精密铸造实用新技术与质量检验实物全书_08_细晶

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1、! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !第 八 篇细 晶 精 密 铸 造 新 技 术第 一 章 细 晶 铸 造 技 术 概 述第 一 节 技 术 概 况国 外 近 二 十 年 来 集 中 力 量 发 展 了 高 温 合 金 定 向 铸 造 和 单 晶 铸 造 技 术 ， 主 要 是 为 了 提高 航 空 发 动 机 高 压 涡 轮 叶 片 的 高 温 工 作 能 力 ， 从 而 增 大 发 动 机 的 推 力 ， 并 延 长 其 工 作 寿命

2、 。 与 此 同 时 ， 航 空 发 动 机 的 恶 劣 工 况 对 在 中 低 温 条 件 下 工 作 的 低 压 涡 轮 叶 片 、 整 体 叶盘 和 涡 轮 机 匣 等 高 温 合 金 铸 件 的 低 周 疲 劳 寿 命 提 出 了 更 高 要 求 。 但 是 这 类 铸 件 在 普 通熔 模 精 铸 工 艺 生 产 条 件 下 ， 一 般 为 粗 大 的 树 枝 晶 或 柱 状 晶 ， 晶 粒 平 均 尺 寸 大 于 !， 较 典型 的 为 ! # $。 由 于 晶 粒 粗 大 及 组 织 、 性 能 上 的 各 向 异 性 ， 很 容 易 导 致 铸 件 在 使 用 过 程中 疲 劳

3、 裂 纹 的 产 生 和 发 展 ， 这 对 于 铸 件 的 疲 劳 性 能 尤 其 是 低 周 疲 劳 性 能 极 为 不 利 ， 并 且造 成 铸 件 力 学 性 能 数 据 过 于 分 散 ， 降 低 了 设 计 容 限 。 随 着 对 发 动 机 的 整 体 寿 命 和 性 能 要求 的 进 一 步 提 高 ， 改 善 铸 件 的 中 低 温 疲 劳 性 能 及 其 他 力 学 性 能 显 得 十 分 重 要 。 这 便 导 致了 细 晶 铸 造 技 术 的 产 生 和 发 展 。第 二 节 细 晶 铸 造 发 展 趋 势工 业 发 达 国 家 ， 尤 其 是 美 国 和 德 国 ，

4、早 在 %& 世 纪 & 年 代 末 就 开 展 了 高 温 合 金 细 晶($第 一 章 细 晶 铸 造 技 术 概 述铸 造 技 术 的 研 究 和 应 用 ， 在 ! 世 纪 # 年 代 中 后 期 该 项 技 术 发 展 趋 于 成 熟 ， 目 前 正 在 航空 、 航 天 工 业 领 域 中 扩 大 其 应 用 范 围 ， 如 美 国 $%&() 公 司 利 用 细 晶 铸 造 技 术 成 功 地 制造 了 *%+,-、 *./ *!01、 231456、 4314# 等 高 温 合 金 整 体 涡 轮 ， 使 涡 轮 的 低 周 疲 劳 寿 命提 高 了 ! 7 5 倍 。 德 国

5、 、 法 国 在 新 型 号 航 空 发 动 机 上 也 采 用 了 细 晶 整 体 涡 轮 铸 件 。 国 内对 高 温 合 金 细 晶 铸 造 技 术 的 研 究 从 ! 世 纪 # 年 代 末 开 始 起 步 ， 经 过 “ 八 五 ” 和 “ 九 五 ” 期间 的 研 究 和 应 用 ， 我 国 航 空 制 造 业 建 立 了 专 门 的 细 晶 铸 造 设 备 ， 对 高 温 合 金 细 晶 铸 造 工艺 进 行 了 较 系 统 的 试 验 ， 研 制 了 一 批 镍 基 高 温 合 金 细 晶 铸 件 ， 并 已 应 用 于 航 空 发 动 机 中 ，在 细 晶 铸 造 研 究 领

