1、新技術(shù)新工藝-細晶鑄造細晶鑄造 國外近二十年來集中力量發(fā)展了高溫合金定向鑄造和單晶鑄造技術(shù)，主要是為了提高航空發(fā)動機高壓渦輪葉片的高溫工作能力，從而增大發(fā)動機的推力，并延長其工作壽命。與此同時，航空發(fā)動機的惡劣工況對在中低溫條件下工作的低壓渦輪葉片、整體葉盤和渦輪機匣等高溫合金鑄件的低周疲勞壽命提出了更高要求。但是這類鑄件在普通熔模精鑄工藝生產(chǎn)條件下，一般為粗大的樹枝晶或柱狀晶，晶粒平均尺寸大于4mm，較典型的為49mm。由于晶粒粗大及組織、性能上的各向異性，很容易導(dǎo)致鑄件在使用過程中疲勞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，這對于鑄件的疲勞性能尤其是低周疲勞性能極為不利，并且造成鑄件力學(xué)性能數(shù)據(jù)過于分散，降低了

2、設(shè)計容限。隨著對發(fā)動機的整體壽命和性能要求的進一步提高，改善鑄件的中低溫疲勞性能及其他力學(xué)性能顯得十分重要。這便導(dǎo)致了細晶鑄造技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。 工業(yè)發(fā)達國家，尤其是美國和德國，早在20世紀70年代末就開展了高溫合金細晶鑄造技術(shù)的研究和應(yīng)用，在20世紀80年代中后期該項技術(shù)發(fā)展趨于成熟，目前正在航空、航天工業(yè)領(lǐng)域中擴大其應(yīng)用范圍，如美國Howmet公司利用細晶鑄造技術(shù)成功地制造了Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718等高溫合金整體渦輪，使渦輪的低周疲勞壽命提高了23倍。德國、法國在新型號航空發(fā)動機上也采用了細晶整體渦輪鑄件。國內(nèi)對高溫合金細晶鑄造技術(shù)的研究從20世紀80年代末開

3、始起步，經(jīng)過“八五”和“九五”期間的研究和應(yīng)用，我國航空制造業(yè)建立了專門的細晶鑄造設(shè)備，對高溫合金細晶鑄造工藝進行了較系統(tǒng)的試驗，研制了一批鎳基高溫合金細晶鑄件，并已應(yīng)用于航空發(fā)動機中，在細晶鑄造研究領(lǐng)域內(nèi)取得了重要的進展。1 細晶鑄造的特點和工藝方法1.1 細晶鑄造的特點 細晶鑄造技術(shù)或工藝（FGCP）的原理是通過控制普通熔模鑄造工藝，強化合金的形核機制，在鑄造過程中使合金形成大量結(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、細小、各向同性的等軸晶鑄件，較典型的細晶鑄件晶粒度為美國標準ASTM02級。細晶鑄造在使鑄件晶粒細化的同時，還使高溫合金中的初生碳化物和強化相尺寸

4、減小，形態(tài)改善。因此，細晶鑄造的突出優(yōu)點是大幅度地提高鑄件在中低溫（760）條件下的低周疲勞壽命，并顯著減小鑄件力學(xué)性能數(shù)據(jù)的分散度，從而提高鑄造零件的設(shè)計容限。同時該技術(shù)還在一定程度上改善鑄件抗拉性能和持久性能，并使鑄件具有良好的熱處理性能。 細晶鑄造技術(shù)還可改善高溫合金鑄件的機加工性能，減小螺孔和刀刃形銳利邊緣等處產(chǎn)生加工裂紋的潛在危險。因此該技術(shù)可使熔模鑄件的應(yīng)用范圍擴大到原先使用鍛件、厚板機加工零件和鍛鑄組合件等領(lǐng)域。在航空發(fā)動機零件的精鑄生產(chǎn)中，使用細晶鑄件代替某些鍛件或用細晶鑄造的錠料來做鍛坯已很常見。1.2 細晶鑄造的工藝方法 細晶鑄造晶核的增殖來源于合金液中已存在的或外加的固體

