凯发官网地址 高溫合金精密鑄造工藝技術的發展

【摘要】自20世紀40年代鑄造高溫合金問世以來,隨著燃氣渦輪發動機的研制,鑄造高溫合金精鑄工藝得到了迅速的發展,經歷了許多重要的發展里程。對高溫合金的精密鑄造工藝發展作了回顧和總結,對其未來作了展望。本文由 青島拋丸機 生產廠家青島淳九整理，更多拋丸機內容請參考拋丸機網站。
   關鍵詞 高溫合金 精密鑄造 工藝

高溫合金是制造航空、航天發動機和燃氣輪機等高溫熱端部件不可替代的材料,也廣泛應用在石油化工、核工業、汽車等行業上。自20世紀40年代以來,航空發動機渦輪前進口溫度從730℃上升到1700℃以上,其中高溫合金的鑄造技術進步發揮了非常重要的作用。
高溫合金隨著航空、航天發動機技術的發展而不斷發展,至60年代,精密鑄造法成為制造高溫合金渦輪葉片的主要方法。60年代中期,發展了順序凝固高溫合金技術,隨后,美國Pratt&Whitney及TRW開發出單晶葉片,現在單晶合金已經發展到了第4代。從多晶等軸合金發展到第4代單晶合金,其承溫能力提高了180℃。到20世紀70年代對高溫合金材料的研究已經有了足夠多的積累,自80年代起新工藝已成為改善高溫合金材料性能的主要途徑。

1 精密鑄造工藝技術的發展

圖1復雜渦輪空心葉片斷面

1.1 實心葉片到空心葉片

發動機的工作效率和推力是隨著渦輪燃氣進口溫度的提高而提高的,高溫合金鑄造葉片較初都是實心葉片,由于葉片材料本身承溫能力有限,因而自20世紀70年代起均廣泛采用空心葉片來改進葉片冷卻結構,提高冷卻效果,復雜渦輪空心葉片斷面見圖1所示[1]。空心葉片內的空腔結構需要預設陶瓷型芯來成形,鑄成鑄件后再去除。當前,葉片的冷卻結構已由傳統的對流、回流、撞擊孔、氣膜冷卻等方式發展到高效發散氣冷方式,冷卻效果由傳統的不到300℃左右提高到600℃以上。葉片也由當初的等軸多晶葉片發展到順序凝固柱晶和單晶葉片,較長的空心單晶葉片的長度已超過500mm,葉片的壁更薄,葉片葉身也從單層壁變為雙層壁。陶瓷型芯的尺寸更小,形狀更復雜、性能要求更高。先進的空心葉片的冷效系數可達0.5～0.6,渦輪前燃氣溫度達到1700℃以上[2]。
1.2 細晶鑄造

按照常規的鑄造工藝,精密鑄造的高溫合金鑄件,合金晶粒往往比較粗大,粗大的晶粒固然有較高的耐熱強度,但抗疲勞性能下降很多。并且通常伴隨著組織不均勻以及較嚴重的顯微偏析,使得抗疲勞性能進一步下降,質量可靠性降低。通過細化晶粒和消除柱狀晶結構,可以減小鑄件的偏析,改善材料的強度和抗疲勞性能,減少性能數據的分散性,普通鑄造和細晶鑄造的晶粒大小見圖2所示。

圖2 普通鑄造和細晶鑄造的晶粒度

細晶鑄造的方法通常分為3大類:熱控法、振動法和化學法,原理概括起來是:促進形核、抑制生長。為了使鑄件表面晶粒細化,可將孕育劑加入到型殼表面層料漿,鎳基高溫合金普遍使用的孕育劑是鈷的化合物;G.E公司在80年代后期發展的細晶離心鑄造[3],使充型能力得到極大提高;美國的Howmet公司細晶鑄造工藝Microcast,是采用機械攪動和快速凝固相結合獲得細小的晶胞組織,性能可與高溫合金的鍛件相媲美;美國P.C.C公司從順序凝固技術發展起來了一種熱控凝固(TCS)技術[425],它使得鑄件的凝固界面順序推進,從而使所澆鑄件獲得致密的組織和得到好的充型性。國外細晶鑄造應用情況見表1[627]所示。

