控制鎳基高溫合金臺(tái)階狀鑄件雜晶缺陷的定向凝固方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高溫合金鑄件的定向凝固技術(shù)，具體是一種控制高溫合金臺(tái)階狀鑄件 雜晶缺陷的定向凝固方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫合金具有良好的高溫力學(xué)性能，主要應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及工業(yè)燃?xì)鈾C(jī)中高 溫部件的制造。而渦輪葉片等是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的最核心部件，隨著對飛機(jī)發(fā) 動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)鈾C(jī)更大動(dòng)力的需求，要求其葉片等必須在更高溫度、更大壓力下工作，這就 需要將高溫合金通過定向凝固的方法制造成具有定向晶組織或單晶組織的渦輪葉片或其 它鑄件，并且對凝固組織的缺陷進(jìn)行嚴(yán)格的控制，對雜晶缺陷必須控制到很低的水平，甚至 完全消除。由于高溫合金葉片等鑄件形狀復(fù)雜，或形狀復(fù)雜并且尺寸大，常常導(dǎo)致鑄件在 截面尺寸變化的區(qū)域溫度場發(fā)生突然的、大幅度的變化，使傳熱過程很不均勻，并由此引起 凝固的界面形狀不平以及溫度梯度下降，使該區(qū)域容易出現(xiàn)雜晶這類凝固缺陷。
[0003] 目前高溫合金定向晶葉片或單晶葉片等鑄件主要通過在具有足夠高的高溫強(qiáng)度 的陶瓷型殼中通過Bridgman定向凝固的方式進(jìn)行制造。這種制造工藝所需要的陶瓷型殼 采用單一的型殼材料。在鑄件截面尺寸變化大的區(qū)域，傳統(tǒng)的、單一材料的型殼，由于其恒 定的導(dǎo)熱率，無法與截面幾何形狀的變化相匹配，導(dǎo)致鑄件散熱在不同部位不均勻。在復(fù)雜 幾何形狀鑄件的定向凝固過程中，當(dāng)凝固界面推進(jìn)到截面突增的區(qū)域后，大截面的外拐角 部位等區(qū)域散熱速度很快，形成大的過冷度，使凝固界面前沿會(huì)形成新的結(jié)晶核心，該結(jié) 晶核心進(jìn)一步長大并阻止原來柱狀晶或單晶的繼續(xù)生長，從而形成雜晶缺陷。
[0004] 總之，雜晶缺陷的形成過程中，型殼與鑄件的形狀之間在有些局部不匹配導(dǎo)致導(dǎo) 熱的不均勻起到了非常重要的作用，這是問題的癥結(jié)所在。目前的這種定向凝固技術(shù)容易 形成雜晶缺陷。雜晶這類缺陷破壞了凝固組織的定向性和單晶組織的完整性，形成了新的 晶界缺陷，從而會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)或燃汽輪機(jī)葉片等鑄件的使用壽命大幅降低，或者報(bào)廢。目 前包括雜晶在內(nèi)的凝固缺陷是高溫合金定向晶或單晶鑄件不合格率高居不下的主要原因。 如，國際上幾大公司GeneralElectric、Alstom、Siemens、Mitsubish生產(chǎn)的禍輪定向晶及 單晶葉片的不合格率達(dá)20-30%，而國內(nèi)的不合格率則高達(dá)60-70%。如果能找到一些新的 方法，充分控制定向凝固過程的散熱速度和其幾何形狀變化之間的協(xié)調(diào)性，使其凝固過程 散熱更加均勻，則可以減少雜晶，甚至消除雜晶，從而使定向凝固的葉片等鑄件的不合格率 顯著減少。而且通過檢索國內(nèi)外的專利文獻(xiàn)和論文數(shù)據(jù)庫可知，目前國內(nèi)外尚未見到通過 調(diào)控局部型殼導(dǎo)熱率的定向凝固方法來控制雜晶缺陷的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的由于型殼與鑄件的形狀之間在有些局部不匹配導(dǎo)致導(dǎo) 熱的不均勻?qū)е妈T件的雜晶缺陷的不足，本發(fā)明提出了一種控制鎳基高溫合金臺(tái)階狀鑄件 雜晶缺陷的定向凝固方法。
