CN113909458A - 一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其包括如下步骤：将定量的高温合金母合金放置于小坩埚中，然后将其放置于真空感应炉中的大坩埚内加热熔融后，熔体在母合金熔点以上100~150℃保温30~45 min；熔体倒入冷却模具中，模具周围装有超声发生器；启动超声发生器及其移动装置，移动速度与凝固过程中固液界面保持一致；超声发生器移动至模具顶端时停止。本发明的超声扰动细化高温合金铸件凝固组织的方法，使用超声扰动液固界面前沿，能够细化高温合金铸件定向凝固组织，提高温合金定向凝固组织均匀性；对消除或减弱宏观偏析并提高合金的成分分布均匀性有着积极作用，也是提高合金坯加工及服役性能的最佳途径。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金铸造领域，特别涉及能够实现高温合金铸件定向凝固组织的细化，提高温合金定向凝固组织均匀性的一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法。
背景技术
高温合金被广泛的应用于航空发动机与工业燃气轮机的关键零部件上。目前，单台航空发动机的高温合金的使用量可达机身总重量的40%~60%。随着航空发动机技术和燃气轮机技术的快速发展，对其关键结构件用高温合金的需求日益增加，高温合金整体结构件的设计理念朝着尺寸更大和壁厚更薄方向发展，也对高温合金整体结构件的材料、铸造成形技术及其力学性能的提出了更高的要求。目前，铸造高温合金的铸造工艺向两个方向发展。其一，为了达到提高高温合金使用温度和强度的目的，采用定向凝固和单晶的铸造工艺；其二，对工作温度较低且低周疲劳性能要求高的铸造合金件，采用整体细晶铸造工艺。由于生产定向凝固和单晶高温合金的过程复杂且成本高，传统铸造的多晶高温合金仍然是许多高温结构件的主要材料来源。因此，铸造高温合金的凝固组织控制技术的创新与发展成为了凝固科学领域的广泛关注的重点之一。
熔模铸造是高温合金铸件最主要生产方式之一。在高温合金凝固过程中，由于传热规律造成顺序凝固，会造成铸件中心偏析、缩孔、裂纹等缺陷，导致合金的服役性能降低。另一方面，这些缺陷即使在后续采用热处理或者塑性加工的方法也不能完全消除。为改善高温合金的凝固组织均匀性，减少柱状晶，获得高比例等轴晶区，甚至全等轴晶的铸件，同时细化等轴晶粒，对消除或减弱宏观偏析并提高合金的成分分布均匀性有着积极作用，也是提高合金坯加工及服役性能的最佳途径。
发明内容
本发明的目的是根据高温合金的使用性能需求，提供一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，能够细化高温合金铸件定向凝固组织，提高温合金定向凝固组织均匀性。
为实现本发明的发明目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其包括如下步骤：
S1：称取设定量的高温合金母合金放置于内径为60 mm，外径为70 mm的小坩埚中，然后将其放置于真空感应炉中的内径为70 mm的大坩埚内；关闭炉门，抽气，当真空度达到2.0×10-3 Pa时，停止抽气；打开进气阀门，冲入高纯氩气；
S2：至真空度达到500 Pa开启真空感应炉电源，加热熔融后，熔体保温30~45 min，保温温度设定在高温合金母合金的熔点以上100~150 ℃；
S3：通过真空腔外手柄，旋转步骤S1中大坩埚，将步骤S2中的熔体倒入底部带有循环水冷的模具中，模具周围装有超声发生器；
S4：启动超声发生器，频率控制在25 ~45 kHz；同时启动超声发生器移动装置，发生器移动速度与凝固过程中固液界面保持一致；
S5：待超声发生器移动至模具顶端时，停止超声发生器移动，关闭超声发生器电源；
S6：等待30 min后，打开进气阀门，冲入高纯氩气，将真空度降为大气压；
S7：打开炉门，取出样品，评价晶粒尺寸。
优选的，在步骤S1中，结合使用的坩埚的大小，每次高温合金母合金的使用量为1Kg。
再优选的，在步骤S2中，加热熔融后，熔体保温35~40 min，保温温度设定在高温合金母合金的熔点以上120~140 ℃。
再优选的，在步骤S3中，所述的超声发生器是在模具的两侧对称设置或环绕模具周围设置。
再优选的，在步骤S4中，超声发生器的工作频率控制在30 ~40 kHz。
