一種整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及向心葉輪鑄件領(lǐng)域，具體為一種合金整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法。在鑄件凝固過程中施加旋轉(zhuǎn)磁場，電磁場可穿透金屬液，與金屬液間產(chǎn)生相對運(yùn)動，使得金屬液內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，相當(dāng)于磁場以一定的速度切割金屬液，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流又與感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，作用于金屬液的每個體積元上，從而驅(qū)動金屬液的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在鑄件冷卻凝固過程中，施加雙向旋轉(zhuǎn)電磁場，有效的均勻化合金微觀組織，細(xì)化晶粒，使向心葉輪鑄件整體晶粒度達(dá)到均勻、一致，同時可以減少合金鑄件內(nèi)的成分偏析和疏松等冶金缺陷，解決機(jī)械振動法和鑄型旋轉(zhuǎn)法中容易產(chǎn)生鑄造裂紋等問題，可有效改善向心葉輪鑄件整體晶粒度。
【專利說明】一種整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及向心葉輪鑄件領(lǐng)域，具體為一種合金整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，該方法可有效改善向心葉輪鑄件整體晶粒度。
【背景技術(shù)】
[0002]向心葉輪鑄件主要用于發(fā)動機(jī)或是其輔助動力裝置中，通常在工作環(huán)境中承受較大的離心力和氣動力，對鑄件的性能和質(zhì)量要求較高，一般具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均勻等特點(diǎn)。通過晶粒細(xì)化技術(shù)，可有效改善葉輪鑄件的中溫持久強(qiáng)度和抗疲勞性能，但在整體細(xì)晶鑄造時，極易出現(xiàn)晶粒分布不均勻、裂紋、縮孔等缺陷；向心葉輪葉尖是薄壁結(jié)構(gòu)，極易變形，整體細(xì)晶鑄造技術(shù)難度大。
[0003]細(xì)晶鑄造技術(shù)是通過控制普通熔模鑄造工藝，強(qiáng)化合金的形核機(jī)制，在鑄造過程中是合金形成大量結(jié)晶核心，并阻止晶粒長大，從而獲得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均勻、細(xì)小、各向同性的等軸晶鑄件，較典型的細(xì)晶鑄造晶粒度為美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMO?2級。細(xì)晶鑄造在晶粒細(xì)化同時，尤其細(xì)化合金中的初生碳化物和Y '強(qiáng)化相，并改善其形態(tài)及其分布，進(jìn)而改善合金性能。因此，細(xì)晶鑄造的突出優(yōu)點(diǎn)是大幅提高鑄件在中低溫(< 760°C)條件下的低周疲勞性能，顯著減小鑄件力學(xué)性能數(shù)據(jù)的分散度，從而提高鑄件的設(shè)計容限。同時，該技術(shù)還在一定程度上改善鑄件的抗拉性能和持久性能，并使鑄件具有良好的熱處理性能。細(xì)晶鑄造技術(shù)還可以改善合金鑄件的機(jī)械加工性能，減小螺孔和刀形銳利邊緣等處產(chǎn)生加工裂紋的潛在危險。因此，整體細(xì)晶鑄造工藝技術(shù)已成為中溫及以下使用的零部件制造技術(shù)關(guān)鍵。
[0004]工業(yè)發(fā)達(dá)國家，尤其是美國和德國，早在20世紀(jì)70年代末就開始了細(xì)晶鑄造技術(shù)的研究和應(yīng)用，20世紀(jì)80年代中后期趨于成熟，目前該技術(shù)已在航空、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如美國Howmet公司利用細(xì)晶鑄造技術(shù)成功的制造了 IN792M0D5A、Mar_M247、IN713C、IN718等合金整體渦輪，使渦輪的低周疲勞壽命提高了 2?3倍。德國、法國在新型號航空發(fā)動機(jī)上也采用了細(xì)晶整體渦輪鑄件。
