一種整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法
【專利摘要】本發明涉及向心葉輪鑄件領域，具體為一種合金整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法。在鑄件凝固過程中施加旋轉磁場，電磁場可穿透金屬液，與金屬液間產生相對運動，使得金屬液內的磁通量發生變化，相當于磁場以一定的速度切割金屬液，使其內部產生感應電流。這種感應電流又與感應器產生的磁場相互作用產生電磁力，作用于金屬液的每個體積元上，從而驅動金屬液的旋轉運動。在鑄件冷卻凝固過程中，施加雙向旋轉電磁場，有效的均勻化合金微觀組織，細化晶粒，使向心葉輪鑄件整體晶粒度達到均勻、一致，同時可以減少合金鑄件內的成分偏析和疏松等冶金缺陷，解決機械振動法和鑄型旋轉法中容易產生鑄造裂紋等問題，可有效改善向心葉輪鑄件整體晶粒度。
【專利說明】一種整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及向心葉輪鑄件領域，具體為一種合金整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，該方法可有效改善向心葉輪鑄件整體晶粒度。
【背景技術】
[0002]向心葉輪鑄件主要用于發動機或是其輔助動力裝置中，通常在工作環境中承受較大的離心力和氣動力，對鑄件的性能和質量要求較高，一般具有尺寸大、結構復雜、壁厚不均勻等特點。通過晶粒細化技術，可有效改善葉輪鑄件的中溫持久強度和抗疲勞性能，但在整體細晶鑄造時，極易出現晶粒分布不均勻、裂紋、縮孔等缺陷；向心葉輪葉尖是薄壁結構，極易變形，整體細晶鑄造技術難度大。
[0003]細晶鑄造技術是通過控制普通熔模鑄造工藝，強化合金的形核機制，在鑄造過程中是合金形成大量結晶核心，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，較典型的細晶鑄造晶粒度為美國標準ASTMO?2級。細晶鑄造在晶粒細化同時，尤其細化合金中的初生碳化物和Y '強化相，并改善其形態及其分布，進而改善合金性能。因此，細晶鑄造的突出優點是大幅提高鑄件在中低溫(< 760°C)條件下的低周疲勞性能，顯著減小鑄件力學性能數據的分散度，從而提高鑄件的設計容限。同時，該技術還在一定程度上改善鑄件的抗拉性能和持久性能，并使鑄件具有良好的熱處理性能。細晶鑄造技術還可以改善合金鑄件的機械加工性能，減小螺孔和刀形銳利邊緣等處產生加工裂紋的潛在危險。因此，整體細晶鑄造工藝技術已成為中溫及以下使用的零部件制造技術關鍵。
[0004]工業發達國家，尤其是美國和德國，早在20世紀70年代末就開始了細晶鑄造技術的研究和應用，20世紀80年代中后期趨于成熟，目前該技術已在航空、航天等領域廣泛應用。如美國Howmet公司利用細晶鑄造技術成功的制造了 IN792M0D5A、Mar_M247、IN713C、IN718等合金整體渦輪，使渦輪的低周疲勞壽命提高了 2?3倍。德國、法國在新型號航空發動機上也采用了細晶整體渦輪鑄件。
[0005]國內對細晶鑄造技術研究從20世紀80年代末開始起步，經過“八五”和“九五”期間的研究和應用，對合金細晶鑄造工藝進行了較系統的研究，但在航空發動機中應用尚不廣泛，尤其對作為轉動件的整體向心葉輪的細晶鑄造工藝還未進行過研究。

【發明內容】

[0006]為了克服現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種在磁場作用下的細晶鑄造工藝來制備整體細晶向心葉輪鑄件的方法，解決向心葉輪葉尖的薄壁結構易產生欠鑄，整體細晶鑄造技術難度大，在機械振動法和鑄型旋轉法中容易產生鑄造裂紋等問題。
[0007]本發明的技術方案是:
[0008]一種整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0009](I)合金熔煉:按照合金的化學成分和配比配料，采用真空感應爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應細晶鑄造爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3?7分鐘，然后降溫至澆鑄溫度，爐內真空度為0.1?5Pa ;
[0010](2)澆鑄過程:經步驟(I)處理后的合金進行澆鑄，獲得整體向心葉輪鑄件，澆鑄溫度 1380 ?1450°C ；
[0011](3)細化過程:整體細晶向心葉輪鑄件晶粒度控制工藝為，將步驟(2)的向心葉輪置于雙向旋轉電磁場中，靜置時間8秒?30秒后，施加150A?300A，3Hz?15Hz的雙向旋轉電磁場；待鑄件完全凝固后，停止攪拌，獲得整體細晶向心葉輪鑄件。
[0012]所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，雙向旋轉電磁場中的正、反相磁場旋轉時間20?40秒，換向時間2?8秒。
[0013]所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，制得的整體細晶向心葉輪鑄件按使用要求不同，進行后續的熱處理:
[0014]熱處理制度:①11850C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫；(D 1121°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫843°C 土 10°C保溫20?30小時，爐冷或空冷至室溫。
