CN113523218A - 一种高温合金组织均匀化的熔铸装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于高温合金组织均匀化的熔铸装置和方法。装置由舱体、二次加料系统、熔炼系统、浇注系统、铸型、离心桶、环形磁场发生器、定向磁场发生器和离心盘组成，工艺特征为：合金熔炼，合金熔体保温后浇入铸型中，启动磁场发生器，施加设定的磁场强度，启动离心盘和离心桶的转动，并给定转动方向和转速，金属液内部产生磁力和机械力两种不同类型的力场复合剪切流，将金属原料经电磁感应熔炼成液态金属后，浇注到铸型中凝固直接得到组织与性能均匀的高温合金。本发明所制备高温合金铸态组织晶粒细小，增加了晶粒的数量和限制晶粒的尺寸，铸件由纳米晶粒、微米晶粒组成。省去铸态的均匀化热处理工艺，直接利用铸造制备的高温合金偏析度低，组织均匀性好；应用范围广。

Description

一种高温合金组织均匀化的熔铸装置和方法
技术领域
本发明涉及高温合金组织均匀化的熔铸装置和方法。具体地说，是将金属原料经电磁感应熔炼成液态金属后，浇注到铸型中凝固直接得到组织与性能均匀的高温合金合金熔铸装置，以及使用此装置制备均匀化组织与性能的高温合金铸锭的方法。
背景技术
高温合金的化学成分非常复杂，一般包含十多种合金元素以及一些不可避免的杂质元素。作为新一代沉淀强化镍基高温合金，GH4720Li的合金化程度非常高，主要强化相γ'的形成元素Al和Ti含量之和高达7.5％，在增加γ'的体积分数的同时，铸态组织晶界处由于Ti元素的偏析形成了(γ+γ')共晶相，在变形过程中，(γ+γ')共晶会作为裂纹萌生源，严重影响GH4720Li合金的变形能力。
目前，在传统铸造工艺下所制备的铸锭会形成表层细晶区、中部柱状晶、心部粗大等轴晶，同时，由于在铸锭凝固过程中表层和心部的温度梯度很大，合金元素会向心部偏聚而产生严重的宏观偏析。而对于晶粒之间来讲，晶粒在形核长大过程中，在固-液界面前沿，合金元素发生溶质再分配，先凝固的区域合金元素溶解度低、后凝固的区域合金元素溶解度高，导致在晶界处合金元素富集形成低熔点相，产生微观偏析。金属铸锭的宏观偏析和微观偏析表现为组织的不均匀性。这种组织的不均匀性在金属材料的变形加工和受载服役过程中会表现出性能的不均匀性。具体表现为：在变形加工过程中，晶界处的脆性低熔点相会严重降低铸坯的热加工塑性，同时宏观的组织不均匀性更容易导致变形失稳，呈现不均匀变形，在后续加工中容易产生裂纹等缺陷，降低产品性能；而在受载服役过程中，晶界处的脆性相由于变形协调能力差，在受力变形中不能稳定维持材料的加工硬化从而导致早期裂纹萌生，损害性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高温合金组织均匀化的熔铸装置和方法。所述装置用于制备组织和性能均匀性好的高温合金铸锭；所述方法是将熔化的液态金属凝固后直接得到组织和性能均匀性好的高温合金合金铸锭。
本发明的技术内涵在于：通过向金属熔体中引入沿着铸锭切向和径向两个方向的剪切力，在金属熔体中形成剪切流从而实现金属熔体温度的均匀化，打破铸锭表面和心部的大温度梯度，减弱合金元素在凝固过程中的宏观偏析。同时，低的温度梯度有利于金属凝固时的大过冷度形核，提高凝固过程形核率，增加晶粒数量从而细化晶粒、消弱偏析，实现组织均匀化。
一种高温合金组织均匀化的熔铸装置，由舱体系统，二次加料系统，熔炼系统，浇注系统，离心桶，铸型，环形磁场发生器、定向磁场发生器和离心盘组成；实际使用过程中可以根据需要分别调节磁场发生器的磁场强度、根据工艺要求调节离心桶和离心盘的转动方向及转速；环形磁场发生器在金属凝固过程中产生切向磁力，定向磁场发生器产生径向磁力，离心桶在金属凝固过程中产生切向机械力，离心盘在金属凝固过程中产生径向机械力。