表1 國外細晶鑄造應用情況

1.3 順序及控制結晶

順序凝固技術使得合金的晶粒沿熱流流失方向定向排列,基本消除了垂直于應力軸的薄弱的橫向晶界,使得鑄造高溫合金的力學性能大為提高。順序凝固技術采用的工藝主要有發熱鑄型法、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)和液態金屬冷卻法(LMC)等。凝固界面前沿溫度梯度已由PD法的10℃/cm提高到了LMC法的100℃/cm,順序凝固技術使葉片使用溫度提高了30℃,高速順序凝固法是目前應用較廣的一種方法。俄羅斯采用的是LMC法,液態金屬選用鋁或錫,這種方法(LMC)的優點是冷卻溫度梯度高,散熱均勻。
單晶是順序凝固技術的進一步發展。以完全消除作為高溫斷裂特征的晶界,從而達到很高的蠕變及持久強度。經過幾十年的發展,已經開發出了4代單晶合金。每一代單晶合金的耐溫能力都比上一代提高約30℃,其中第2代和第3代單晶合金的主要特征是分別添加了3%和6%的Re,第2代單晶合金的典型牌號有:PWA1484,CMSX24,Rene’N5和ЖС36,第3代有Rene’N6和CMSX210等。第四代的特征是高的Re和Ru含量。
發動機在實際工作條件下,各部位所承受的溫度和應力加載是不相同的,較好不同部位對應有不同組織。俄羅斯航空材料研究院采用液態金屬冷卻介質和殼型預熱爐雙區加熱器來調節工藝參數,得到低倍和顯微組織廣泛變化的鑄件,可獲得混合(葉身2單晶、榫槽2等軸)和復合(邊緣2單晶、中部2細柱狀晶)的低倍組織,使零件獲得較佳綜合性能[8]。美國的一個專利[9]也報道了相關技術。
1.4 霧化、噴射成形

包括美國Howmet公司在內的許多單位一直都在探索用霧化、噴射技術生產致密、超細晶粒的鑄件。霧化、噴射成形是通過在氬氣或氮氣的保護下,液態金屬通過噴嘴向成形的模具中噴射而形成鑄件的工藝,見圖3所示[10]。它的優點非常明顯:晶粒為細小、均勻、致密的等軸晶,晶粒直徑僅為6～50圖3
噴射成型示意圖μ犿；且因熔體直接一步成形,節能、省時和降低消耗。

圖3噴射成型示意圖

2 結語
對在低于等強溫度使用的零件而言,用細化晶粒方法生產細小的等軸晶是經濟、可行的辦法。但是,單純地使用一種細化方法,鑄件存在較嚴重的顯微疏松,需通過熱等靜壓(HIP)來閉合。采用熱控法+離心鑄造及振動法+順序凝固等復合控制法來生產致密、均勻、少夾雜的細小晶粒應是發展的趨勢。
對在高溫下使用的葉片類材料,單晶葉片和先進的高效氣冷技術相結合,使冷卻效果達到600℃以上,將大大提高能源利用率和發動機的綜合性能,關鍵技術在于陶瓷型芯的制作和提高產品的合格率。單晶葉片將繼續起著主導作用。
在實際工作條件下,鑄件各個不同的部位受到不同的應力場和溫度場作用,控制凝固和冷卻條件,使得一個鑄件的不同部位具有相對應的不同組織,從而使得鑄件各部位均具有相對應的較佳性能,其基礎理論和應用工藝都需進一步完善和提高

[參考文獻]

[1]PeterAldredSAE751049Rene125,DevelopmentandApplication[S].
[2]田國利1高效氣冷葉片的較新動態[J].材料工程,1999,71
[3]G.EgapinskiandT.J.DevineMechanicalPropertiesAndMicrostructureOfFineGrainCentrifugallyCastAlloy718[J].TheMinerals,Metals&Materialssociety,1989:5332540.[4]D.A.Chang,R.Nasser2Rafi,andS.L.Robertson.Mechani2calpropertiesofcontrolledgrainstructureall