高温合金精密铸造技术研究进展

骞磊

北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室 北京 100095

引言

高温合金精密铸造技术以熔模铸造工艺为主，发展期间形成了等轴晶类型、定向柱晶与单晶类型的精密铸造形式，不同技术的应用具有不同的特点，需结合高温合金的生产需求、工艺特征等完善相应的技术体系，确保各类制造技术的良好使用。

1 高温合金精密铸造技术

1.1 高温合金熔模精密铸造

20世纪70年代之后我国的合金化理论与相应的热处理工艺技术快速发展、进步，取得了一定的突破。当前我国的高温合金等轴晶铸件生产的过程中，铸件直径已经达到了150cm，航空领域中的叶片长度从5cm增加到12cm，在燃气轮机方面的定向类型或者是单晶类型的叶片长度能够达到60cm，可以通过高温合金铸造技术生产十分复杂的铸件。同时单晶合金也开始蓬勃发展，出现了第一代到第四代单晶合金，承受温度的能力提升了30℃，例如：英国所研究开发的第四代单晶合金，和传统的定向柱晶合金的承受温度能力相比高100℃左右，并且应用在航空发动机的生产领域。20世纪80年代末期，北京的相关研究部门成功研究开发单晶高温合金，持久性能指标甚至已经超过国外相同类型的合金，可以进行批量性的生产。目前高温合金铸件已经开始向着复杂化、大型化、高精确度化的方向发展，对铸造工艺、流程形成一定的挑战，也促使熔模精密铸造技术不断进步，从真空冶炼技术发展到无余量铸造技术、定向凝固技术、单晶技术等方面。铸造技术的提升与高温合金原材料生产制造之间也存在直接的联系，需要结合高温合金材料特性、铸件使用情况等，完善相应的工艺技术模式与机制，控制材料的性能，保证生产工艺稳定性。

1.2 高温合金等轴晶精密铸造

1.2.1 细晶铸造。航空发动机工作环境非常恶劣，在高温、高寒等极端工作条件下，对涡轮叶片、叶盘及涡轮机匣等高等温合金铸件的寿命提出严格的要求，如果采用传统的熔模精铸技术，会导致生产的铸件出现柱状晶或是树枝晶，晶粒的平均尺寸超过4毫米，晶粒粗大，并且组织存在差异性，各部位性能会有所不同，如果通过此类技术生产高温合金，可能会导致铸件在使用期间出现疲劳裂纹的问题，缩短使用寿命，而等轴晶精密铸造技术的应用就可以改变现状，尤其是细晶铸造技术，可以有效进行传统熔模铸造技术流程的控制，使得合金形核的机制有所强化，能够形成数量较高的结晶核心，起到晶粒长大的抑制性作用，获取到平均晶粒尺寸在1.6mm之内并且均匀度较高的等轴晶铸件产品，符合相关的标准。

20世纪70年代的中期阶段，美国就已经开始使用高温合金细晶铸造技术，通过热失控的形式生产航空发动机合金涡轮产品，能够将材料浇注过热度维持在27℃之内，平均晶粒度控制在直径0.51mm左右，和传统的熔模铸造技术相较，细晶铸造的铸件寿命延长75%以上。20世纪80年代美国研究开发了铸型搅动技术，合金凝固时利用搅拌的形式将枝晶剪断，进而形成较多的形核核心，最终生产出均匀度较高、粒径很小的晶粒。在此之后，美国又研究开发出第二代动力学细晶铸造技术，能够增强铸型搅动的效果，严格控制温度参数数值，加快凝固的速度，获取到晶粒较为细小的晶胞组织，主要技术为：合金熔炼之后的静置降温工艺，可以将浇注环节的过热度控制为20℃之内；带电浇注技术，通过感应炉之内的电磁搅拌形式，使得在合金液体表面所漂浮的杂晶推动到其他位置，确保金属液体的洁净度符合标准；利用旋转铸型搅动对操作期间所产生的内熔体进行处理，增强结构的冷却强度，使得铸件的截面形成均匀度较高、直径很小的晶胞组织。我国的相关机构在研究的过程中已经开发出铸型搅动技术的细晶铸造炉设备，生产相应的细晶铸件，可以延长铸件的使用寿命。