进一步地，所述离心盘和离心桶的转动方向可以相同或者不同，转动速度的范围：0.1～5Hz。
进一步地，所述磁场发生器可以同时工作，也可以按照需要交替工作，产生两种方向磁场的磁场发生器所产生的磁场强度范围：0.1～10T。
一种采用如上所述的熔铸装置进行高温合金组织均匀化的方法，包括以下步骤：
(1)准备金属及合金坯料；
(2)金属及合金放于熔炼系统的坩埚中，铸型安放在离心桶内，且在铸型和离心桶之间填充有耐火保温材料；
(3)将坩埚中的金属加热到一定温度(所述一定温度现场技术人员可以根据具体情况来掌握)后保温，然后浇入到预热的铸型中；
(4)金属熔液冷却过程中，启动两个磁场发生器，施加设定的磁场强度为2T，启动离心盘和离心桶的转动，转速为1.25Hz。
进一步地，铸造冷却过程中，在两种方向磁场及两种机械力作用下，金属液内部产生磁力和机械力两种不同类型的力场复合剪切流。
进一步地，熔炼和铸造过程，可在真空和非真空中进行。非真空包括气氛保护。
本发明所采用的设备原理图如图1所示。
所属装置包括：
二次加料系统，用于盛放低熔点/易挥发金属并给熔炼系统进行二次加料；
熔炼系统，用于熔融金属原材料；
浇注系统，用于将熔炼系统中的金属熔体浇注到铸型中；
铸型，用于金属熔体铸造成型；
离心桶，用于带动铸型做自转运动，在金属熔体中提供沿切向的机械剪切力；
离心盘，用于驱动铸型做公转运动，在金属熔体中提供沿径向的机械剪切力；
环形磁场发生器，用于在金属熔体中提供沿切向的环形电磁剪切力；
定向磁场发生器，用于在金属熔体中提供沿径向的定向电磁剪切力；
舱体，用于集成所述二次加料系统、熔炼系统、浇注系统、铸模、离心桶、离心盘、环形磁场发生器和定向磁场发生器。
所述铸型放置在离心桶内，离心桶进行自转运动，铸型内的金属熔体产生沿切向的机械力，同时，离心盘驱动离心桶进行公转运动，铸型内的金属产生沿径向的机械力，通过离心桶和离心盘的运动，作用于铸型内的未凝固熔体产生机械剪切流。
所述离心桶和离心盘的配合装置，置于环形磁场发生器和定向磁场发生器中心，两种磁场发生器在铸型内的未凝固熔体产生电磁剪切流。
所述舱体可为合金熔炼和凝固过程提供0.01～100Pa的真空度，也可以通过向舱体中充注保护惰性气体实现可控气氛熔炼和凝固。
熔炼系统采用电磁感应熔炼。
离心桶的自转速度为0.1～5Hz。
离心盘的公转速度为0.1～5Hz。
离心桶和离心盘的转动方向可以根据工艺需要相同或者相反。
离心桶和离心盘工作时，转动速度可以相同或不同；分别根据径向剪切力和切向剪切力的要求调节。
环形磁场发生器和定向磁场发生器产生的磁场强度范围均为0.1～10T。
环形磁场发生器和定向磁场发生器同时工作或(按照需要)交替工作。
环形磁场发生器和定向磁场发生器同时工作时，所述环形磁场发生器产生的磁场强度和定向磁场发生器产生的磁场强度相同或不同；分别根据径向剪切力和切向剪切力的要求调节。
本发明的具体工艺过程为：第一步，按照合金的名义成分配料，清洗后放于烘干炉中400℃烘干1～3小时；第二步，将烘干后的金属放入熔炼系统的坩埚(按高温合金合金的质量百分比将10～30％的镍放于坩埚底部，然后依次放入全部的钴、钨、钼、铬，再放入剩余的镍板和微量元素)，中间合金和易挥发金属放到二次加料系统的料斗中，并安放好铸型；第三步，按照熔炼过程中的气氛要求，将舱体抽真空到指定真空度，如需要气氛保护，则向舱体中充入一定压力的惰性气体(如果不需要真空或气氛保护，此步骤可省略)；第四步，将金属加热到一定温度后保温一定时间，然后降低功率进行二次加料再升功率均匀合金化(如果无需二次加料，此处二次加料可省略)；第五步，用熔炼系统熔化金属原材料后，将保温后的合金液浇铸到经预热的铸型中(铸型周围填充耐火保温材料)；第六步，启动环形磁场发生器和定向磁场发生器，在金属熔体中产生磁力剪切，同时启动离心盘和离心桶，在金属熔体中产生机械力剪切，金属液在剪切力作用下逐渐凝固。
