一種高溫母合金的低偏析細(xì)晶制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種高溫母合金的低偏析、晶粒細(xì)小、表面光滑的 制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著快速凝固爐的出現(xiàn)，目前汽車(chē)渦輪行業(yè)渦輪鑄造采取快速凝固方法，對(duì)高溫 母合金要求越來(lái)越高。一是要求表面質(zhì)量好，傳統(tǒng)的方式是為了降低金屬中心的縮孔問(wèn)題， 采取的是低溫澆鑄，導(dǎo)致表面充型不足，表面粗糙，材料表面加工過(guò)程浪費(fèi)大；二是要求晶 粒細(xì)小，由于液態(tài)金屬的遺傳特性，快速凝固爐做成的渦輪會(huì)繼承母合金的微觀組織特性， 過(guò)于粗大的組織會(huì)導(dǎo)致渦輪葉片產(chǎn)生柱狀晶，嚴(yán)重影響渦輪使用壽命；三是解決偏析問(wèn)題， 目前隨著高溫合金服役溫度的提高，加入大量的W、Ta等元素，而高溫合金為了抗氧化的要 求，A1、B等元素也大量添加，這兩類元素密度相差達(dá)10倍以上，在金屬凝固過(guò)程中，容易出 現(xiàn)比重偏析問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品一致性下降，性能不穩(wěn)定。
[0003] 本發(fā)明主要針對(duì)高溫母合金生產(chǎn)過(guò)程中以上缺陷，提出反其道而行之的工藝，提 高澆鑄溫度，不采取順序凝固的方式，通過(guò)電磁攪拌形成糊狀凝固，可以完美地解決以上三 個(gè)問(wèn)題，澆鑄溫度高，表面質(zhì)量好；電磁攪拌打碎晶粒組織，得到晶粒細(xì)小的微觀組織；整 體糊狀凝固，減少了順序凝固帶來(lái)的元素偏析問(wèn)題，得到了表面質(zhì)量好、晶粒細(xì)小、低偏析 的高質(zhì)量高溫母合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有高溫母合金存在的表面質(zhì)量差，晶粒粗大，元素偏析嚴(yán)重的問(wèn)題， 采用高溫澆鑄、電磁攪拌、糊狀凝固的方式生產(chǎn)出高質(zhì)量高溫母合金，該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，成 本低，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005] 本工藝包括以下步驟： 高溫母合金的低偏析細(xì)晶制備工藝，包括以下步驟： (1) 制備過(guò)熱的高溫母合金恪體，在真空條件下感應(yīng)恪煉高溫合金，使過(guò)熱溫度超過(guò) IOO0C ； (2) 電磁場(chǎng)攪拌工藝細(xì)化高溫母合金 將由步驟（1)制備的合金熔體澆注到金屬或陶瓷模組中，把模組放在電磁攪拌器的工 作中央位置處，利用電磁場(chǎng)作用開(kāi)始細(xì)化高溫母合金， 主要包括以下三個(gè)步驟： (2. 1)模組放在電磁攪拌器工作位置，底部采用絕熱材料防止熱量流失、溫度快速下 降。母合金在澆鑄進(jìn)入模組過(guò)程中，啟動(dòng)電磁攪拌系統(tǒng)。
[0006] 此過(guò)程主要工藝參數(shù)為：電磁攪拌器頻率：0-50Hz ;攪拌電流100A-500A ;攪拌總 時(shí)間O-lOmin，攪拌換向時(shí)間為0-30s ; (2. 2)按照設(shè)定的攪拌方式進(jìn)行攪拌，攪拌方式可以為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者交替周期進(jìn)行； 此過(guò)程主要工藝參數(shù)為：攪拌開(kāi)始溫度液相線上50-100°C，正反轉(zhuǎn)周期攪拌方式的攪 拌頻率0-50Hz，攪拌周期時(shí)間30-120S，正反轉(zhuǎn)換向時(shí)間0-30s。
[0007] 電磁攪拌是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力來(lái)推動(dòng)金屬有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，從而減少枝狀 晶，增加等軸晶率，達(dá)到改善合金質(zhì)量的目的。其實(shí)質(zhì)是借助交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在金 屬熔體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，載流金屬熔體在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用，從而改善金屬熔體 凝固過(guò)程中的流動(dòng)、傳熱和迀移過(guò)程，達(dá)到改善合金質(zhì)量的目的。本研究結(jié)果表明，電磁攪 拌技術(shù)可以從以下幾個(gè)方面改善合金的冶金質(zhì)量： 1. 有利于非金屬夾雜物及氣泡的上浮，降低合金內(nèi)部氣泡及夾雜物的含量，提高合金 的純凈度； 2. 加強(qiáng)金屬熔體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，有利于打碎枝晶，形成等軸晶，提高合金的等軸晶率，減 少中心偏析、中心疏松和縮孔，改善合金的凝固組織； 3. 實(shí)現(xiàn)了不與金屬熔體直接接觸而使金屬熔體發(fā)生強(qiáng)烈對(duì)流，避免了金屬熔體的二次 污染； 4. 便于控制、操作靈活。通過(guò)控制影響感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的電參數(shù)，可以方便地控制金屬 熔體的流動(dòng)狀態(tài)和半固態(tài)漿料的質(zhì)量； 5. 降低金屬熔體的過(guò)熱度，均勻液相溫度場(chǎng)。
[0008] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作控制，不污染合金熔體，不需要昂 貴的設(shè)備，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)，按照本發(fā)明工藝制備的高溫母合金具有表面光滑、晶粒細(xì) 小、成分均勻的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明電磁攪拌結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中經(jīng)電磁攪拌的K418高溫母合金的晶粒。