[0005]國內(nèi)對細(xì)晶鑄造技術(shù)研究從20世紀(jì)80年代末開始起步，經(jīng)過“八五”和“九五”期間的研究和應(yīng)用，對合金細(xì)晶鑄造工藝進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，但在航空發(fā)動機(jī)中應(yīng)用尚不廣泛，尤其對作為轉(zhuǎn)動件的整體向心葉輪的細(xì)晶鑄造工藝還未進(jìn)行過研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種在磁場作用下的細(xì)晶鑄造工藝來制備整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的方法，解決向心葉輪葉尖的薄壁結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生欠鑄，整體細(xì)晶鑄造技術(shù)難度大，在機(jī)械振動法和鑄型旋轉(zhuǎn)法中容易產(chǎn)生鑄造裂紋等問題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]一種整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0009](I)合金熔煉:按照合金的化學(xué)成分和配比配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應(yīng)細(xì)晶鑄造爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3?7分鐘，然后降溫至澆鑄溫度，爐內(nèi)真空度為0.1?5Pa ;
[0010](2)澆鑄過程:經(jīng)步驟(I)處理后的合金進(jìn)行澆鑄，獲得整體向心葉輪鑄件，澆鑄溫度 1380 ?1450°C ；
[0011](3)細(xì)化過程:整體細(xì)晶向心葉輪鑄件晶粒度控制工藝為，將步驟(2)的向心葉輪置于雙向旋轉(zhuǎn)電磁場中，靜置時間8秒?30秒后，施加150A?300A，3Hz?15Hz的雙向旋轉(zhuǎn)電磁場；待鑄件完全凝固后，停止攪拌，獲得整體細(xì)晶向心葉輪鑄件。
[0012]所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，雙向旋轉(zhuǎn)電磁場中的正、反相磁場旋轉(zhuǎn)時間20?40秒，換向時間2?8秒。
[0013]所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，制得的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件按使用要求不同，進(jìn)行后續(xù)的熱處理:
[0014]熱處理制度:①11850C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫；(D 1121°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫843°C 土 10°C保溫20?30小時，爐冷或空冷至室溫。
[0015]步驟(2)澆鑄過程中，采用Al2O3制備陶瓷型殼，澆鑄近成型合金鑄件。
[0016]步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在850°C以上預(yù)熱3?5小時。
[0017]真空感應(yīng)爐用的冶煉坩堝選用MgO坩堝，真空感應(yīng)爐用的測溫系統(tǒng)為W — Re電偶，測溫保護(hù)套管為外層涂覆ZrO2或CeO和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。
[0018]按重量百分含量計，向心葉輪鑄件的化學(xué)成分為:C:0.05?0.1% ；Cr:11.5?13.5% ；Co:8 ?10% ;Mo:1 ?3% ；ff:3 ?5% ；Ta:3.3 ?5.2% ；A1:3 ?4% ；T1:3.4 ?4.8% ；B:0.01 ?0.02% ；Zr:0.01 ?0.05% ；N1:余量。
[0019]本發(fā)明設(shè)計原理如下:
[0020]本發(fā)明在整體向心葉輪的制備中采用了一種在磁場作用下的細(xì)晶鑄造工藝，在鑄件冷卻凝固過程中，施加雙向旋轉(zhuǎn)電磁場，有效的均勻化合金微觀組織，細(xì)化晶粒，使向心葉輪鑄件整體晶粒度達(dá)到均勻、一致，同時可以減少合金鑄件內(nèi)的成分偏析和疏松等冶金缺陷。
[0021]在鑄件凝固過程中施加旋轉(zhuǎn)磁場，電磁場可穿透金屬液，與金屬液間產(chǎn)生相對運(yùn)動，使得金屬液內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，相當(dāng)于磁場以一定的速度切割金屬液，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流又與感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，作用于金屬液的每個體積元上，從而驅(qū)動金屬液的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。合金鑄件在凝固過程中，固液界面前沿這種熔體相對于固相產(chǎn)生的強(qiáng)力流動，使鑄型壁上最初形成的枝晶被破碎，破碎的枝晶分布于整個合金液中，因而創(chuàng)造了有效的形核核心，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生細(xì)小、均勻和等軸的晶粒。此外，金屬液的強(qiáng)力流動還能加速液穴的傳熱和傳質(zhì)過程，使鑄型中心到鑄型壁的熱梯度得到降低，固液界面前沿過冷度增加，因此不管鑄件截面厚度如何變化，都能獲得較均勻的等軸晶。