在步骤S4中，超声发生器的移动速度是根据合金熔体的冷却固化速度来决定，而合金熔体的冷却固化速度可以通过对某一特定牌号的合金在特定冷却温度下的冷却固化实验得出，为了提高超声发生器移动速度的精确性，可以事先通过多次实验来得出一个最佳的冷却速度值作为超声发生器的移动速度设定参考值。
本发明的超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，使用超声扰动液固界面前沿，能够细化高温合金铸件定向凝固组织，提高温合金定向凝固组织均匀性；对消除或减弱宏观偏析并提高合金的成分分布均匀性有着积极作用，也是提高合金坯加工及服役性能的最佳途径。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中：
图1为本发明的实施例中使用的凝固模具与超声发生器的布局结构示意图；
图2为本发明的实施例1的合金凝固组织的显微放大图示；
图3为本发明的实施例2的合金凝固组织的显微放大图示；
图4为本发明的实施例3的合金凝固组织的显微放大图示。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体工艺步骤及优点详述如下。
一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其包括如下步骤：
S1：称取设定量的高温合金母合金放置于内径为60 mm，外径为70 mm的小坩埚中，然后将其放置于真空感应炉中的内径为70 mm的大坩埚内；关闭炉门，抽气，当真空度达到2.0×10-3 Pa时，停止抽气；打开进气阀门，冲入高纯氩气；
S2：至真空度达到500 Pa开启真空感应炉电源，加热熔融后，熔体保温30~45 min，保温温度设定在高温合金母合金的熔点以上100~150 ℃；
S3：通过真空腔外手柄，旋转步骤S1中大坩埚，将步骤S2中的熔体倒入底部带有循环水冷的模具中，模具周围装有超声发生器；
S4：启动超声发生器，频率控制在25 ~45 kHz；同时启动超声发生器移动装置，发生器移动速度与凝固过程中固液界面保持一致；
S5：待超声发生器移动至模具顶端时，停止超声发生器移动，关闭超声发生器电源；
S6：等待30 min后，打开进气阀门，冲入高纯氩气，将真空度降为大气压；
S7：打开炉门，取出样品，评价晶粒尺寸。
在步骤S4中，超声发生器的移动速度是根据合金熔体的冷却固化速度来决定，而合金熔体的冷却固化速度可以通过对某一特定牌号的合金在特定冷却温度下的冷却固化实验得出，为了提高超声发生器移动速度的精确性，可以事先通过多次实验来得出一个最佳的冷却速度值作为超声发生器的移动速度设定参考值。
另外，本发明中的超声发生器的移动机构，可以采用常用的电机驱动传动机构来实现，只要能够实现超声发生器按照设定速度上下移动即可，本发明对此不作具体的限制。
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1
步骤1：称取购买的高温合金母合金1 kg放置于内径为60 mm，外径为70 mm的小坩埚中，然后将其放置于真空感应炉中的内径为70 mm的大坩埚内；关闭炉门，抽气，当真空度达到2.0×10-3 Pa时，停止抽气；打开进气阀门，冲入高纯氩气；
步骤2：至真空度500 Pa时开启真空感应炉电源，加热熔融后，保温温度设定在购买高温合金的熔点以上100 ℃，熔体保温45 min；
步骤3：通过真空腔外手柄，旋转步骤1中大坩埚，将步骤2中的熔体倒入底部带有循环水冷的模具中，模具内径30 mm，模具周围装有超声发生器；
步骤4：启动超声发生器，频率控制25 kHz；同时启动超声发生器上下移动装置，发生器移动速度与凝固过程中固液界面保持一致；
步骤5：待超声发生器移动至模具顶端时，停止超声发生器移动，关闭超声发生器的工作电源；
步骤6：等待30 min后，打开进气阀门，冲入高纯氩气，将真空度降为大气压；
步骤7：打开炉门，取出样品，评价晶粒尺寸。
采用实施例1的技术方案制得的合金铸件的晶粒组织见图2所示的显微放大图示，合金的成分分布均匀。
实施例2
步骤1：称取购买的高温合金母合金1 kg放置于内径为60 mm，外径为70 mm的小坩埚中，然后将其放置于真空感应炉中的内径为70 mm的大坩埚内；关闭炉门，抽气，当真空度达到2.0×10-3 Pa时，停止抽气；打开进气阀门，冲入高纯氩气；
步骤2：至真空度500 Pa时开启真空感应炉电源，加热熔融后，保温温度设定在购买高温合金的熔点以上150 ℃，熔体保温30 min；