[0011] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中未經(jīng)電磁攪拌的K418高溫母合金的晶粒。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 以下通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013] 實(shí)施例1 在1000KG真空感應(yīng)爐中熔煉K418高溫母合金，K418熔點(diǎn)溫度為1320°C，控制精煉溫 度為1580°C，澆鑄溫度為1460°C。如圖3所示，將合金熔體澆鑄到金屬模組中，金屬模組烘 烤溫度為600°C，模組高度為1000mm，放置于電磁攪拌線圈的中央位置，底部用絕熱材料隔 熱，金屬澆鑄過(guò)程中啟動(dòng)電磁攪拌，攪拌參數(shù)為：攪拌電流400A，攪拌頻率15Hz，攪拌周期 60s，正反轉(zhuǎn)換向時(shí)間10s。合金恪體經(jīng)磁場(chǎng)攪拌作用6min后，停止攪拌器。此時(shí)K418高溫 母合金的晶粒大小為100 μ m左右（圖2)，比同條件下未經(jīng)電磁攪拌的K418高溫母合金組織 晶粒（圖3)大于500um。
[0014] 實(shí)施例2 : 在500KG真空感應(yīng)爐中熔煉K213高溫母合金，K213熔點(diǎn)溫度為1340°C，控制精煉溫 度為1600°C，澆鑄溫度為1480°C。將合金熔體澆鑄到金屬模組中，金屬模組烘烤溫度為 650°C。放置于電磁攪拌線圈的中央位置，金屬澆鑄過(guò)程中啟動(dòng)電磁攪拌，攪拌參數(shù)為：攪拌 電流250A，攪拌頻率50Hz，合金熔體經(jīng)磁場(chǎng)攪拌作用IOmin后，停止攪拌器。K213合金含有 Cr : 14. 0~16. 0%，W :4. 0~7. 0%，Al : I. 5~2. 0%，從母合金棒料上端和下端隨機(jī)取5個(gè)樣品，取 樣檢測(cè)成分平均統(tǒng)計(jì)，與未施加電磁攪拌相比較，采用本發(fā)明工藝的材料偏析度顯著降低。 [0015] 表1本發(fā)明工藝與未施加電磁攪拌母合金棒的偏析度比較
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限 制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均 應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高溫母合金的低偏析細(xì)晶制備工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟： (1) 制備過(guò)熱的高溫母合金恪體，在真空條件下感應(yīng)恪煉高溫合金，使過(guò)熱溫度超過(guò) 100。。； (2) 電磁場(chǎng)攪拌工藝細(xì)化高溫母合金 將由步驟（1)制備的合金熔體澆注到金屬或陶瓷模組中，把模組放在電磁攪拌器的工 作中央位置處，利用電磁場(chǎng)作用開(kāi)始細(xì)化高溫母合金，主要包括以下三個(gè)步驟： (2. 1)模組放在電磁攪拌器工作位置，底部采用絕熱材料防止熱量流失、溫度快速下 降， 母合金在澆鑄進(jìn)入模組過(guò)程中，啟動(dòng)電磁攪拌系統(tǒng)； (2. 2)按照設(shè)定的攪拌方式進(jìn)行攪拌，攪拌方式可以為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者交替周期進(jìn)行； (2. 3)高溫母合金全部凝固后停止攪拌。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫母合金的低偏析細(xì)晶制備工藝，其特征在于，通過(guò) 控制電磁攪拌器的攪拌頻率和攪拌變化時(shí)間來(lái)控制高溫母合金熔體在凝固過(guò)程中的流動(dòng) 狀態(tài)，電磁攪拌器頻率：0-50Hz;攪拌電流100A-500A;攪拌總時(shí)間0-10min，攪拌換向時(shí)間 為 〇-〇s。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫母合金的低偏析細(xì)晶制備工藝，其特征在于，電磁 攪拌開(kāi)始作用時(shí)，合金熔體處于過(guò)熱狀態(tài)，要求澆鑄溫度在液相線50-10(TC。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高溫母合金的低偏析細(xì)晶制備工藝，高溫母合金在真空環(huán)境中通過(guò)電磁場(chǎng)的作用結(jié)晶成形，得到表面質(zhì)量好，晶粒低于100um，偏析小的母合金組織。高溫合金如K213、K418、K403、Mar246等合金，在真空條件下感應(yīng)熔煉，接著在合金熔體液相線以上50~100℃利用電磁攪拌器進(jìn)行正反轉(zhuǎn)周期攪拌，合金熔體凝固后結(jié)束攪拌，由傳統(tǒng)的順序凝固改為糊狀凝固。此工藝所獲得合金材料外觀光潔，內(nèi)部幾乎無(wú)縮孔，晶粒尺寸相比未加電磁場(chǎng)攪拌細(xì)化5倍以上，材料均勻性得到極大提高，尤其是對(duì)于合金元素密度差異較大的合金，效果非常明顯，極大的提高了材料的綜合性能。本發(fā)明工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作控制，不污染合金熔體，不需要昂貴的設(shè)備，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類】C22C33/06, B22D27/02, C22C1/03
【公開(kāi)號(hào)】CN105400974
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510732668
【發(fā)明人】彭偉平, 馬軍義, 魏江, 李碩
【申請(qǐng)人】江蘇奇納新材料科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年11月3日