对于不同的合金体系，要控制合金的浇铸温度以控制过热度，在冷却凝固过程中要控制过冷度。
熔炼和铸造过程在真空、非真空(包括气氛保护)下进行的。
本发明的优点在于：
1.制备方法简单。采用本发明方法，所制备高温合金材料铸态组织晶粒细小，增加了晶粒的数量和限制晶粒的尺寸，铸件由纳米晶粒、微米晶粒组成。减去铸态的均匀化热处理工艺，直接利用铸造制备的高温合金偏析度低，组织均匀性好。
2.应用范围广。金属铸态偏析是影响金属加工性和使用性能的一大科学难题，降低材料的偏析程度可以减少开坯前热处理的时间和工序，并提高后续加工过程的形性协同变形能力，具有同时提高金属材料塑性和韧性的潜质。
附图说明
通过下面结合附图关于本发明的具体实施方式的详细描述，将有助于更清楚完整地理解本发明的其它特征、细节和优点。
图1多剪切力场铸造设备组成原理图，包括1舱体系统，2二次加料系统，3熔炼系统，4浇注系统，5离心桶，6铸型，7环形磁场发生器，8定向磁场发生器，9离心盘。
图2a为环形磁场发生器原理示意图；
图2b为定向磁场发生器原理示意图；
图2c为离心盘离心桶机械力作用原理示意图；
图3a为传统重力铸造GH4720Li合金金相照片；
图3b为剪切流铸造GH4720Li合金金相照片；
图4a为应力-应变曲线；
图4b为应变-硬化率曲线。
具体实施方式
下面通过示范性实施例详细描述本发明。需指出的是，本领域的技术人员很容易理解，以下实施例仅仅为以举例方式给出的关于本发明的方法的一些示范性实施例，并不意味着对本发明进行任何限制。
实施例1：
本文以GH4720Li高温合金为例，研究金属凝固后晶粒细化和减轻偏析的行为。熔炼前先对原始金属进行必要的磨光、清洗和干燥处理，并对熔炼和铸造过程中所用的金属铸型和辅助器具进行干燥处理，熔炼使用的坩埚为Al2O3刚玉坩埚，装料次序为：W+Mo→Co+Cr+部分Ni→微量元素C+B+Zr→部分Ni，将Al、Ti和剩余的Ni放置于二次料斗中，安置好全部部件后，炉体开始抽真空。炉体真空度达到6.0×10-2Pa时，开始加热，先用较低的功率加热至金属原料发红，然后在保证真空度的情况下加大功率至35～40kW快速化料，待炉料全部熔化，适当降低功率保温10min，此时关闭真空泵并向炉体充Ar气至气压达到0.05MPa，向熔体中通过二次料斗分批加料，每次加料间隙均回温合金化加热，待全部炉料加到熔体中后，将功率调至27kW进行精炼15min至熔体表面呈清澈赤红色，然后快速进行浇注。金属液全部进入铸型后，打开环形磁场发生器7和定向磁场发生器8，金属熔体中产生磁力剪切流，同时打开离心盘和离心桶的运动，金属熔体中产生机械力剪切流，这里，环形磁场发生器6和定向磁场发生器7同时工作，所施加的磁场强度范围为2T，离心盘和离心桶的转速为1.25Hz，且离心盘和离心桶的转动方向相反。合金液浇入铸型后进行15min的磁力和机械力复合剪切处理，冷却后取出合金。复合剪切流作用下GH4720Li高温合金铸态组织、应力-应变图分别如图3、图4所示。图3a和图3b为GH4720Li高温合金铸态组织对比图。其中，图3a为传统重力铸造GH4720Li合金金相照片，平均晶粒尺寸在100～150μm之间，枝晶界比较宽而且颜色深，晶界处分布着粗大的扇状(γ+γ′)共晶、不规则状的碳化物(MC、M23C6)、板条状η相(Ni3Ti)及初生γ′相；图3b为剪切流铸造GH4720Li合金金相照片，宏观晶粒尺寸介于50～100μm之间，晶界处分布着少量(γ+γ′)共晶(～10μm)、碳化物。图4a和图4b为GH4720Li高温合金铸态力学性能对比。其中，图4a应力-应变曲线中可以看到，剪切流铸造的GH4720Li合金抗拉强度和伸长率均得到提升；图4b应变-硬化率曲线中可以看到，剪切流铸造的GH4720Li合金的加工硬化稳定性好于重力铸造。可见，铸态GH4720Li高温合金组织和性能的均匀性较传统重力铸造有较为明显的改善。