步骤3：通过真空腔外手柄，旋转步骤:1中大坩埚，将步骤2中的熔体倒入底部带有循环水冷的模具中，模具内径30 mm，模具周围装有超声发生器；
步骤4：启动超声发生器，频率控制在45 kHz，同时启动超声发生器上下移动装置，发生器移动速度与凝固过程中固液界面保持一致；
步骤5：待超声发生器移动至模具顶端时，停止发生器移动，关闭发生器电源；
步骤6：等待30 min后，打开进气阀门，冲入高纯氩气，将真空度将为大气压；
步骤7：打开炉门，取出样品，评价晶粒尺寸。
采用实施例2的技术方案制得的合金铸件的晶粒组织见图3所示的显微放大图示，合金的成分分布均匀。
实施例3
步骤1：称取购买的高温合金母合金1 kg放置于内径为60 mm，外径为70 mm的小坩埚中，然后将其放置于真空感应炉中的内径为70 mm的大坩埚内；关闭炉门，抽气，当真空度达到2.0×10-3 Pa时，停止抽气；打开进气阀门，冲入高纯氩气；
步骤2：至真空度500 Pa时开启真空感应炉电源，加热熔融后，保温温度设定在购买高温合金的熔点以上130 ℃，熔体保温40 min；
步骤3：通过真空腔外手柄，旋转步骤1中的大坩埚，将步骤2中的熔体倒入底部带有循环水冷的模具中，模具内径30 mm，模具周围装有超声发生器；
步骤4：启动超声发生器，频率控制在35 kHz；同时启动超声发生器上下移动装置，发生器移动速度与凝固过程中固液界面保持一致；
步骤5：待超声发生器移动至模具顶端时，停止发生器移动，关闭发生器电源；
步骤6：等待30 min后，打开进气阀门，冲入高纯氩气，将真空度将为大气压；
步骤7：打开炉门，取出样品，评价晶粒尺寸。
采用实施例3的技术方案制得的合金铸件的晶粒组织见图4所示的显微放大图示，合金的成分分布均匀。
本发明的超声扰动细化高温合金铸件凝固组织的方法，使用超声扰动液固界面前沿，能够细化高温合金铸件定向凝固组织，提高温合金定向凝固组织均匀性；对消除或减弱宏观偏析并提高合金的成分分布均匀性有着积极作用，也是提高合金坯加工及服役性能的最佳途径。
本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。
Claims (5)
1.一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
S1：称取设定量的高温合金母合金放置于内径为60 mm，外径为70 mm的小坩埚中，然后将其放置于真空感应炉中的内径为70 mm的大坩埚内；关闭炉门，抽气，当真空度达到2.0×10-3 Pa时，停止抽气；打开进气阀门，冲入高纯氩气；
S2：至真空度达到500 Pa开启真空感应炉电源，加热熔融后，熔体保温30~45 min，保温温度设定在高温合金母合金的熔点以上100~150 ℃；
S3：通过真空腔外手柄，旋转步骤S1中大坩埚，将步骤S2中的熔体倒入底部带有循环水冷的模具中，模具周围装有超声发生器；
S4：启动超声发生器，频率控制在25 ~45 kHz；同时启动超声发生器移动装置，发生器移动速度与凝固过程中固液界面保持一致；
S5：待超声发生器移动至模具顶端时，停止超声发生器移动，关闭超声发生器电源；
S6：等待30 min后，打开进气阀门，冲入高纯氩气，将真空度降为大气压；
S7：打开炉门，取出样品，评价晶粒尺寸。
2.如权利要求1所述的一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其特征在于，在步骤S1中，每次高温合金母合金的使用量为1Kg。
3.如权利要求1所述的一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其特征在于，在步骤S2中，加热熔融后，熔体保温35~40 min，保温温度设定在高温合金母合金的熔点以上120~140 ℃。
4.如权利要求1所述的一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述的超声发生器是在模具的两侧对称设置或环绕模具周围设置。
5.如权利要求1所述的一种超声扰动细化高温合金铸件定向凝固组织的方法，其特征在于，在步骤S4中，超声发生器的工作频率控制在30 ~40 kHz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220111 |