CN112317705B - 锭模、冶炼系统和大锭型合金铸锭的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锭模、冶炼系统和大锭型合金铸锭的生产方法。锭模，包括锭模本体以及设置在锭模本体内的金属底垫和耐火底衬；耐火底衬设置在所述锭模本体的底部，所述金属底垫设置在所述耐火底衬远离所述锭模本体的底部的一侧。冶炼系统，包括锭模。大锭型合金铸锭的生产方法，包括：将所述高温合金熔炼得到合金液，然后浇铸至所述的锭模中得到铸锭。本申请提供的锭模，加入金属底垫，使得铸锭底部的温度场分布更加均匀，减少了铸锭底部的应力集中从而降低底部裂纹的敏感性；避免了金属铸流对于耐火底衬的直接冲击，降低了对耐火底衬的侵蚀，同时也避免了底部夹杂的产生，底部夹杂作为潜在的裂纹源其数量的减少也降低了铸锭底部裂纹的敏感性。

Description

锭模、冶炼系统和大锭型合金铸锭的生产方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种锭模、冶炼系统和大锭型合金铸锭的生产方法。

背景技术

GH4738合金多通过双联(VIM+VAR)或三联（VIM+ESR+VAR）冶炼工艺来进行生产，以保证获得优质的高温合金铸锭。其中，真空感应熔炼（VIM）作为第一步冶炼工序，主要担负着调整合金成分、脱气控夹杂以及浇铸重熔电极等任务。对于新兴应用例如发电涡轮机或航空涡轮机中的旋转组件，越来越需要更大重量和更大直径的高温合金锭。对于小直径的铸锭裂纹并不是主要问题，当铸锭越大开裂的可能性越大。对于更大直径的铸锭，不仅要经济地达到最终零件的尺寸，而且还需要保证材料拥有良好的冶金质量，以达到所有最终的机械和结构要求。

随着高功重比、高推重比航空发动机的发展需求，高温合金铸锭逐渐向高合金化、大尺寸等方向发展。铸锭直径增加，在凝固过程中的散热变得更加困难，从而导致更长的凝固时间。同时铸锭直径增加也导致铸锭内部的热梯度增加，致使铸锭内部热应力消除困难，从而提高了铸锭对裂纹的敏感性。当热应力过大时会引发裂纹，尤其是底部裂纹最容易出现。这些裂纹将严重影响后续真空自耗重熔过程的稳定性，甚至导致铸锭报废。因此，亟需一种改进的真空感应浇铸工艺来生产大锭型GH4738合金电极铸锭，以消除铸锭的底部裂纹和提高铸锭的成材率。

真空感应浇铸使用的锭模通常是由铸铁制成，并带有耐火底衬。对于大于500mm的大尺寸铸锭在浇铸过程中，底部侧面靠近锭模的金属液迅速冷却，而在底部中心处的金属液在耐火底衬上冷却缓慢。由于锭模的冷却能力较强而耐火底衬的冷却能力很低，因此铸锭底部侧面的金属优先凝固对铸锭底部中间处的金属凝固收缩产生阻碍，从而产生拉应力形成底部裂纹且裂纹源多位于底部夹杂和低熔点共晶处。同时在浇铸开始阶段，金属铸流对耐火底衬的冲击很大，加速了耐火衬底中的耐火材料的侵蚀甚至会在耐火底衬上形成冲击坑，这也可能导致产生底部夹渣。

并非仅有GH4738合金存在上述问题，随着高温合金铸锭锭型的扩大，电极开裂在大尺寸铸锭生产过程更为严重。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锭模、冶炼系统和大锭型合金铸锭的生产方法，以解决上述问题。