Claims (7)

1.一种高温合金组织均匀化的熔铸装置，其特征在于，由舱体系统(1)，二次加料系统(2)，熔炼系统(3)，浇注系统(4)，离心桶(5)，铸型(6)，环形磁场发生器(7)、定向磁场发生器(8)和离心盘(9)组成；实际使用过程中可以根据需要分别调节磁场发生器的磁场强度、根据工艺要求调节离心桶和离心盘的转动方向及转速；环形磁场发生器(7)在金属凝固过程中产生切向磁力，定向磁场发生器(8)产生径向磁力，离心桶(5)在金属凝固过程中产生切向机械力，离心盘(9)在金属凝固过程中产生径向机械力。
2.按照权利要求1所述的高温合金组织均匀化的熔铸装置，其特征在于，所述离心盘和离心桶的转动方向可以相同或者不同，转动速度的范围：0.1～5Hz。
3.按照权利要求1所述的高温合金组织均匀化的熔铸装置，其特征在于，所述磁场发生器可以同时工作，也可以按照需要交替工作，产生两种方向磁场的磁场发生器所产生的磁场强度范围：0.1～10T。
4.一种采用权利要求1所述的熔铸装置进行高温合金组织均匀化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备金属及合金坯料；
(2)金属及合金放于熔炼系统(3)的坩埚中，铸型(6)安放在离心桶(5)内，且在铸型和离心桶之间填充有耐火保温材料；
(3)将坩埚中的金属加热到一定温度后保温，然后浇入到预热的铸型中；
(4)金属熔液冷却过程中，启动两个磁场发生器，施加设定的磁场强度为2T，启动离心盘和离心桶的转动，转速为1.25Hz。
5.按照权利要求4所述的高温合金组织均匀化的方法，其特征在于：铸造冷却过程中，在两种方向磁场及两种机械力作用下，金属液内部产生磁力和机械力两种不同类型的力场复合剪切流。
6.按照权利要求4所述的高温合金组织均匀化的方法，其特征在于：熔炼和铸造过程，可在真空和非真空中进行。非真空包括气氛保护。
7.按照权利要求4所述的高温合金组织均匀化的方法，其特征在于：具体工艺过程为：
第一步，按照合金的名义成分配料，清洗后放于烘干炉中400℃烘干1～3小时；
第二步，将烘干后的金属放入熔炼系统(3)的坩埚，按高温合金合金的质量百分比将10～30％的镍放于坩埚底部，然后依次放入全部的钴、钨、钼、铬，再放入剩余的镍板和微量元素，中间合金和易挥发金属放到二次加料系统(2)的料斗中，并安放好铸型；
第三步，按照熔炼过程中的气氛要求，将舱体(1)抽真空到指定真空度，如需要气氛保护，则向舱体中充入一定压力的惰性气体；如果不需要真空或气氛保护，此步骤可省略；
第四步，将金属加热到一定温度后保温一定时间，然后降低功率进行二次加料再升功率均匀合金化；如果无需二次加料，此处二次加料可省略；
第五步，用熔炼系统熔化金属原材料后，将保温后的合金液浇铸到经预热的铸型(5)中，铸型周围填充耐火保温材料；
第六步，启动环形磁场发生器(6)和定向磁场发生器(7)，在金属熔体中产生磁力剪切，同时启动离心盘和离心桶，在金属熔体中产生机械力剪切，金属液在剪切力作用下逐渐凝固。
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