新技术新工艺-细晶铸造

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，主要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。但是这类铸件在普通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4~9mm。由于晶粒粗大及组织、性能上的各向异性，很容易导致铸件在使用过程中疲劳裂纹的产生和发展，这对于铸件的疲劳性能尤其是低周疲劳性能极为不利，并且造成铸件力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的研究和应用，在20世纪80年代中后期该项技术发展趋于成熟，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2~3倍。德国、法国在新型号航空发动机上也采用了细晶整体涡轮铸件。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，经过“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）的原理是通过控制普通熔模铸造工艺，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ASTM0~2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γ＇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来做锻坯已很常见。

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基本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基本工艺方法，如表1所示。

表1 细晶铸造的工艺方法

以达到限制晶粒长大和细化晶粒的

目的一般方法：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

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)以及铸型冷却速率等

精炼温度(t精)、形核剂加入量

及其加入制度等

晶粒细化典型

尺寸范围

1.60～0.18mm 0.36～0.07mm 1.25～0.12mm

优缺点工艺简单，但铸件容易欠铸、晶粒

度不均匀

晶粒度均匀、合金纯净度高、成形能

力好，但需要建立专用的细晶铸造设

备

工艺简单，但容易引进杂质、

改变合金成分

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公司研制和发展的Grainex（简称GX法）和Ｍicrocast-X(简称ＭＸ法)细晶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。

图1 MX、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，它采用较高的过热温度，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ASTM0～２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ASTM3~5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。但从有关资料分析，其工艺要点主要包括：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，使合金液成细小的液滴流注入预热铸型的型腔。③在铸型内扰动合金液并提高铸型对合金液的冷却强度，使铸件在整个截面上都能生成均匀、细小、非枝晶的晶胞组织。MX法现主要用于生产镍基高温合金的熔模铸件、铸锭和可锻坯件。

在20世纪90年代中期国内研究和开发了属于动力学法范畴的细晶铸造工艺——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的细晶铸件。在该设备上不但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的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件。其工艺原理与GX法相近，如图2所示。

图2 MA法工艺原理示意图

ZGX-25型细晶铸造炉具有预热铸型的加热器，并有能使铸型单向/双向旋转功能的机构。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、增殖形核质点的原理。具体工艺步骤为：将模壳装卡在专用的铸型系统中，并预热至规定的型壳温度。在对合金熔液精炼干净后，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，直到凝固完毕。

在金属液凝固过程中，通过铸型搅动使铸型壁上最初形成的枝晶被破碎，破碎的枝

晶分布于整个合金液中，因而创造了有效的形核核心，导致铸件产生细小、均匀和等轴的晶粒。此外，铸型中心到铸型壁的热梯度得到降低，因此不管铸件截面厚度如何变化，都能获得较均匀的等轴晶。

铸型搅动法主要控制的搅动参数为：浇注后合金液在铸型内的静止时间τ静；正转/反转的时间τ正反；正转反转之间换向时间τ换；正转/反转的转速v正反；双向转动的总时间为τ总。实验中通过变化合金的浇注过热温度Δt浇及搅动参数来得到不同的晶粒度。

铸型搅动工艺的优点在于采用比热控法细晶工艺高得多的浇注温度，因而铸件纯净度高，薄壁部位容易成形。相比之下，传统的热控法细晶铸造工艺和硼化物沉淀工艺主要依赖于很低的浇注温度，因而导致了非金属夹杂物的诱入。

2 细晶铸造举例

采用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℃）下使用的整体涡轮。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，其主要化学成分见表2。

熔模型壳用硅酸乙酯-刚玉砂制壳工艺制成。合金的熔炼和浇注在自制的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，对注入型腔内的合金液体施加双向搅动作用。细晶铸造的工艺参数见表3。

表2 K418B合金主要化学成分（质量分数，%）

表3 K418B合金整体涡轮的细晶铸造工艺参数

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。在热处理后涡轮的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劳性能。低周疲劳试验在美国MTS-809电液伺服闭环回路疲劳试验机上进行。为了便于比较，从K418B合金普通铸造涡轮上切取试棒，其处理工艺、测试条件与细晶涡轮相同。

1．细晶铸造对铸件晶粒度形态及显微组织的改善在上述细晶铸造工艺条件下，所获得的K418B合金细晶涡轮各部位晶粒度列于表4。它与普通铸造条件下的涡轮晶粒度对比示于图3。