受20世纪80年代德国研究多种金属化合物类在合金细化方面的影响，我国西北工业大学也开始研究金属化合物类细化剂，形成合金细化的作用，并发现使用金属化合物细化剂除了能够确保组织细化，还能增强碳化物的细化效果，提升等轴晶的数量，降低树枝晶的数量与尺寸，增强不同温度条件下合金的屈服与抗拉强度。此类方式的应用属于化学法晶粒细化技术，其便于操作的特性使其广泛地应用于表面细化铸件的生产工艺中。但是，由于化学法晶粒细化技术受熔炼浇注过程中温度的影响较大，温度较低则反应形核的数量较少，温度过高则形核重熔于熔体中，导致最终细化效果较差。高温合金的熔铸工艺具备一定的复杂性特点，高温合金的熔点在普遍在1300℃以上，浇注之前需要进行过热处理，在高温的状态下很多添加剂都会出现分解的现象，或者是直接和熔体之间相互熔合，无法保留形成形核基底，这就导致生产期间添加剂材料的使用受到一定限制，所以在未来的生产过程中需要结合高温合金的情况科学使用化学添加剂。

1.2.2 双组织双性能铸造技术。一般情况下，航空发动机在运行的过程中，由于工作条件不同各个位置所承受的温度和应力也有所差异，因此，在实际生产的过程中需要结合具体情况选择铸造工艺技术，例如：叶片涡轮工作期间的温度很高，需要使用定向柱晶组织或者是单晶组织，确保具备一定的抗蠕变性能、抗热腐蚀性能，对于一些涡轮的工作温度很低，就可以使用等轴晶组织，提升抗拉与抗疲劳性能，预防裂纹扩展的问题。为达到此类生产标准，美国已经研究出双组织双性能铸造技术，指的是将金属铸入预制件的周围区域，使其成为具备较高整体性的铸件，这样不仅能够将各种类型的合金材料铸造成为整体零件，还能形成等轴组织、定向组织、单晶组织，在铸造的过程中，需要在蜡模上面配置已经制作完成的定向叶片，脱模以后铸型周围属于金属材料的叶片，中间的位置使用细晶铸造技术实现浇注的目的，最终形成双组织叶轮材料。目前我国已经结合航空叶盘结构的特征，利用对叶片凝固结晶整个流程温度场的控制，形成相应的定向结晶温度梯度，联合使用细结晶铸造技术措施，实现了技术突破的目的。

1.3 高温合金定向柱晶与单晶精密铸造

1.3.1 定向凝固技术。定向凝固技术属于当前航空发动机叶片生产过程中最为重要的技术形式，涉及水冷结晶快速类型、液态金属冷却类型的定向凝固工艺，20世纪90年代欧美国家就已经开始使用先进的水冷结晶快速定向凝固技术，主要是将铸型移出技术作为基础部分，通过辐射挡板进行炉子设备冷区、热区的隔离处理，改善温度梯度，并且技术在应用期间设备的结构非常简易，工艺应用稳定性很高，具有成熟性的特点，很适合生产航空发动机设备的叶片等各种尺寸很小的铸件。定向凝固技术在应用的过程中，最初阶段利用铸件将热量传导进入水冷板设备，形成冷却的作用，在铸件不断拉出之后，传热的效率会有所降低，原因就是很多高温合金都不具备一定的导热性能，需要利用模壳向着水冷炉壳进行辐射散热，很容易在凝固之前就会出现温度梯度减小的现象，因此在使用水冷结晶快速类型定向凝固技术的过程中需要结合高温合金铸件的特征强化研究力度，严格控制温度梯度。而液态金属冷却定向凝固技术在应用期间，就可以将铸模设置在熔点很低的液态金属中，对流换热的效果较好，目前国内外已经开始使用此类定向凝固技术进行高温合金的生产制备，取得了良好的成绩[1]。

