化高温合金精密铸造方法，其特征在于：在真空气氛条件下，合金开始凝固时，对合金熔体施加一对对称但是方向相反的行波磁场，磁场强度在50-200mT范围内。
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