6、 域 内 取 得 了 重 要 的 进 展 。#89第 八 篇 细 晶 精 密 铸 造 新 技 术第 二 章 细 晶 铸 造 的 特 点 和 工 艺 方 法第 一 节 细 晶 铸 造 的 特 点细 晶 铸 造 技 术 或 工 艺 （ !#$） 的 原 理 是 通 过 控 制 普 通 熔 模 铸 造 工 艺 ， 强 化 合 金 的 形核 机 制 ， 在 铸 造 过 程 中 使 合 金 形 成 大 量 结 晶 核 心 ， 并 阻 止 晶 粒 长 大 ， 从 而 获 得 平 均 晶 粒 尺寸 小 于 %&( 的 均 匀 、 细 小 、 各 向 同 性 的 等 轴 晶 铸 件 ， 较 典 型 的 细 晶

7、 铸 件 晶 粒 度 为 美 国标 准 )*+,- . / 级 。 细 晶 铸 造 在 使 铸 件 晶 粒 细 化 的 同 时 ， 还 使 高 温 合 金 中 的 初 生 碳 化 物和 强 化 相!0尺 寸 减 小 ， 形 态 改 善 。 因 此 ， 细 晶 铸 造 的 突 出 优 点 是 大 幅 度 地 提 高 铸 件 在 中低 温 （!1-2） 条 件 下 的 低 周 疲 劳 寿 命 ， 并 显 著 减 小 铸 件 力 学 性 能 数 据 的 分 散 度 ， 从 而 提高 铸 造 零 件 的 设 计 容 限 。 同 时 该 技 术 还 在 一 定 程 度 上 改 善 铸 件 抗 拉 性 能

8、 和 持 久 性 能 ， 并使 铸 件 具 有 良 好 的 热 处 理 性 能 。细 晶 铸 造 技 术 还 可 改 善 高 温 合 金 铸 件 的 机 加 工 性 能 ， 减 小 螺 孔 和 刀 刃 形 锐 利 边 缘 等处 产 生 加 工 裂 纹 的 潜 在 危 险 。 因 此 该 技 术 可 使 熔 模 铸 件 的 应 用 范 围 扩 大 到 原 先 使 用 锻件 、 厚 板 机 加 工 零 件 和 锻 铸 组 合 件 等 领 域 。 在 航 空 发 动 机 零 件 的 精 铸 生 产 中 ， 使 用 细 晶铸 件 代 替 某 些 锻 件 或 用 细 晶 铸 造 的 锭 料 来 做 锻

9、坯 已 很 常 见 。33第 二 章 细 晶 铸 造 的 特 点 和 工 艺 方 法第 二 节 细 晶 铸 造 的 工 艺 方 法细 晶 铸 造 晶 核 的 增 殖 来 源 于 合 金 液 中 已 存 在 的 或 外 加 的 固 体 形 核 基 底 成 形 核 作 用 ，因 此 ， 细 化 晶 粒 的 关 键 是 增 加 合 金 液 中 的 形 核 基 底 的 数 量 。 目 前 增 加 形 核 基 底 的 数 量 的基 本 方 法 大 致 可 分 为 三 大 类 ： 热 控 法 或 改 变 铸 造 参 数 法 （ !# 法 ） 、 动 力 学 法 （ 或 机 械 法 ）和 化 学 法 。 这

10、 也 是 细 晶 铸 造 的 三 类 基 本 工 艺 方 法 ， 如 表 $ % & % 所 示 。表 $ % & % 细 晶 铸 造 的 工 艺 方 法类 别热 控 法（ ()*+,-. /01+/. 2*1)/3）动 力 学 法（ 450-,67 2*1)/3）化 学 法（ )*,67-. 899+/-7)）工 艺 原 理在 静 态 铸 型 条 件 下 ， 通 过控 制 铸 型 温 度 ， 降 低 合 金 精炼 温 度 和 时 间 ， 使 分 散 于 熔液 中 作 为 形 核 基 底 的 碳 化物 保 留 下 来 ， 并 较 大 幅 度 地降 低 浇 注 过 热 度 ， 增 大 铸 件冷

11、却 速 度 ， 以 达 到 限 制 晶 粒长 大 和 细 化 晶 粒 的 目 的在 浇 注 和 凝 固 过 程 中 施 加 外 力 迫 使 合金 液 产 生 振 动 、 搅 动 等 运 动 ， 已 凝 固 的 枝晶 被 破 碎 并 使 之 遍 布 于 整 个 熔 液 中 ， 从而 形 成 更 多 的 有 效 晶 核 ， 并 限 制 了 晶 粒的 长 大 。 常 见 的 方 法 有 ：（ ） 一 般 方 法 ：旋 转 铸 型 法 、 机 械 振 动 法 、 超 声 波 振 动法 、 电 磁 搅 动 法 等 ； （ &） :+-60*; 法 、2/） 267+/7-?1 法通 过 向 熔 液 中

