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新技术新工艺细晶铸造模板.doc
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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发展了高温合金定向铸造和单晶铸造技术,关键是为了提升航空发动机高压涡轮叶片高温工作能力,从而增大发动机推力,并延长其工作寿命。和此同时,航空发动机恶劣工况对在中低温条件下工作低压涡轮叶片、整体叶盘和涡轮机匣等高温合金铸件低周疲惫寿命提出了更高要求。不过这类铸件在一般熔模精铸工艺生产条件下,通常为粗大树枝晶或柱状晶,晶粒平均尺寸大于4mm,较经典为49mm。因为晶粒粗大及组织、性能上各向异性,很轻易造成铸件在使用过程中疲惫裂纹产生和发展,这对于铸件疲惫性能尤其是低周疲惫性能极为不利,而且造成铸件力学性能数据过于分散,降低了设计容限。伴随对发动
2、机整体寿命和性能要求深入提升,改善铸件中低温疲惫性能及其它力学性能显得十分关键。这便造成了细晶铸造技术产生和发展。 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研究和应用,在20世纪80年代中后期该项技术发展趋于成熟,现在正在航空、航天工业领域中扩大其应用范围,如美国Howmet企业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,使涡轮低周疲惫寿命提升了23倍。德国、法国在新型号航空发动机上也采取了细晶整体涡轮铸件。中国对高温合金细晶铸造技术研究从20世纪80年代末开始起步,经过“八五”和“九五”期间研
3、究和应用,中国航空制造业建立了专门细晶铸造设备,对高温合金细晶铸造工艺进行了较系统试验,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,在细晶铸造研究领域内取得了关键进展。1 细晶铸造特点和工艺方法1.1 细晶铸造特点 细晶铸造技术或工艺(FGCP)原理是经过控制一般熔模铸造工艺,强化合金形核机制,在铸造过程中使合金形成大量结晶关键,并阻止晶粒长大,从而取得平均晶粒尺寸小于1.6mm均匀、细小、各向同性等轴晶铸件,较经典细晶铸件晶粒度为美国家标准准ASTM02级。细晶铸造在使铸件晶粒细化同时,还使高温合金中初生碳化物和强化相尺寸减小,形态改善。所以,细晶铸造突出优点是大幅度地提升铸件在
4、中低温(760)条件下低周疲惫寿命,并显著减小铸件力学性能数据分散度,从而提升铸造零件设计容限。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,并使铸件含有良好热处理性能。 细晶铸造技术还可改善高温合金铸件机加工性能,减小螺孔和刀刃形锐利边缘等处产生加工裂纹潜在危险。所以该技术可使熔模铸件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。在航空发动机零件精铸生产中,使用细晶铸件替换一些锻件或用细晶铸造锭料来做锻坯已很常见。1.2 细晶铸造工艺方法 细晶铸造晶核增殖起源于合金液中已存在或外加固体形核基底成形关键作用,所以,细化晶粒关键是增加合金液中形核基底数量。现在增加形核基底数
5、量基础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。这也是细晶铸造三类基础工艺方法,如表1所表示。表1细晶铸造工艺方法类别热控法(Thermal Control Method)动力学法(Dynamic Method)化学法(Chemical Approach)工艺原理在静态铸型条件下,经过控制铸型温度,降低合金精炼温度和时间,使分散于熔液中作为形核基底碳化物保留下来,并较大幅度地降低浇注过热度,增大铸件冷却速度,以达成限制晶粒长大和细化晶粒目标在浇注和凝固过程中施加外力迫使合金液产生振动、搅动等运动,已凝固枝晶被破碎并使之遍布于整个熔液中,从而形成更多
6、有效晶核,并限制了晶粒长大。常见方法有:(1)通常方法:旋转铸型法、机械振动法、超声波振动法、电磁搅动法等;(2)Grainex法、Mould-Agitation法;(3)Microcast-X法经过向熔液中加入有效形核剂,形成大量非均匀质关键而使晶粒细化。经典如添加元素B、稀土元素、Ni-Al中间化合物等工艺参数铸型温度(t型)、浇注温度)t浇)及精炼温度(t精)等浇注温度(t铸)和铸型旋转振动参数(速度、频率)和铸型冷却速率等精炼温度(t精)、形核剂加入量及其加入制度等晶粒细化经典尺寸范围1.600.18mm0.360.07mm1.250.12mm优缺点工艺简单,但铸件轻易欠铸、晶粒度不均
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