细晶铸造工艺研究

柳松青

（哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

一般来说有3种控制晶粒基本方法：机械方法，化学方法和热学方法。机械方法，就是当液态金属凝固时进行连续搅拌。通过搅拌把在凝固时开始形成的枝晶打碎，这样可产生更多的结晶核心，并抑制晶粒长大。但是，由于凝固受到限制，在晶粒之间产生许多微孔，需要通过热等静压才能使微孔密实。化学方法包括使用孕育剂，这种孕育剂是一种比合金本身熔点低的化合物，能产生局部不均匀和择优形核位置。虽然使用这种技术可以得到细晶粒，可是孕育剂能带进一些氧化物成为非金属夹杂物，使形核位置变成疲劳裂纹源。热学方法是一种较好的方法，在常规铸造工艺中最容易实现。通过保持低的浇注温度，合金能迅速凝固，因此可控制晶粒长大。下面用热学方法通过实验来研究细晶铸造工艺过程。由于熔模铸造能减少加工切削余量降低成本，提高尺寸精度和表面粗糙度以及材料的机械性能，从而达到升级产品档次的目的，并且实验室有熔模铸造所需要压蜡机、制壳机、脱蜡机和感应炉等设备，所以，本次实验采用熔模铸造的方法。

1 铸模系统

铸模材料通常被预热到1000℃左右高温，能使耐火材料完全脱气。然而熔融合金一般是在大约1500℃左右温度下注入模中，额外的热量能产生瞬间排气而带进模中，这样就会产生未填充区。因此，在这种温度下，铸模材料的渗透性是很重要的。如果使用一种渗透性好的模壳壁，就能迅速排出气体，使熔融金属充满空腔。

一般熔模铸造工艺使用蜡模和胶状二氧化硅/锆石粉作为表面涂层。表面上逐次涂上大约6层左右锆砂和粘合液，形成相当致密的壳层。由于这种模壳的渗透性低，造成铸件缺肉是共同的毛病。为了生产不损失强度的多孔结构模壳，曾试过加各种添加剂。有人用木屑代替沙子作为第三层或第四层。当加热时，木屑被烧掉，留下一个多孔层，但遗憾的是，这层粘结性差，模壳强度受到损失。为解决此问题，本实验使用直径大约为1mm玻璃球层代替粉灰层。当模壳被加热时，玻璃与附近的锆石颗粒熔合在一起，留下一个多孔层。这种模壳具有好的强度和渗透性。

2 坩埚类型

本实验采用IN100合金。为了保持铸件的清洁，合金是在以耐火材料为衬套的坩埚中熔炼的。为了使结渣和氧化物不带入下次熔炼或积聚在坩埚壁上，这种由锆石做成的衬套用完一次后就不再使用了。为了防止锆石中二氧化硅与熔融合金中的H f发生反应而形成H f O2，需要一种不含二氧化硅的坩埚衬套。有人用过氧化镁基、氧化锆基和氧化铝基系统作为代用品，但这些耐火材料大都需要二氧化硅粘合剂才能达到足够的烧后强度，因此都不令人满意。

氧化铝基衬套是用蜡制芯棒和6次涂敷氧化铝粘合液及灰泥制成的。这种衬套焙烧后熔炼合金，没有明显反应，合金水表面无渣。但热强度低，炉衬有开裂现象。为解决这一问题，把原来锆石衬套的内表面喷涂氧化铝粘合剂，然后焙烧。这样衬套熔炼合金就没有什么反应，衬套没有开裂，氧化铝表面涂层也没有剥离，因此，这个系统就用在实验中。

3 实验工艺

3.1 浇注温度

先测定合金凝固点的准确值P，以便规定几个P+T的特定值来改变浇注温度（T是在凝固点以上的温度差）。本实验是通过在熔液内插入热电偶实际测定凝固时的冷却曲线这种方法来测定凝固点P。根据以往经验，IN100合金锐角三角形试样的实验浇注温度选为P+45℃，P+35℃，P+25℃，P+15℃，P+5℃，通过显微镜观察试样横截面，可以看出晶粒随浇注温度降低而不断缩小。经过比较发现，浇注温度低出现缺肉，浇注温度高晶粒大。当浇注温度P+15℃左右时，得到令人满意的细晶，这样就确定了细晶工艺的浇注温度。

3.2 过热温度

在一般铸造工艺中，合金都加热到超过其熔点温度，并保持一定时间对其进行稳定化处理。这种过热一般在P+250℃下进行，以达到均质化并溶解所有相，包括难熔元素的碳化物，这样就能消除合金以前加工全过程的影响。如果实行这样过热工艺，合金冷却到P+15℃左右温度浇注，那么得到的将是粗大晶粒。因此，过热时间要适当，过热温度要降低，以使合金完全熔化而其中碳化物不熔化，碳化物存在有助于晶粒形核过程。较低温度另一有益作用是降低合金和与其相接触的耐火材料之间的化学反应。经过多次试验，过热温度为P+50℃左右，过热时间为6min左右。

3.3 模温

用1050℃、1100℃、1150℃和1200℃预热的模具进行比较试验，在较高温度下得到较大的晶粒，温度低出现一定程度的未充满。最后选择了最佳温度为1100℃.

3.4 冷却速度

在金属凝固过程中，一般用冒口来储备一定量的液态金属以补偿收缩。金属保持熔融的时间是凝固铸件补缩的关键，这个时间随冒口的尺寸和位置而变。若时间太短，铸件可能出现收缩。若时间太长，可能产生晶粒长大。因此，控制模具中的凝固，特别是冒口内的凝固是特别重要的。实验中使用一种专门设计的大体积的浇口，以便得到高的金属静压力差和大体积的有效液态补缩金属，达到细晶目的。

4 实验结果

采用细晶工艺的试样获得的晶粒直径为0.1811mm，167晶粒数/mm3。试样经过X-射线检查，没有发现显微缩孔。表1为IN100合金常规砂型铸造与细晶工艺试样的平均力学性能。

表1 IN100合金试样的平均力学性能

表1示出IN100合金试样在260℃下低周疲劳和室温拉伸数据。所有的试棒都是从试样部分切取的。可以看出，细晶工艺的试样寿命增加较多，拉伸性能也得到提高。

5 结论

本实验采用细晶工艺是一种比较经济的工艺，能得到细小晶粒结构的试样，其具有优良的低周疲劳性能，并且破断性能没有受到损失。细晶工艺的一个重要成就是性能的再现性，因为无损检验方法的不可靠，必须依靠严格的过程控制以确保铸件的密实性。细晶工艺生产出均匀晶粒的铸件，并使生产程序更为可靠。

［1］袁文明，汤鑫，高温合金细晶铸造工艺及其应用［J］.铸造，1996（6）：39-41.

［2］殷克勤.我国航空涡轮高温材料及工艺进展［J］.材料工程，1997（9）：3-5.