真空行波電磁細化高溫合金精密鑄造方法技術

一種真空行波電磁細化高溫合金精密鑄造方法，其特征在于：合金開始凝固時，對合金熔體施加一對對稱但是方向相反的行波磁場，磁場強度在５０－２００ｍＴ范圍內。本發明專利技術易于控制，所獲得的高溫合金晶粒更為細小，并且疏松和空洞較少。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及金屬材料的鑄造方法，特別提供了一種。高溫合金是用于制造航空、航天飛行器、火箭發動機、艦艇、核反應堆和工業用燃氣輪機、石油化工設備等耐高溫部件的材料。獲得這些高溫合金部件的方法主要有鑄造、鍛造和粉末冶金法。由于鑄造高溫合金能使部件一次精密成形，在工藝性、經濟性和使用性能方面都具有很大的優勢，因此應用日漸廣泛。但是，通常的熔模鑄造高溫合金精密鑄件往往因其晶粒度較粗大而導致機械性能低。因此，自八十年代初國內外有關學者專家一直在研究開發高溫合金細晶鑄造技術。目的是控制高溫合金熔模鑄件的晶粒尺寸和形態，使其組織結構和性能與鍛件相近，從而代替成本昂貴的鍛件甚至粉末冶金。為細化高溫合金晶粒組織，國內外先后開發了熱控法，化學法和機械法三種細化方法。熱控法的特點是降低精煉溫度和時間，保留碳化物，同時降低澆注溫度，加速冷卻，限制晶粒生長；可獲得尺寸為0.3～1.0mm的等軸晶和樹枝等軸晶。化學法是向熔體中加入有效的固體形核劑，形成大量非均質晶核；可獲得尺寸為0.5～0.8mm的等軸晶；機械法是通過旋轉鑄型、機械振動來攪拌熔體，細化晶粒；可獲得尺寸為0.1～1.6mm的等軸晶。上述工藝方法均存在著局限性和缺陷。如熱控法的缺點是不易排除氣泡和夾雜，使鑄件純凈度降低，且鑄造大件困難；由于極低的過熱溫度和嚴格的溫度控制限制了它的應用。機械法由于是利用機械力如離心力，難以使熔體運動均勻和受部件形狀的限制?；瘜W法的缺點是難于控制化學成份，且形核劑易于形成氧化物造成疲勞源。因此，晶粒細化一直是高溫合金細晶鑄造中沒有徹底解決的問題。本專利技術的目的在于提供一種，其易于控制，所獲得的高溫合金晶粒更為細小，并且疏松和空洞較少。本專利技術提供了一種，其特征在于合金開始凝固時，對合金熔體施加一對對稱但是方向相反的行波磁場，磁場雖度在50-200mT范圍內。所謂的行波磁場是沿直線方向呈正弦波形分布的磁場，由于是平移的正弦波，又稱為平面平行波磁場。本專利技術在真空熔鑄工件在澆注和凝固過程中，對合金熔體施加一對對稱但是方向相反的行波磁場，磁場和熔體交互作用，在熔體內形成一對力偶，引起熔體轉動，形成電磁攪拌。攪拌力在熔體凝固過程中可以破碎枝晶，增加固相形核率，促進柱狀晶向等軸晶的轉變，使熔體凝固結晶后成為均勻細小的等軸晶組織。具體地行波電磁場攪拌細化晶粒的主要原因是，在電磁場的作用下，在合金熔體中形成電磁力，電磁力使熔體流動，凝固過程中的柱狀晶的尖端被流動力剪斷或熔斷成為新的固相晶粒核心，這些微晶粒后來又作為等軸晶生長的晶核，因此凝固過程中形核率增加，凝固方式由柱狀晶向等軸晶轉變；并且由于凝固前沿及大量新形成的自由晶粒之間的對流換熱，使液體中殘余過熱迅速消除，結晶前沿的溫度梯度降低，溫度場更均勻化。這些都會使等軸晶組織增加。一般地，行波磁場由線性電磁攪拌器產生，電磁攪拌強度主要由磁場強度決定，可以通過調節繞組電流的大小進行調節，從而可以方便地控制晶粒細化程度。在本專利技術方法中，磁場強度在50-200mT范圍內可以無級調節。磁場作用時間因鑄件尺寸大小不同而定，一般控制在凝固結束。行波電磁攪拌除了細化晶粒，還有其他優點，可以減少高溫合金鑄件內的成分偏析，疏松等冶金缺陷。該方法克服了現有其它真空精密高溫合金鑄件細化方法的弊端，能達到現有細化方法所不能達到的效果?？