5、形核基底成形核心作用，因此，細化晶粒的關(guān)鍵是增加合金液中的形核基底的數(shù)量。目前增加形核基底的數(shù)量的基本方法大致可分為三大類：熱控法或改變鑄造參數(shù)法（VCP法）、動力學(xué)法（或機械法）和化學(xué)法。這也是細晶鑄造的三類基本工藝方法，如表1所示。表1  細晶鑄造的工藝方法類  別熱控法（Thermal Control Method)動力學(xué)法（Dynamic Method）化學(xué)法（Chemical Approach）工藝原理在靜態(tài)鑄型條件下，通過控制鑄型溫度，降低合金精煉溫度和時間，使分散于熔液中作為形核基底的碳化物保留下來，并較大幅度地降低澆注過熱度，增大鑄件冷卻

6、速度，以達到限制晶粒長大和細化晶粒的目的在澆注和凝固過程中施加外力迫使合金液產(chǎn)生振動、攪動等運動，已凝固的枝晶被破碎并使之遍布于整個熔液中，從而形成更多的有效晶核，并限制了晶粒的長大。常見的方法有：（1）一般方法：旋轉(zhuǎn)鑄型法、機械振動法、超聲波振動法、電磁攪動法等；（2）Grainex法、Mould-Agitation法；（3）Microcast-X法通過向熔液中加入有效形核劑，形成大量的非均勻質(zhì)核心而使晶粒細化。典型的如添加元素B、稀土元素、Ni-Al中間化合物等工藝參數(shù)鑄型溫度(t型)、澆注溫度)t澆)及精煉溫度(t精)等澆注溫度(t鑄)和鑄型旋轉(zhuǎn)振動參數(shù)(速度、頻率)以及鑄型冷卻速率等精

7、煉溫度(t精)、形核劑加入量及其加入制度等晶粒細化典型尺寸范圍1.600.18mm0.360.07mm1.250.12mm優(yōu)缺點工藝簡單，但鑄件容易欠鑄、晶粒度不均勻晶粒度均勻、合金純凈度高、成形能力好，但需要建立專用的細晶鑄造設(shè)備工藝簡單，但容易引進雜質(zhì)、改變合金成分適用范圍形狀簡單的小尺寸鑄件回轉(zhuǎn)體和厚大截面鑄件形狀簡單的小尺寸鑄件    近年來美國Howmet公司研制和發(fā)展的Grainex（簡稱GX法）和icrocast-X(簡稱法)細晶工藝代表著國際先進水平的細晶鑄造工藝方法，目前已投入生產(chǎn)應(yīng)用。圖1為GX、MX法的晶粒細化典型尺寸范圍。圖1&#

8、160; MX、GX法的晶粒細化尺寸范圍    其中GX法以動力學(xué)法為基礎(chǔ)，是高溫合金細晶鑄造第一代動力學(xué)法工藝，它采用較高的過熱溫度，在合金凝固過程中打碎已凝固的枝晶骨架成為結(jié)晶核心，從而細化鑄件晶粒。與熱控法相比，GX法澆注過熱度較大，因而使鑄件薄壁部分容易成形，所獲得的鑄件純凈度高，晶粒度細小而均勻，通常能達到ASTM0級。但晶粒形態(tài)仍保留著輕微的樹枝狀，其缺點是不能全面改善鑄件的晶粒形態(tài)，僅使厚截面部位晶粒細化。這種方法適用于鑄造葉盤和其他一些回轉(zhuǎn)體鑄件以及截面厚大的細晶鑄件。MX法是Howmet公司開發(fā)的第二代動力學(xué)法細晶鑄造工藝，其