[0015]步驟(2)澆鑄過程中，采用Al2O3制備陶瓷型殼，澆鑄近成型合金鑄件。
[0016]步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在850°C以上預熱3?5小時。
[0017]真空感應爐用的冶煉坩堝選用MgO坩堝，真空感應爐用的測溫系統為W — Re電偶，測溫保護套管為外層涂覆ZrO2或CeO和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。
[0018]按重量百分含量計，向心葉輪鑄件的化學成分為:C:0.05?0.1% ；Cr:11.5?13.5% ；Co:8 ?10% ;Mo:1 ?3% ；ff:3 ?5% ；Ta:3.3 ?5.2% ；A1:3 ?4% ；T1:3.4 ?4.8% ；B:0.01 ?0.02% ；Zr:0.01 ?0.05% ；N1:余量。
[0019]本發明設計原理如下:
[0020]本發明在整體向心葉輪的制備中采用了一種在磁場作用下的細晶鑄造工藝，在鑄件冷卻凝固過程中，施加雙向旋轉電磁場，有效的均勻化合金微觀組織，細化晶粒，使向心葉輪鑄件整體晶粒度達到均勻、一致，同時可以減少合金鑄件內的成分偏析和疏松等冶金缺陷。
[0021]在鑄件凝固過程中施加旋轉磁場，電磁場可穿透金屬液，與金屬液間產生相對運動，使得金屬液內的磁通量發生變化，相當于磁場以一定的速度切割金屬液，使其內部產生感應電流。這種感應電流又與感應器產生的磁場相互作用產生電磁力，作用于金屬液的每個體積元上，從而驅動金屬液的旋轉運動。合金鑄件在凝固過程中，固液界面前沿這種熔體相對于固相產生的強力流動，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，因而創造了有效的形核核心，導致鑄件產生細小、均勻和等軸的晶粒。此外，金屬液的強力流動還能加速液穴的傳熱和傳質過程，使鑄型中心到鑄型壁的熱梯度得到降低，固液界面前沿過冷度增加，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。
[0022]本發明優點在于: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。同時，旋轉磁場僅驅動液態金屬在固液界面產生相對流動，減小了合金中內應力的生成，解決了在機械振動法和鑄型旋轉法中容易產生鑄造裂紋的問題。
[0023]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
[0024]1、鑄件整體晶粒度一致:向心葉輪葉片薄壁部位、輪轂部位以及輪軸中心粗大部位的晶粒度均勻、一致。[0025]2、合金組織改善:合金中碳化物相及Y'析出相尺寸細小、分布均勻、形狀規則。
[0026]3、合金性能提高:大幅提高鑄件在中低溫條件下的低周疲勞性能。
[0027]4、鑄造性能好:鑄件成形性好，不發生鑄造裂紋。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1 (a)_圖1 (b)是本發明的向心葉輪鑄件晶粒度示意圖；其中，圖1 (a)鑄件葉盆部表面晶粒度；圖1 (b)鑄件中心內部晶粒度。
[0029]圖2 Ca)-圖2 (b)是本發明的向心葉輪鑄件內部疏松示意圖。其中，圖2 (a)熱控法制備鑄件中的縮孔；圖2 (b)本發明鑄件中偶有顯微疏松。
[0030]圖3 Ca)-圖3 (b)是本發明的向心葉輪鑄件表面缺陷示意圖。其中，圖3 (a)鑄型旋轉法易產生微裂紋；圖3 (b)本發明鑄件表面無缺陷。
[0031]圖4 (a)_圖4 (b)是采用本發明制備的鑄件組織形態示意圖；其中，圖4 (a)細小均勻的Y '強化相；圖4 (b)細小彌散的碳化物相。
【具體實施方式】
[0032]本發明合金整體細晶向心葉輪的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0033](I)合金熔煉:按照合金的化學成分和配比配料，采用真空感應爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應細晶鑄造爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3?7分鐘，然后降溫至澆鑄溫度，爐內真空度為0.1?5Pa ;
[0034](2)澆鑄過程:經步驟(I)處理后的合金進行澆鑄，獲得整體向心葉輪鑄件，澆鑄溫度 1380 ?1450°C ；
[0035](3)細化過程:整體細晶向心葉輪鑄件晶粒度控制工藝為，將步驟(2)的向心葉輪置于雙向旋轉電磁場中，靜置時間8秒?30秒后，施加150A?300A，3Hz?15Hz的雙向旋轉電磁場。待鑄件完全凝固后，停止攪拌，獲得整體細晶向心葉輪鑄件。其中，雙向旋轉電磁場中的正、反相磁場旋轉時間20?40秒,換向時間2?8秒。
[0036]制得的整體細晶向心葉輪鑄件按使用要求不同，需要進行后續的熱處理:
[0037]熱處理制度:①11850C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫；(D 1121°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫843°C 土 10°C保溫20?30小時，爐冷或空冷至室溫。本發明中，整體細晶向心葉輪鑄件的合金性能范圍如下:
[0038](I)室溫下，抗拉強度1100?1200MPa，屈服強度900?lOOOMPa，斷裂延伸率大于
5%，斷面收縮率大于5%。
[0039](2)760°C下，抗拉強度1050?1120MPa，屈服強度850?950MPa，斷裂延伸率大于
5%，斷面收縮率大于5%。
[0040]步驟(2)澆鑄過程中，采用Al2O3制備陶瓷型殼，澆鑄近成型合金鑄件。
[0041]步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在850°C?1100°C預熱3?5小時。
[0042]真空感應爐用的冶煉坩堝選用MgO坩堝，真空感應爐用的測溫系統為W — Re電偶，測溫保護套管為外層依次涂覆ZrO2 (或CeO)和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。
[0043]按重量百分含量計，本發明向心葉輪鑄件的化學成分為:C:0.05?0.1% ；Cr:
11.5 ?13.5% ；Co:8 ?10% ;Mo:1 ?3% ；ff:3 ?5% ；Ta:3.3 ?5.2% ；A1:3 ?4% ；T1:3.4 ?4.8% ；B:0.01 ~0.02% ；Zr:0.01 ~0.05% ；N1:余量。
[0044]下面結合附圖及實施例進一步詳述本發明。
[0045]實施例1
[0046]采用真空感應細晶鑄造爐熔煉母合金，澆鑄整體細晶向心葉輪。精煉溫度為1550°C，精煉時間為3分鐘，真空度是0.1Pa，澆注溫度為1450°C。
[0047]澆鑄后的整體細晶向心葉輪置于雙向交替旋轉的磁場中，靜置20秒后，施加220A，5Hz的磁場，正、反相磁場旋轉時間30秒，換向時間5秒，待鑄件完全凝固后，停止攪拌。本實施例合金成分見表1。
[0048]表1整體細晶相心葉輪成分(wt%)
【權利要求】
1.一種整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)合金熔煉:按照合金的化學成分和配比配料，采用真空感應爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應細晶鑄造爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3?7分鐘，然后降溫至澆鑄溫度，爐內真空度為0.1?5Pa ; (2)澆鑄過程:經步驟(I)處理后的合金進行澆鑄，獲得整體向心葉輪鑄件，澆鑄溫度1380 ?1450°C ； (3)細化過程:整體細晶向心葉輪鑄件晶粒度控制工藝為，將步驟(2)的向心葉輪置于雙向旋轉電磁場中，靜置時間8秒?30秒后，施加150A?300A，3Hz?15Hz的雙向旋轉電磁場；待鑄件完全凝固后，停止攪拌，獲得整體細晶向心葉輪鑄件。
2.按照權利要求1所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，雙向旋轉電磁場中的正、反相磁場旋轉時間20?40秒,換向時間2?8秒。
3.按照權利要求1所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，制得的整體細晶向心葉輪鑄件按使用要求不同，進行后續的熱處理: 熱處理制度:①1185°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫；@1121°C ±10°C保溫I?3小時，空冷至室溫843°C 土 10°C保溫20?30小時，爐冷或空冷至室溫。
4.按照權利要求1所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(2)澆鑄過程中，采用Al2O3制備陶瓷型殼，澆鑄近成型合金鑄件。
5.按照權利要求1所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，步驟(2)澆鑄前，澆鑄的模殼在850°C以上預熱3?5小時。
6.按照權利要求1所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，真空感應爐用的冶煉坩堝選用MgO坩堝，真空感應爐用的測溫系統為W — Re電偶，測溫保護套管為外層涂覆ZrO2或CeO和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。
7.按照權利要求1所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，按重量百分含量計，向心葉輪鑄件的化學成分為:c:0.05?0.1% ；Cr:11.5?13.5% ；Co:8?10% ；Mo:1 ?3% ；ff:3 ?5% ；Ta:3.3 ?5.2% ；A1:3 ?4% ；T1:3.4 ?4.8% ；B:0.01 ?0.02% ；Zr:0.01 ?0.05% ；N1:余量。
【文檔編號】B22D27/02GK103817313SQ201410062854
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月24日 優先權日:2014年2月24日
【發明者】韋華, 張洪宇, 鄭啟, 吳多利, 金濤, 孫曉峰 申請人:中國科學院金屬研究所