12、加 入 有 效形 核 剂 ， 形 成 大 量 的 非 均 匀质 核 心 而 使 晶 粒 细 化 。 典型 的 如 添 加 元 素 A、 稀 土 元素 、 B6 8. 中 间 化 合 物 等工 艺 参 数铸 型 温 度 （ !型） 、 浇 注 温度 （ !浇） 及 精 炼 温 度 （ !精） 等浇 注 温 度 （ !浇） 和 铸 型 旋 转 振 动 参 数（ 速 度 、 频 率 ） 以 及 铸 型 冷 却 速 率 等精 炼 温 度 （ !精） 、 形 核 剂加 入 量 及 其 加 入 制 度 等晶 粒 细 化 典型 尺 寸 范 围CDE F EC$, ECD F ECEG, C&H F EC&,

13、优 缺 点工 艺 简 单 ， 但 铸 件 容 易 欠铸 、 晶 粒 度 不 均 匀晶 粒 度 均 匀 、 合 金 纯 净 度 高 、 成 形 能力 好 ， 但 需 要 建 立 专 用 的 细 晶 铸 造 设 备工 艺 简 单 ， 但 容 易 引 进 杂质 、 改 变 合 金 成 分适 用 范 围 形 状 简 单 的 小 尺 寸 铸 件 回 转 体 和 厚 大 截 面 铸 件 形 状 简 单 的 小 尺 寸 铸 件近 年 来 美 国 I/J,*1 公 司 研 制 和 发 展 的 :+-60*;（ 简 称 : 法 ） 和 267+/7-?1 （ 简 称2 法 ） 细 晶 工 艺 代 表 着 国 际

14、 先 进 水 平 的 细 晶 铸 造 工 艺 方 法 ， 目 前 已 投 入 生 产 应 用 。 图 $% & % 为 :、 2 法 的 晶 粒 细 化 典 型 尺 寸 范 围 。EGK第 八 篇 细 晶 精 密 铸 造 新 技 术图 ! # $ %&、 & 法 的 晶 粒 细 化 尺 寸 范 围其 中 & 法 以 动 力 学 法 为 基 础 ， 是 高 温 合 金 细 晶 铸 造 第 一 代 动 力 学 法 工 艺 ， 它 采 用较 高 的 过 热 温 度 ， 在 合 金 凝 固 过 程 中 打 碎 已 凝 固 的 枝 晶 骨 架 成 为 结 晶 核 心 ， 从 而 细 化铸 件 晶 粒 。

15、 与 热 控 法 相 比 ， & 法 浇 注 过 热 度 较 大 ， 因 而 使 铸 件 薄 壁 部 分 容 易 成 形 ， 所获 得 的 铸 件 纯 净 度 高 ， 晶 粒 度 细 小 而 均 匀 ， 通 常 能 达 到 ()*%+ , # 级 。 但 晶 粒 形 态 仍保 留 着 轻 微 的 树 枝 状 ， 其 缺 点 是 不 能 全 面 改 善 铸 件 的 晶 粒 形 态 ， 仅 使 厚 截 面 部 位 晶 粒细 化 。 这 种 方 法 适 用 于 铸 造 叶 盘 和 其 他 一 些 回 转 体 铸 件 以 及 截 面 厚 大 的 细 晶 铸 件 。%& 法 是 -./012 公 司 开 发 的 第 二 代 动 力 学 法 细 晶 铸 造 工 艺 ， 其 特 点 是 将 机 械 扰 动 与快 速 凝 固 相 结 合 以 获 得 晶 粒 更 加 细 小 的 晶 胞 组 织 ， 用 此 法 铸 造 的 铸 件 晶 粒 度 能 达()*%3 , 4 级 或 更 细 ， 可 与 变 形 高 温 合 金 零 件 的 晶 粒 度 相 媲 美 ， 因 而 能 以 比 & 法 更大 的 幅 度 提 高 铸 件 的 力 学 性 能 。 直 到