9、特點是將機械擾動與快速凝固相結(jié)合以獲得晶粒更加細小的晶胞組織，用此法鑄造的鑄件晶粒度能達ASTM35級或更細，可與變形高溫合金零件的晶粒度相媲美，因而能以比GX法更大的幅度提高鑄件的力學(xué)性能。直到目前為止，該工藝仍屬不公開的專利。但從有關(guān)資料分析，其工藝要點主要包括：合金精煉后靜止降溫，使?jié)沧⑦^熱度保持在20以內(nèi)。澆注時對合金液進行機械或電磁感應(yīng)擾動，使合金液成細小的液滴流注入預(yù)熱鑄型的型腔。在鑄型內(nèi)擾動合金液并提高鑄型對合金液的冷卻強度，使鑄件在整個截面上都能生成均勻、細小、非枝晶的晶胞組織。MX法現(xiàn)主要用于生產(chǎn)鎳基高溫合金的熔模鑄件、鑄錠和可鍛坯件。   &#

10、160;在20世紀90年代中期國內(nèi)研究和開發(fā)了屬于動力學(xué)法范疇的細晶鑄造工藝鑄型攪動法（Mould-Agitation法），簡稱MA法，并建立了ZGX-25型細晶鑄造真空感應(yīng)爐。利用該設(shè)備可鑄造出外形尺寸達300mm、重量達50kg的細晶鑄件。在該設(shè)備上不但能用化學(xué)法和熱控法鑄造細晶葉片、細晶整體結(jié)構(gòu)件，而且還可用鑄型攪動法生產(chǎn)出純凈度較高的細晶整體葉盤、渦輪等回轉(zhuǎn)體鑄件。其工藝原理與GX法相近，如圖2所示。圖2  MA法工藝原理示意圖ZGX-25型細晶鑄造爐具有預(yù)熱鑄型的加熱器，并有能使鑄型單向/雙向旋轉(zhuǎn)功能的機構(gòu)。鑄型攪動法（MA法）細化鑄件晶?；谠谀踢^程中對枝晶破

11、碎、增殖形核質(zhì)點的原理。具體工藝步驟為：將模殼裝卡在專用的鑄型系統(tǒng)中，并預(yù)熱至規(guī)定的型殼溫度。在對合金熔液精煉干凈后，調(diào)整好澆注溫度，然后澆入型殼中，靜止一段時間后，鑄型雙向攪動，直到凝固完畢。 在金屬液凝固過程中，通過鑄型攪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)生細小、均勻和等軸的晶粒。此外，鑄型中心到鑄型壁的熱梯度得到降低，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。 鑄型攪動法主要控制的攪動參數(shù)為：澆注后合金液在鑄型內(nèi)的靜止時間靜；正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的時間正反；正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)之間換向時間換；正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速v正反；雙向轉(zhuǎn)動的總時間

12、為總。實驗中通過變化合金的澆注過熱溫度t澆及攪動參數(shù)來得到不同的晶粒度。 鑄型攪動工藝的優(yōu)點在于采用比熱控法細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。相比之下，傳統(tǒng)的熱控法細晶鑄造工藝和硼化物沉淀工藝主要依賴于很低的澆注溫度，因而導(dǎo)致了非金屬夾雜物的誘入。 2 細晶鑄造舉例 采用鑄型攪動法細晶鑄造生產(chǎn)了某航空發(fā)動機上在中溫條件（470750）下使用的整體渦輪。該整體渦輪直徑為147mm，鑄件毛重10.5kg，用K418B鎳基高溫合金鑄造，其主要化學(xué)成分見表2。 熔模型殼用硅酸乙酯-剛玉砂制殼工藝制成。合金的熔煉和澆注在自制的ZGX-25型細晶鑄造真空感應(yīng)爐內(nèi)進行。鑄型在爐內(nèi)

13、可雙向旋轉(zhuǎn)，對注入型腔內(nèi)的合金液體施加雙向攪動作用。細晶鑄造的工藝參數(shù)見表3。表2  K418B合金主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）CCrMoTiAlZrBNi0.04512.344.370.795.830.0600.011余量表3  K418B合金整體渦輪的細晶鑄造工藝參數(shù)鑄型溫度t型  /澆注過熱度t澆 /攪動參數(shù)靜 / s正反 / s換 / sv正反 / rmin-1總 / min90010006080453521005 細晶渦輪經(jīng)過熱等靜壓（HIP）和熱處理。熱等靜壓工藝為：1200/150MPa/4h；熱處理工藝為:1180，2h，空冷+930，16h，空冷。在熱處理