[0006] 本發(fā)明具體過程是：
[0007] 步驟1，確定界面前沿過冷度較大的部位；通過Procast鑄造軟件對臺(tái)階狀鑄件的 定向凝固全過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。具體過程是：
[0008] 第一步，生成鑄件的網(wǎng)格。采用常規(guī)方法進(jìn)行鑄件的網(wǎng)格劃分，得到該鑄件的網(wǎng)格 模型。檢查所述鑄件的網(wǎng)格中可能存在的錯(cuò)誤；所述的錯(cuò)誤包括負(fù)體積和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)交叉； 若發(fā)生所述錯(cuò)誤，則重新進(jìn)行鑄件的網(wǎng)格劃分；若無錯(cuò)誤則進(jìn)行第二步；
[0009] 第二步，生成扣箱的網(wǎng)格。在制作扣箱時(shí)，采用常規(guī)方法進(jìn)行扣箱的網(wǎng)格劃分，得 到該扣箱的網(wǎng)格模型。檢查所述扣箱的網(wǎng)格中可能存在的錯(cuò)誤；所述的錯(cuò)誤包括負(fù)體積和 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)交叉；若發(fā)生所述錯(cuò)誤，則重新進(jìn)行扣箱的網(wǎng)格劃分；若無錯(cuò)誤則進(jìn)行第三步；
[0010] 第三步，向Procast軟件中輸入鑄件和型殼的物性參數(shù)，所述的物性參數(shù)是通過 常規(guī)方法得到的該鑄件在不同溫度下的導(dǎo)熱率、粘度、密度，以及型殼在不同溫度下的導(dǎo)熱 率。
[0011] 第四步，確定定向凝固過程中的邊界條件。所述的邊界條件包括型殼與鑄件的傳 熱系數(shù)和扣箱的發(fā)射率。所述的傳熱系數(shù)的值，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，該鑄件與型殼界面 兩側(cè)空氣溫差為rc時(shí)，Is內(nèi)通過Im2面積傳遞的熱量，該傳熱系數(shù)的單位是W/m2 ? °C。
[0012] 第五步，設(shè)定扣箱的移動(dòng)速率和定向凝固過程的初始條件。所述扣箱上不同區(qū)域 為該扣箱分別與定向凝固爐的加熱區(qū)、隔熱板區(qū)和冷卻區(qū)對應(yīng)的部位。所述扣箱的移動(dòng)速 率與抽拉系統(tǒng)的抽拉速率相同。
[0013] 第六步，確定界面前沿過冷度較大的部位。所述在確定界面前沿過冷度較大部位 時(shí)，通過求解N-S方程得到定向凝固過程中固液界面形貌的變化，并根據(jù)所述定向凝固過 程中固液界面形貌的變化確定界面前沿過冷度較大的部位。
[0014] 步驟2,壓型的制作；根據(jù)設(shè)計(jì)的臺(tái)階狀鑄件的幾何尺寸制造壓型；
[0015] 步驟3,蠟?zāi)５闹谱鳎粚⒛Ａ献⑷雺盒蛢?nèi)腔并凝固成為蠟?zāi)?，將該蠟?zāi)Ｈ〕霾⒎湃?l〇°C以下的冷水中定型。
[0016] 步驟4,底層型殼的制作；采用常規(guī)方法制作底層型殼。
[0017] 步驟5,底層型殼的脫蠟與燒結(jié)；將得到的脫蠟放入150°C的蒸氣中，將蠟?zāi)Ｈ?融化得到中空的底層型殼。將脫蠟后的底層型殼在900°C條件下焙燒2h，保證型殼的強(qiáng)度 達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