傊?，本專利技術可以解決現有方法沒能徹底解決的問題，并獲得比上述三種方法更均勻更細小的晶粒組織，其晶粒尺寸在0.1～0.5mm范圍。本專利技術減少了疏松與空洞等缺陷，這是熱控法所解決不了的。從組織結構上，本專利技術的細晶鑄造高溫合金可與鍛件相近，有望代替鍛件。由于行波電磁場強度易調節，所以比現有三種細晶鑄造方法更易控制晶粒細化。下面通過實施例詳述本專利技術。附附圖說明圖1為行波電磁攪拌細化晶粒原理示意。附圖2為行波電磁攪拌及攪拌強度對GH4169高溫合金宏觀組織的影響a無電磁攪拌b弱電磁攪拌c強電磁攪拌。附圖3為行波電磁攪拌及攪拌強度對GH4169高溫合金疏松和枝晶組織的影響a無電磁攪拌b電磁攪拌。實施例利用所專利技術的對GH4169、K17等高溫合金進行了熔煉澆鑄，取得了預期的效果?，F以GH4169變形高溫合金為例具體說明。GH4169合金，其化學成分為(wt.％)C＜=0.01,Mn＜=0.5,Si＜=O.75,Cr17～21,Ni余,Mo2.8～3.3,Nb4.5～5.75,Al0.2～0.8,Ti0.3～1.3,B0.006(按計算量加入)，Fe17～20,S＜=0.015,P＜=0.015.將GH4169母合金置于真空感應爐的坩鍋中，通電加熱至熔化。澆注之前先調節產生行波磁場的繞組電流，達到所需的電磁攪拌強度。行波電磁場繞組電流可調范圍為10～50A，分別調整相應的磁場強度為50、200mT，然后將熔體澆入施加行波電磁場的鑄模中。在熔體凝固過程中受到電磁攪拌作用。當熔體完全凝固后，調節行波磁場繞組電流為零，此時停止電磁攪拌。取出GH4169合金鑄件后，切開進行宏觀晶粒組織的確定，結果為晶粒尺寸達到0.1～0.3mm，分布均勻。金相觀察表明，疏松空洞明顯減少見圖2、圖3。K17的化學成分(wt.％)如下表 通過本方法處理，獲得了0.1～0.5mm的細晶鑄造組織。比較例仍以GH4169變形高溫合金為例。施加行波電磁攪拌的合金錠其宏觀晶粒形態為等軸晶和狀晶，未施加行波電磁攪拌的合金錠則多為貫穿的柱狀晶，隨著施加行波磁場攪拌強度的增加結晶狀態由柱狀晶變為等軸晶，而且越來越細小，均勻。(見圖2)金相觀察結果表明無行波電磁攪拌的合金在縮口處有大量的疏松、空洞，而行波電磁攪拌的合金其疏松、空洞明顯減少(見圖3)。權利要求1.一種，其特征在于合金開始凝固時，對合金熔體施加一對對稱但是方向相反的行波磁場，磁場強度在50-200mT范圍內。全文摘要一種,其特征在于:合金開始凝固時,對合金熔體施加一對對稱但是方向相反的行波磁場,磁場強度在50－200mT范圍內。本專利技術易于控制,所獲得的高溫合金晶粒更為細小,并且疏松和空洞較少。文檔編號B22D27/02GK1310066SQ0011015公開日2001年8月29日 申請日期2000年2月25日 優先權日2000年2月25日專利技術者楊院生, 于力, 賀幼良, 李處森, 朱仕學, 張勻, 胡壯麒 申請人:中國科學院金屬研究所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種真空行波電磁細化高溫合金精密鑄造方法，其特征在于：合金開始凝固時，對合金熔體施加一對對稱但是方向相反的行波磁場，磁場強度在５０－２００ｍＴ范圍內。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊院生，于力，賀幼良，李處森，朱仕學，張勻，胡壯麒，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：89[中國|沈陽]