为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：

一种锭模，包括锭模本体以及设置在所述锭模本体内的金属底垫和耐火底衬；

所述耐火底衬设置在所述锭模本体的底部，所述金属底垫设置在所述耐火底衬远离所述锭模本体的底部的一侧。

对于直径大于500mm的铸锭，在生产时发现铸锭底部经常出现裂纹，甚至会出现通心裂纹从而导致铸锭报废。在真空感应熔炼过程中，金属液在真空条件下注入到锭模中，金属液通过锭模向真空室散热。当铸锭尺寸增大后，散热效率降低，在铸锭底部形成较大的温度梯度，从而产生较大的热应力。另一方面，凝固过程中铸锭底部周边优先凝固，对中部金属的凝固收缩形成阻碍，导致拉应力的产生。同时铸锭底部周边已凝固的金属在向中心收缩的过程中可发生收缩变形，使底座中部周围已凝固的金属层中产生拉应力。这两种拉应力的叠加就可能导致铸锭底部产生裂纹。同时由于某些合金，例如GH4738合金，它的合金化程度较高，铸锭在凝固过程中冷却速率不均匀、枝晶偏析较大，在凝固后期出现大量的(γ+γ’)共晶相，低熔点共晶相的析出导致合金热裂敏感性增强。以上因素都会造成铸锭底部裂纹产生，使得合格的大锭型合金铸锭生产困难。

若在生产中在锭模底部采用同种合金进行铺底，使得浇铸开始时铸锭底部周边的冷却速率和中心处的冷却速率相近，降低了铸锭底部径向上的温度梯度，进而减小了底部凝固后的热应力。同时由于金属底垫对耐火底衬的保护作用降低了铸锭底部外来夹杂的产生，降低了铸锭可能的裂纹源。综合以上两种作用，金属底垫的加入可以对大尺寸铸锭底部裂纹起到良好的抑制作用。

需要说明的是，此处所指“所述金属底垫设置在所述耐火底衬远离所述锭模本体的底部的一侧”，通常是指金属底垫设置在耐火底衬的上表面。

本申请所指的耐火衬底是指使用耐火材料制作得到的衬底。

优选地，所述金属底垫的厚度为5-20mm；

优选地，所述金属底垫的厚度为10-15mm。

金属底垫的厚度的优选，更进一步的有利于铸锭冷却速率的内外一致，减小热应力，从而减少裂纹。

可选地，所述金属底垫的厚度可以为5mm、10mm、15mm、20mm以及5-20mm之间的任一值。

优选地，所述金属底垫远离所述耐火底衬的一面设置有凸起。

优选地，所述凸起的表面呈圆弧形。

设置凸起的目的是为了能够更加有效的降低浇铸初期金属铸流对于底部的冲击作用，防止金属液的飞溅，从而抑制夹杂物的生成，改善浇铸初期金属铸流的内部流场，优化温度梯度分布，减少裂纹的同时提升合金质量。表面呈圆弧形的凸起的效果最佳。

优选地，所述金属底垫的成分与浇铸至所述锭模中的合金的成分相同。

采用与被浇铸合金成分相同的金属底垫，可以避免合金引入其他杂质元素，保持合金的纯净度，避免影响合金的性能。

一种冶炼系统，包括所述的锭模。

一种大锭型合金铸锭的生产方法，包括：

将合金的原料熔炼得到合金液，然后浇铸至所述的锭模中得到铸锭。

优选地，所述浇铸之前还包括：将所述锭模本体和/或所述耐火底衬烘烤后再与所述金属底垫组装得到所述锭模；

烘烤锭模本体和耐火底衬的目的是为了充分干燥锭模本体和耐火底衬，避免水分和气体残留导致金属液被H、O等元素污染；同时，可以有效避免浇铸开始阶段由于金属液与锭模温差过大，金属液受到极冷从而形成缺陷。

需要说明的是，本申请所指的大锭型合金铸锭主要是指直径大于等于500mm的合金铸锭。

优选地，所述锭模本体加热至400-800℃，所述耐火底衬加热至100-300℃，保温时间各自独立的为4-6h；

优选地，所述锭模本体加热至500-600℃。

可选地，所述锭模本体可以加热至400℃、500℃、600℃、700℃、800℃以及400-800℃之间的任一值；所述耐火底衬可以加热至100℃、200℃、300℃以及100-300℃之间的任一值；保温时间各自独立的可以是4h、5h、6h以及4-6h之间的任一值。