[0018] 步驟6,復(fù)合型殼的黏合；根據(jù)步驟1中確定的界面前沿過冷度較大的部位，將該 界面前沿過冷度較大的部位與厚度為3~6mm復(fù)合型殼片層粘結(jié)，形成復(fù)合型殼。所述復(fù) 合型殼片層時(shí)的粘結(jié)劑為硅溶膠，將該復(fù)合型殼放置12小時(shí)使其硬化。所述復(fù)合型殼片層 的導(dǎo)熱系數(shù)小于0.lW/m，°C。
[0019] 步驟7,澆鑄合金液。將鎳基高溫合金母料切割加工成3~5塊合金塊。采用常規(guī) 方法將所述合金塊放入定向凝固爐的坩堝中，并將定向凝固爐內(nèi)抽真空至6XKT3Pa并保 持；對該坩堝加熱至合金塊完全融化；將得到的合金液澆入型殼中，完成合金液的澆鑄。
[0020] 步驟8,抽拉。將澆入型殼中合金液保溫靜置30min后，以20~120ym/s的抽拉 速率進(jìn)行定向凝固，得到臺(tái)階狀鑄件，并實(shí)現(xiàn)雜晶缺陷的消除或顯著減少。
[0021] 本發(fā)明的核心思想是通過對鑄件的一些散熱很快、容易冷卻的局部位置，如大截 面的角部等，粘貼單層或多層不同導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱材料，在局部形成復(fù)合型殼，改變散熱很 快的局部區(qū)域的導(dǎo)熱率，從而有效降低該區(qū)域的過冷度，使定向凝固過程中該處雜晶無法 形核，最終達(dá)到消除雜晶缺陷的目的。這種在變截面區(qū)域角部等過冷容易形成的部位，通過 形成局部復(fù)合型殼的技術(shù)非常重要，不僅可以避免雜晶等缺陷的形成，同時(shí)由于復(fù)合材料 的導(dǎo)熱系數(shù)可控，故還可以提高局部區(qū)域凝固界面前沿的溫度梯度避免其它缺陷，如雀斑， 小角度晶界等的形成。從文獻(xiàn)檢索可知，目前國內(nèi)外尚未見到通過局部復(fù)合不同導(dǎo)熱率的 型殼來控制雜晶缺陷的報(bào)道。
[0022] 對本發(fā)明得到的試樣進(jìn)行宏觀腐蝕后，可以看到使用復(fù)合型殼的變截面鑄件內(nèi)部 并未出現(xiàn)雜晶這類缺陷。說明通過上述工藝處理后，鎳基高溫合金凝固組織內(nèi)部未出現(xiàn)雜 晶缺陷，可以作為控制定向凝固過程中雜晶缺陷形成的方法。
[0023] 本發(fā)明在確定界面前沿過冷度較大的部位時(shí)，通過求解N-S方程得到定向凝固過 程中固液界面形貌的變化，即凝固分?jǐn)?shù)分布場，并根據(jù)所述定向凝固過程中固液界面形貌 的變化確定界面前沿過冷度較大的部位。
[0024] 本發(fā)明中的電熔剛玉為在2000~2400°C時(shí)將鋁礬土在電爐內(nèi)和碳反應(yīng)，去除 SiOjPFe203等雜質(zhì)，熔融后制得結(jié)晶aAl203。
[0025] 本發(fā)明中的糊狀模料為石蠟-硬脂酸模料，由于硬脂酸分子是極性分子，故對涂 料的濕潤性好，因而在石蠟中加入硬脂酸，能改善模料的涂掛性，石蠟和硬脂酸的配比為各 50%〇
[0026] 所述步驟六中的復(fù)合型殼片層的材料為輕質(zhì)莫來石耐火片層，其導(dǎo)熱率小于 0?lW/m?K，且厚度控制在3-6謹(jǐn)之間。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：
[0028] 本發(fā)明提供的一種控制高溫合金臺(tái)階狀鑄件雜晶缺陷的定向凝固方法，避免了現(xiàn) 有鑄件定向凝固過程中局部區(qū)域凝固界面前沿過冷度難以控制這個(gè)頑固性問題。通過局部 復(fù)合型殼的方法調(diào)控該處導(dǎo)熱系數(shù)，從而有效的降低了引起該處雜晶缺陷的過冷度，并在 一定程度上提高了凝固界面前沿的溫度梯度，避免了