1.3.2 单晶叶片生产技术。单晶叶片生产技术应用的过程中，应重点使用选晶法和籽晶法，①选晶法应用的过程中，主要是在铸件或者是叶片的底部区域设置选晶结构，进行单晶的筛选，目前我国在选晶法方面重点研究开发单晶合金引晶段的截面腐蚀情况、不同位置横截面的定能情况等，认为通过螺旋选晶器设备所制作的高温合金不会产生单晶取向的生产影响[2]。②籽晶法主要是将与单晶部件材料相同的籽晶设置在铸型外壳的底部区域，之后将已经进行过热的熔融液体浇注其中，也可以重新熔融固体材料棒，之后适当进行固液界面前沿液相之内温度梯度的控制、抽拉速率的控制，获取晶体取向符合标准、籽晶符合要求的高温合金部件。虽然此类技术在应用的过程中性能良好，但是很可能受到一些因素的影响出现杂晶，尤其是籽晶和合金材料相互熔融的情况下，会形成半固态的区域，其他取向类型的晶粒就会在枝晶上面出现游离晶，导致所生产的铸件存在缺陷问题。因此，在未来发展的过程中应结合籽晶法技术的特点与情况制定完善的技术方案，确保单晶叶片的生产性能和质量。

2 单晶高温合金铸造的缺陷

目前在生产的过程中，高温合金的成分参数与凝固参数控制存在难点，很容易在定向凝固生产或是单晶生产期间出现雀斑、热裂和疏松等缺陷，严重影响产品的高温性能。并且去除晶界强化元素之后，单晶高温合金生产期间的凝固缺陷问题较为严重，导致叶片和发动机的性能降低，使用寿命缩短，所以在实际生产的过程中应结合单晶叶片铸造过程中缺陷产生的原因，严格进行凝固缺陷的控制，增强单晶完整性的同时，保证产品的性能符合标准，研制、开发可以增强单晶高温合金叶片性能的先进定向凝固技术。从实际情况而言，凝固缺陷问题发生的主要原因是叶片的各个位置尺寸与结构出现改变，使得各个位置的凝固特性存在一定差异；凝固工艺参数不合理或者不稳定，导致最终的凝固过程难以控制；合金元素和相关的偏析现象；单晶叶片的缘板部分和上部分的界面突然发生变化，导致生产期间出现杂晶的问题，单晶完整性降低[3]。

全面研究分析出现凝固缺陷问题的原因之后，可以使用优化铸造技术的方式预防或是降低单晶缺陷问题的发生率，美国在研究的过程中就使用高梯度定向凝固技术进行航空发动机叶片的生产，有效降低了雀斑缺陷问题的发生率，严格控制各个零件尺寸条件下的温度梯度参数，形成一定的生产优化、改良的作用。我国在研究的过程中，已开始重视高温合金定向凝固技术的应用缺陷研究，但是由于缺陷发生的形式较为复杂，存在多种影响因素，受到一些情况的限制，无法直接了解缺陷形成的情况，因此还不能在生产实践的过程中彻底解决缺陷问题，所以在我国的高温合金精密铸造技术应用的过程中，应重点研究分析影响快速凝固技术的因素，制定完善的权限控制方案计划，为相关产品的生产提供一定帮助[4]。

3 结束语

综上所述，高温合金精密铸造技术应用的过程中，国内外已经开始大力研究等轴晶精密铸造技术、定向柱晶和单晶精密铸造技术，取得了良好的成绩，但是在技术应用的过程中经常会出现高温合金铸件缺陷问题，需要根据缺陷问题的出现原因和实际情况研究开发优化技术，保证高温合金的精密铸造质量和性能。