优选地，所述熔炼包括：

将所述合金的原料装料至真空感应熔炼炉中，抽真空后经过化料、熔清、精炼得到所述合金液。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本申请提供的锭模和冶炼系统，通过在锭模本体内设置金属底垫，使得浇铸开始时合金液首先与金属底垫接触，由于合金液与金属底垫间的换热系数极大，使得铸锭底部周边的冷却速率和中心处的冷却速率相近，降低了铸锭底部径向上的温度梯度，使得铸锭底部的温度场分布更加均匀，进而减小了底部凝固后的热应力集中，从而降低底部裂纹的敏感性；同时由于金属底垫对耐火底衬的保护作用，减少了铸锭底部的应力避免了金属铸流对于耐火底衬的直接冲击，降低了对耐火底衬的侵蚀，同时也避免了底部夹杂的产生；底部夹杂作为潜在的裂纹源，其数量的减少也降低了铸锭底部裂纹的敏感性。综合以上两种作用，金属底垫的加入可以对大尺寸铸锭底部裂纹起到良好的抑制作用，同时减少底部夹杂物的产生，提升铸锭质量；

本申请提供的大锭型合金铸锭的生产方法，操作简单，得到的铸锭裂纹少、质量高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1为实施例提供的锭模的示意图；

图2为实施例5铸锭脱模前应力分布图；

图3为对比例1铸锭脱模前应力分布图。

附图标记：

1-锭模本体；2-耐火底衬；3-金属底垫；4-凸起。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK（K为任意数，表示倍数因子）。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种锭模，包括锭模本体1，锭模本体1整体呈圆柱形，其底部由下至上依次设置耐火底衬2和金属底垫3，金属底垫3的厚度为5mm。金属底垫3的中央设置圆弧形的凸起4。

本实施例还提供一种直径为580mm的GH4738铸锭的生产方法，包括以下步骤：

根据高温合金GH4738的成分控制要求，按照质量百分比计算各种原料所需的质量并保证所有的原材料清洁、无油污。

采用真空感应炉对合金进行一次熔炼，需要说明的是GH4738在真空感应熔炼时浇铸前的所有工艺采用如配料、装料、熔化期和精炼期的工艺及相关参数采用本领域常用的方法即可，因此本发明中不对此做详细说明。

金属底垫3选用与高温合金GH4738成分相同的材料制成。

金属底垫3不进行烘烤，温度为25℃。锭模本体1烘烤至400℃且在该温度下保温4h，耐火底衬2烘烤至200℃并在该温度下保温4h。

开始浇铸前将锭模本体1、耐火底衬2和金属底垫3进行装配，装配完成后将其移动至浇注室，小功率带电浇注。浇铸温度为1470℃，浇注速度为10kg/s。

浇注完成后，随炉冷却2h后破真空，取锭后进行退火处理。当铸锭冷却结束后对铸锭底部进行检查，将铸锭底部的金属底垫切除得到最终所需铸锭。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中将锭模本体1烘烤至600℃，并在该温度下保温4h。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中将锭模本体1烘烤至800℃，并在该温度下保温4h。

实施例4

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为10mm，将锭模本体1烘烤至400℃，并在该温度下保温4h。

实施例5

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为10mm，将锭模本体1烘烤至600℃，并在该温度下保温4h。

实施例6

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为10mm，将锭模本体1烘烤至800℃，并在该温度下保温4h。

实施例7

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为15mm，将锭模本体1烘烤至400℃，并在该温度下保温4h。

实施例8

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为15mm，将锭模本体1烘烤至600℃，并在该温度下保温4h。

实施例9

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为15mm，将锭模本体1烘烤至800℃，并在该温度下保温4h。

实施例10

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为20mm，将锭模本体1烘烤至400℃，并在该温度下保温4h。

实施例11

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为20mm，将锭模本体1烘烤至600℃，并在该温度下保温4h。