[0022]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:采用比熱控法細(xì)晶工藝高得多的澆注溫度，因而鑄件純凈度高，薄壁部位容易成形。同時，旋轉(zhuǎn)磁場僅驅(qū)動液態(tài)金屬在固液界面產(chǎn)生相對流動，減小了合金中內(nèi)應(yīng)力的生成，解決了在機(jī)械振動法和鑄型旋轉(zhuǎn)法中容易產(chǎn)生鑄造裂紋的問題。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0024]1、鑄件整體晶粒度一致:向心葉輪葉片薄壁部位、輪轂部位以及輪軸中心粗大部位的晶粒度均勻、一致。[0025]2、合金組織改善:合金中碳化物相及Y'析出相尺寸細(xì)小、分布均勻、形狀規(guī)則。
[0026]3、合金性能提高:大幅提高鑄件在中低溫條件下的低周疲勞性能。
[0027]4、鑄造性能好:鑄件成形性好，不發(fā)生鑄造裂紋。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1 (a)_圖1 (b)是本發(fā)明的向心葉輪鑄件晶粒度示意圖；其中，圖1 (a)鑄件葉盆部表面晶粒度；圖1 (b)鑄件中心內(nèi)部晶粒度。
[0029]圖2 Ca)-圖2 (b)是本發(fā)明的向心葉輪鑄件內(nèi)部疏松示意圖。其中，圖2 (a)熱控法制備鑄件中的縮孔；圖2 (b)本發(fā)明鑄件中偶有顯微疏松。
[0030]圖3 Ca)-圖3 (b)是本發(fā)明的向心葉輪鑄件表面缺陷示意圖。其中，圖3 (a)鑄型旋轉(zhuǎn)法易產(chǎn)生微裂紋；圖3 (b)本發(fā)明鑄件表面無缺陷。
[0031]圖4 (a)_圖4 (b)是采用本發(fā)明制備的鑄件組織形態(tài)示意圖；其中，圖4 (a)細(xì)小均勻的Y '強(qiáng)化相；圖4 (b)細(xì)小彌散的碳化物相。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明合金整體細(xì)晶向心葉輪的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0033](I)合金熔煉:按照合金的化學(xué)成分和配比配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應(yīng)細(xì)晶鑄造爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3?7分鐘，然后降溫至澆鑄溫度，爐內(nèi)真空度為0.1?5Pa ;
[0034](2)澆鑄過程:經(jīng)步驟(I)處理后的合金進(jìn)行澆鑄，獲得整體向心葉輪鑄件，澆鑄溫度 1380 ?1450°C ；
[0035](3)細(xì)化過程:整體細(xì)晶向心葉輪鑄件晶粒度控制工藝為，將步驟(2)的向心葉輪置于雙向旋轉(zhuǎn)電磁場中，靜置時間8秒?30秒后，施加150A?300A，3Hz?15Hz的雙向旋轉(zhuǎn)電磁場。待鑄件完全凝固后，停止攪拌，獲得整體細(xì)晶向心葉輪鑄件。其中，雙向旋轉(zhuǎn)電磁場中的正、反相磁場旋轉(zhuǎn)時間20?40秒,換向時間2?8秒。
[0036]制得的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件按使用要求不同，需要進(jìn)行后續(xù)的熱處理:
[0037]熱處理制度:①11850C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫；(D 1121°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫843°C 土 10°C保溫20?30小時，爐冷或空冷至室溫。本發(fā)明中，整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的合金性能范圍如下:
[0038](I)室溫下，抗拉強(qiáng)度1100?1200MPa，屈服強(qiáng)度900?lOOOMPa，斷裂延伸率大于
5%，斷面收縮率大于5%。
[0039](2)760°C下，抗拉強(qiáng)度1050?1120MPa，屈服強(qiáng)度850?950MPa，斷裂延伸率大于
5%，斷面收縮率大于5%。
[0040]步驟(2)澆鑄過程中，采用Al2O3制備陶瓷型殼，澆鑄近成型合金鑄件。
[0041]步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在850°C?1100°C預(yù)熱3?5小時。
[0042]真空感應(yīng)爐用的冶煉坩堝選用MgO坩堝，真空感應(yīng)爐用的測溫系統(tǒng)為W — Re電偶，測溫保護(hù)套管為外層依次涂覆ZrO2 (或CeO)和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。
