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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4~9mm。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2~3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ASTM0~2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γ＇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
1.60～0.18mm
0.36～0.07mm
1.25～0.12mm
优缺点
工艺简单，但铸件轻易欠铸、晶粒度不均匀
晶粒度均匀、合金纯净度高、成形能力好，但需要建立专用细晶铸造设备
工艺简单，但轻易引进杂质、改变合金成份
适用范围
形状简单小尺寸铸件
回转体和厚大截面铸件
形状简单小尺寸铸件
    多年来美国Howmet企业研制和发展Grainex（简称GX法）和Ｍicrocast-X(简称ＭＸ法)细晶工艺代表着国际优异水平细晶铸造工艺方法，现在已投入生产应用。图1为GX、MX法晶粒细化经典尺寸范围。

图1  MX、GX法晶粒细化尺寸范围
    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，它采取较高过热温度，在合金凝固过程中打坏已凝固枝晶骨架成为结晶关键，从而细化铸件晶粒。和热控法相比，GX法浇注过热度较大，所以使铸件薄壁部分轻易成形，所取得铸件纯净度高，晶粒度细小而均匀，通常能达成ASTM0～２级。但晶粒形态仍保留着轻微树枝状，其缺点是不能全方面改善铸件晶粒形态，仅使厚截面部位晶粒细化。这种方法适适用于铸造叶盘和其它部分回转体铸件和截面厚大细晶铸件。MX法是Howmet企业开发第二代动力学法细晶铸造工艺，其特点是将机械扰动和快速凝固相结合以取得晶粒愈加细小晶胞组织，用此法铸造铸件晶粒度能达ASTM3~5级或更细，可和变形高温合金零件晶粒度相媲美，所以能以比GX法更大幅度提升铸件力学性能。直到现在为止，该工艺仍属不公开专利。但从相关资料分析，其工艺关键点关键包含：①合金精炼后静止降温，使浇注过热度保持在20℃以内。②浇注时对合金液进行机械或电磁感应扰动，使合金液成细小液滴流注入预热铸型型腔。③在铸型内扰动合金液并提升铸型对合金液冷却强度，使铸件在整个截面上全部能生成均匀、细小、非枝晶晶胞组织。MX法现关键用于生产镍基高温合金熔模铸件、铸锭和可锻坯件。
    在20世纪90年代中期中国研究和开发了属于动力学法范围细晶铸造工艺——铸型搅动法（Mould-Agitation法），简称MA法，并建立了ZGX-25型细晶铸造真空感应炉。利用该设备可铸造出外形尺寸达300mm、重量达50kg细晶铸件。在该设备上不仅能用化学法和热控法铸造细晶叶片、细晶整体结构件，而且还可用铸型搅动法生产出纯净度较高细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件。其工艺原理和GX法相近，图2所表示。

图2  MA法工艺原理示意图
ZGX-25型细晶铸造炉含有预热铸型加热器，并有能使铸型单向/双向旋转功效机构。铸型搅动法（MA法）细化铸件晶粒基于在凝固过程中对枝晶破碎、增殖形核质点原理。具体工艺步骤为：将模壳装卡在专用铸型系统中，并预热至要求型壳温度。在对合金熔液精炼洁净后，调整好浇注温度，然后浇入型壳中，静止一段时间后，铸型双向搅动，直到凝固完成。
在金属液凝固过程中，经过铸型搅动使铸型壁上最初形成枝晶被破碎，破碎枝晶分布于整个合金液中，所以发明了有效形核关键，造成铸件产生细小、均匀和等轴晶粒。另外，铸型中心到铸型壁热梯度得到降低，所以不管铸件截面厚度怎样改变，全部能取得较均匀等轴晶。
铸型搅动法关键控制搅动参数为：浇注后合金液在铸型内静止时间τ静；正转/反转时间τ正反；正转反转之间换向时间τ换；正转/反转转速v正反；双向转动总时间为τ总。试验中经过改变合金浇注过热温度Δt浇及搅动参数来得到不一样晶粒度。
铸型搅动工艺优点在于采取比热控法细晶工艺高得多浇注温度，所以铸件纯净度高，薄壁部位轻易成形。相比之下，传统热控法细晶铸造工艺和硼化物沉淀工艺关键依靠于很低浇注温度，所以造成了非金属夹杂物诱入。

2 细晶铸造举例

采取铸型搅动法细晶铸造生产了某航空发动机上在中温条件（470~750℃）下使用整体涡轮。该整体涡轮直径为147mm，铸件毛重10.5kg，用K418B镍基高温合金铸造，其关键化学成份见表2。
熔模型壳用硅酸乙酯-刚玉砂制壳工艺制成。合金熔炼和浇注在自制ZGX-25型细晶铸造真空感应炉内进行。铸型在炉内可双向旋转，对注入型腔内合金液体施加双向搅动作用。细晶铸造工艺参数见表3。
表2  K418B合金关键化学成份（质量分数，%）
C
Cr
Mo
Ti
Al
Zr
B
Ni
0.045
12.34
4.37
0.79
5.83
0.060
0.011
余量
表3  K418B合金整体涡轮细晶铸造工艺参数
铸型温度t型  /℃
浇注过热度Δt浇 /℃
搅动参数
τ静 / s
τ正反 / s
τ换 / s
v正反 / r﹒min-1
τ总 / min
900~1000
60~80
45
3~5
2
100
5
细晶涡轮经过热等静压（HIP）和热处理。热等静压工艺为：1200℃/150MPa/4h；热处理工艺为:1180℃，2h，空冷+930℃，16h，空冷。在热处理后涡轮轮毂部位沿轴向切取性能试棒，测定室温和高温抗拉性能、高温持久性能和低周疲惫性能。低周疲惫试验在美国MTS-809电液伺服闭环回路疲惫试验机上进行。为了便于比较，从K418B合金一般铸造涡轮上切取试棒，其处理工艺、测试条件和细晶涡轮相同。

1．细晶铸造对铸件晶粒度形态及显微组织改善 在上述细晶铸造工艺条件下，所取得K418B合金细晶涡轮各部位晶粒度列于表4。它和一般铸造条件下涡轮晶粒度对比示于图3。