实施例12

与实施例1不同的是，本实施例中金属底垫3的厚度为20mm，将锭模本体1烘烤至800℃，并在该温度下保温4h。

对比例1

与实施例2不同的是本对比例浇铸过程中不使用金属底垫3。将锭模本体1烘烤至600℃，将耐火底衬2烘烤至200℃并在相应温度下保温4h，将其装配好后直接进行浇铸。

对比例2

与实施例5不同的是本对比例浇铸过程不对耐火底衬2进行烘烤。将锭模本体1烘烤至600℃并在相应温度下保温4h，采用10mm厚度金属底垫3将其装配好后直接进行浇铸。

对比例3

与实施例5不同的是本对比例浇铸过程使用30mm厚的金属底垫3。将锭模本体1烘烤至600℃，将耐火底衬2烘烤至200℃并在相应温度下保温4h，将其装配好后直接进行浇铸。

采用实施例及对比例中的浇铸方法进行测试，得到的铸锭底部边角处最大应力值如表1所示。

表1 铸锭底部最大应力值测试结果

项目	锭模烘烤温度（℃）	耐火底衬烘烤温度（℃）	金属底垫厚度（mm）	铸锭底部边角处最大有效应力（MPa）
					实施例1	400	200	5	375
实施例2	600	200	5	325
					实施例3	800	200	5	296
实施例4	400	200	10	347
					实施例5	600	200	10	302
实施例6	800	200	10	281
					实施例7	400	200	15	342
实施例8	600	200	15	301
					实施例9	800	200	15	279
实施例10	400	200	20	334
					实施例11	600	200	20	298
实施例12	800	200	20	278
					对比例1	600	200	0	338
对比例2	600	25	10	387
					对比例3	600	200	30	293

通过实施例2、5、8、11的对比发现，当金属底垫3的厚度由5mm增至10mm后铸锭底部最大应力降低较为明显，当金属底垫3继续增厚时对应力的降低作用并不明显，对比例3的测试结果也证明了这一点。由表 1可知，当其他条件相同只有锭模本体1的预热温度不同时，随着锭模本体1的预热温度由400℃到600℃再到800℃，铸锭底部边角处的最大有效应力显著下降，但由于锭模本体1预热到800℃时耗能较大、铸锭的凝固时间也会延长，这会增强铸锭中心的偏析程度导致合金热裂敏感性增加，因此锭模本体1的烘烤温度需要综合考量，以500-600℃为宜。同时，对比例2相对于实施例5不同的是没有对耐火底衬2进行烘烤，结果发现铸锭底部最大应力值也发生了显著提升。通过实施例2、5、8、11和对比例1的比较，可以看出金属底垫3的加入使得高应力区大幅度转移到金属底垫中，确实起到了降低铸锭底部最大应力的作用。

图2为实施例5铸锭脱模前应力分布图，图3为对比例1铸锭脱模前应力分布图。图2和图3所示应力云图可以更直观的看出使用金属垫底后不仅铸锭底部最大应力值得到降低，铸锭底部的高应力区也有所减小，这更证明了使用金属底垫3对于抑制铸锭底部裂纹的有效性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种锭模，其特征在于，由锭模本体以及设置在所述锭模本体内的金属底垫和耐火底衬组成；

所述耐火底衬设置在所述锭模本体的底部，所述金属底垫设置在所述耐火底衬远离所述锭模本体的底部的一侧；所述金属底垫的厚度为5-10mm；所述金属底垫的成分与浇铸至所述锭模中的合金的成分相同；

所述金属底垫远离所述耐火底衬的一面设置有凸起，所述凸起的表面呈圆弧形；

所述锭模的内径大于500mm。

2.一种冶炼系统，其特征在于，包括权利要求1所述的锭模。

3.一种大锭型合金铸锭的生产方法，其特征在于，包括：

将合金的原料熔炼得到合金液，然后浇铸至权利要求1所述的锭模中得到铸锭；

所述浇铸之前还包括：将所述锭模本体和/或所述耐火底衬烘烤后再与所述金属底垫组装得到所述锭模；所述锭模本体加热至500-600℃，所述耐火底衬加热至100-300℃，保温时间各自独立的为4-6h。

4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述熔炼包括：

将所述合金的原料装料至真空感应熔炼炉中，抽真空后经过化料、熔清、精炼得到所述合金液。

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