[0043]按重量百分含量計，本發(fā)明向心葉輪鑄件的化學(xué)成分為:C:0.05?0.1% ；Cr:
11.5 ?13.5% ；Co:8 ?10% ;Mo:1 ?3% ；ff:3 ?5% ；Ta:3.3 ?5.2% ；A1:3 ?4% ；T1:3.4 ?4.8% ；B:0.01 ~0.02% ；Zr:0.01 ~0.05% ；N1:余量。
[0044]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。
[0045]實(shí)施例1
[0046]采用真空感應(yīng)細(xì)晶鑄造爐熔煉母合金，澆鑄整體細(xì)晶向心葉輪。精煉溫度為1550°C，精煉時間為3分鐘，真空度是0.1Pa，澆注溫度為1450°C。
[0047]澆鑄后的整體細(xì)晶向心葉輪置于雙向交替旋轉(zhuǎn)的磁場中，靜置20秒后，施加220A，5Hz的磁場，正、反相磁場旋轉(zhuǎn)時間30秒，換向時間5秒，待鑄件完全凝固后，停止攪拌。本實(shí)施例合金成分見表1。
[0048]表1整體細(xì)晶相心葉輪成分(wt%)
【權(quán)利要求】
1.一種整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)合金熔煉:按照合金的化學(xué)成分和配比配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應(yīng)細(xì)晶鑄造爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3?7分鐘，然后降溫至澆鑄溫度，爐內(nèi)真空度為0.1?5Pa ; (2)澆鑄過程:經(jīng)步驟(I)處理后的合金進(jìn)行澆鑄，獲得整體向心葉輪鑄件，澆鑄溫度1380 ?1450°C ； (3)細(xì)化過程:整體細(xì)晶向心葉輪鑄件晶粒度控制工藝為，將步驟(2)的向心葉輪置于雙向旋轉(zhuǎn)電磁場中，靜置時間8秒?30秒后，施加150A?300A，3Hz?15Hz的雙向旋轉(zhuǎn)電磁場；待鑄件完全凝固后，停止攪拌，獲得整體細(xì)晶向心葉輪鑄件。
2.按照權(quán)利要求1所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，雙向旋轉(zhuǎn)電磁場中的正、反相磁場旋轉(zhuǎn)時間20?40秒,換向時間2?8秒。
3.按照權(quán)利要求1所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，制得的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件按使用要求不同，進(jìn)行后續(xù)的熱處理: 熱處理制度:①1185°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫；@1121°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫843°C 土 10°C保溫20?30小時，爐冷或空冷至室溫。
4.按照權(quán)利要求1所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(2)澆鑄過程中，采用Al2O3制備陶瓷型殼，澆鑄近成型合金鑄件。
5.按照權(quán)利要求1所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在850°C以上預(yù)熱3?5小時。
6.按照權(quán)利要求1所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，真空感應(yīng)爐用的冶煉坩堝選用MgO坩堝，真空感應(yīng)爐用的測溫系統(tǒng)為W — Re電偶，測溫保護(hù)套管為外層涂覆ZrO2或CeO和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。
7.按照權(quán)利要求1所述的整體細(xì)晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，按重量百分含量計，向心葉輪鑄件的化學(xué)成分為:c:0.05?0.1% ；Cr:11.5?13.5% ；Co:8?10% ；Mo:1 ?3% ；ff:3 ?5% ；Ta:3.3 ?5.2% ；A1:3 ?4% ；T1:3.4 ?4.8% ；B:0.01 ?0.02% ；Zr:0.01 ?0.05% ；N1:余量。
【文檔編號】B22D27/02GK103817313SQ201410062854
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】韋華, 張洪宇, 鄭啟, 吳多利, 金濤, 孫曉峰 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所