新技术新工艺细晶铸造

1、新技术新工艺 - 细晶铸造细晶铸造国外近二十年来集中力量进展了高温合金定向铸造和单晶铸造技术，要紧是为了提高航空发动机高压涡轮叶片的高温工作能力， 从而增大发动机的推力， 并延长其工作寿命。 与此同时， 航空发动机的恶劣工况对在中低温条件下工作的低压涡轮叶片、 整体叶盘和涡轮机匣等高温合金铸件的低周疲劳寿命提出了更高要求。 然而这类铸件在一般熔模精铸工艺生产条件下， 一般为粗大的树枝晶或柱状晶， 晶粒平均尺寸大于4mm，较典型的为 49mm。由于晶粒粗大及组织、性能上的各向异性，专门容易导致铸件在使用过程中疲劳裂纹的产生和进展， 这关于铸件的疲劳性能尤其是低周疲劳性能极为不利， 同时造成铸件力

2、学性能数据过于分散，降低了设计容限。 随着对发动机的整体寿命和性能要求的进一步提高，改善铸件的中低温疲劳性能及其他力学性能显得十分重要。 这便导致了细晶铸造技术的产生和进展。工业发达国家， 尤其是美国和德国， 早在 20 世纪 70 年代末就开展了高温合金细晶铸造技术的研究和应用， 在 20 世纪 80 年代中后期该项技术进展趋于成熟，目前正在航空、航天工业领域中扩大其应用范围，如美国 Howmet公司利用细晶铸造技术成功地制造了Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718等高温合金整体涡轮， 使涡轮的低周疲劳寿命提高了23倍。德国、法国在新型号航空发动机上也采纳了细晶整体涡轮铸件。

3、国内对高温合金细晶铸造技术的研究从20 世纪 80 年代末开始起步， 通过“八五”和“九五”期间的研究和应用，我国航空制造业建立了专门的细晶铸造设备， 对高温合金细晶铸造工艺进行了较系统的试验，研制了一批镍基高温合金细晶铸件，并已应用于航空发动机中，在细晶铸造研1 / 8究领域内取得了重要的进展。1 细晶铸造的特点和工艺方法1.1细晶铸造的特点细晶铸造技术或工艺 （FGCP）的原理是通过操纵一般熔模铸造工艺，强化合金的形核机制， 在铸造过程中使合金形成大量结晶核心， 并阻止晶粒长大， 从而获得平均晶粒尺寸小于 1.6mm的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件， 较典型的细晶铸件晶粒度为美国标准 A

4、STM02级。细晶铸造在使铸件晶粒细化的同时， 还使高温合金中的初生碳化物和强化相尺寸减小，形态改善。因此，细晶铸造的突出优点是大幅度地提高铸件在中低温（ 760）条件下的低周疲劳寿命，并显著减小铸件力学性能数据的分散度， 从而提高铸造零件的设计容限。 同时该技术还在一定程度上改善铸件抗拉性能和持久性能， 并使铸件具有良好的热处理性能。细晶铸造技术还可改善高温合金铸件的机加工性能， 减小螺孔和刀刃形锐利边缘等处产生加工裂纹的潜在危险。 因此该技术可使熔模铸件的应用范围扩大到原先使用锻件、厚板机加工零件和锻铸组合件等领域。在航空发动机零件的精铸生产中， 使用细晶铸件代替某些锻件或用细晶铸造的锭料

5、来做锻坯已专门常见。1.2细晶铸造的工艺方法细晶铸造晶核的增殖来源于合金液中已存在的或外加的固体形核基底成形核心作用， 因此，细化晶粒的关键是增加合金液中的形核基底的数量。目前增加形核基底的数量的差不多方法大致可分为三大类： 热控法或改变铸造参数法（ VCP法）、动力学法（或机械法）和化学法。这也是细晶铸造的三类差不多工艺方法，如表1 所示。2 / 8表 1细晶铸造的工艺方法热控法动力学法化学法类 不（ Thermal Control Method)（Dynamic Method ）（Chemical Approach ）在静态铸型条件下，通过操纵铸型在浇注和凝固过程中施加外力迫使合通过向熔液

6、中加入有效形核温度，降低合金精炼温度和时刻，金液产生振动、搅动等运动，已凝固剂，形成大量的非均匀质核心使分散于熔液中作为形核基底的碳的枝晶被破裂并使之遍布于整个熔液而使晶粒细化。 典型的如添加化物保留下来，并较大幅度地降低中，从而形成更多的有效晶核，并限元素 B、稀土元素、 Ni-Al 中工艺原理浇注过热度，增大铸件冷却速度，制了晶粒的长大。 常见的方法有：（1）间化合物等以达到限制晶粒长大和细化晶粒的一般方法： 旋转铸型法、 机械振动法、目的超声波振动法、电磁搅动法等；（2）Grainex 法、Mould-Agitation法；（ 3）Microcast-X 法铸型温度 (t 型) 、浇注温

7、度 )t 浇 ) 及精 浇注温度 (t 铸) 和铸型旋转振动参数(速 精炼温度 (t 精 ) 、形核剂加入量工艺参数炼温度 ( t 精 )等度、频率 ) 以及铸型冷却速率等及其加入制度等晶粒细化典型1.60 0.18mm0.36 0.07mm1.25 0.12mm尺寸范围工艺简单，但铸件容易欠铸、晶粒晶粒度均匀、合金纯净度高、成形能工艺简单，但容易引进杂质、优缺点度不均匀力好，但需要建立专用的细晶铸造设改变合金成分备适用范围形状简单的小尺寸铸件回转体和厚大截面铸件形状简单的小尺寸铸件近年来美国 Howmet公司研制和进展的Grainex（简称 GX法）和 icrocast-X(简称法 ) 细晶

8、工艺代表着国际先进水平的细晶铸造工艺方法，目前已投入生产应用。图1 为 GX、MX法的晶粒细化典型尺寸范围。3 / 8图 1MX、GX法的晶粒细化尺寸范围其中 GX法以动力学法为基础，是高温合金细晶铸造第一代动力学法工艺， 它采纳较高的过热温度，在合金凝固过程中打碎已凝固的枝晶骨架成为结晶核心，从而细化铸件晶粒。与热控法相比，GX 法浇注过热度较大， 因而使铸件薄壁部分容易成形，所获得的铸件纯净度高，晶粒度细小而均匀，通常能达到 ASTM0级。但晶粒形态仍保留着轻微的树枝状， 其缺点是不能全面改善铸件的晶粒形态， 仅使厚截面部位晶粒细化。 这种方法适用于铸造叶盘和其他一些回转体铸件以及截面厚大的细晶铸件。 MX法是 Howmet公司开发的第二代动力学法细晶铸造工艺，其特点是将机械扰动与快速凝固相结合以获得晶粒更加细小的晶胞组织， 用此法铸造的铸件晶粒度能达ASTM35级或更细， 可与变形高温合金零件的晶粒度相媲美，因而能以比GX法更大的幅度提高铸件的力学性能。 直到目前为止， 该工艺仍属不公开的专利。 但