[發明專利]外加小溫度梯度消除鑄件縮孔縮松的凝固過程控制方法

無效

• 申請號: 200910086665.8
• 申請日: 2009-06-17
• 公開（公告）號: CN101602102A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 張虎;高永;鄭立靜;潘利文
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明屬于金屬材料制備技術領域，具體涉及一種無宏觀縮孔縮松缺陷的大長徑(高厚)比鑄件的鑄造生產方法。

背景技術

在鑄造生產中，液態金屬澆滿鑄型后，由于鑄型的散熱，液態金屬溫度下降，發生液態收縮，鑄件外表下降到凝固溫度時凝固一層硬殼，凍結內澆口，進一步凝固時硬殼內的金屬液在液態收縮與凝固收縮時由于得不到上方金屬液的補縮，往往在最后凝固的部分出現孔洞，容積大而集中的孔洞成為集中縮孔，或簡稱為縮孔；細小而分散的孔洞稱為分散性縮孔，簡稱為縮松。

在鑄件中存在任何形態的縮孔，都會由于它們減小受力的有效面積，以及在縮孔處產生應力集中現象，使鑄件的機械性能顯著降低。由于縮孔的存在還降低鑄件的氣密性和物理化學性能，最終使部件的廢品率增加。例如在航空發動機細晶葉片生產中，由于縮孔縮松的存在曾使廢品率高達80％。在用于板材加工或鍛造加工而生產的鑄錠中，由于縮孔縮松的存在，使鑄錠的致密度降低，可使用部分減少，從而造成極大浪費。

在某些合金的生產中(如鈦合金)，熱等靜壓被用來閉合鑄造過程中產生的縮孔縮松，但這種方法會增加加工成本，而且某些尺寸比較大的縮孔縮松通過熱等靜壓無法消除，在有些情況下，熱等靜壓后鑄件會發生變形，同時熱等靜壓后鑄件的某些性能會下降。

鑄造生產中主要通過設計合適的澆冒系統，金屬液在澆注沿程中通過散熱而形成一個自生的溫度梯度，同時通過加大澆道與冒口來保證補縮通道的通暢。但是由于某些合金的導熱率大，比熱容小等特點，或者由于鑄件的長徑(高厚)比較大，澆注過程中形成的自生溫度梯度往往并不能完全消除縮孔縮松。同時，增大澆道與冒口也會使生產成本大大增加。

附圖1a、1b為利用商品化軟件ProCAST對直徑60mm，高度分別為100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金鑄錠鑄造過程流動場與溫度場數值模擬與縮孔縮松缺陷預測的結果。結果表明在不同高度的鑄錠中，可用的致密無縮孔縮松部分長度均只有鑄錠下部的60-80mm。從這個位置開始，鑄錠的軸線上出現縮孔縮松，如圖1a，這是因為凝固過程中，金屬液有側向和縱向兩個散熱方向，因此柱狀晶向這兩個生長方向生長。在凝固初期，縱向生長和側向生長互不干擾，此時不會產生縮孔縮松。隨著凝固的進行，由于側向固液界面以平直的方式向前推進，如圖1b，有些位置的柱狀晶會接觸閉合，此時金屬液縱向的補縮通道被堵塞，其下方沒有完全凝固的位置就會產生縮孔縮松。因此，如果不改變鑄錠的散熱條件，只增加鑄錠的高度，并不能使鑄錠致密部分的長度增加。

附圖2a、2b為利用商品化軟件ProCAST對澆注溫度分別為1550℃、1600℃、1700℃，尺寸為Φ60mm×200mm的鑄錠鑄造過程流動場與溫度場數值模擬與縮孔縮松缺陷預測的結果。結果表明隨著澆注溫度的提高，鑄錠的凝固速度變慢，如圖2b，側向柱狀晶封閉補縮通道所需要的時間增加，縱向柱狀晶有更多的時間生長，從而使鑄錠致密部分的長度有所增加。但是側向固液界面仍然是以平直的方式向前推進。所以縮孔縮松改善的效果不顯著，如圖2a。

附圖3為利用商品化軟件ProCAST對冒口尺寸分別為80mm、100mm、120mm，尺寸為Φ60mm×200mm的鑄錠鑄造過程流動場與溫度場數值模擬與縮孔縮松缺陷預測的結果。結果表明隨著冒口尺寸的增大，冒口內金屬液凝固的速度變慢，對鑄錠上方補縮效果明顯，從而使鑄錠頂部的縮孔縮松減少。鑄錠側向固液界面的形態仍為平直狀，下部致密部分的長度沒有增加。

從前面的模擬結果可以看出，增加鑄錠長度、提高澆注溫度、加大冒口等方法并沒有使TiAl合金鑄錠中致密部分的長度增加，也就是說，澆注過程中鑄錠自生的縱向小溫度梯度不足以消除其縮孔縮松缺陷。因此，非常有必要尋找一種新的方法來有效實現鑄錠凝固過程中的順序凝固，減少鑄錠軸心上的宏觀縮孔縮松，從而提高鑄錠的利用率。

發明內容

本發明為了解決現有的鑄錠凝固過程中產生的縮孔縮松問題，使鑄錠或鑄件致密度更高，消除或減少宏觀的縮孔縮松，有效提高鑄錠的利用率與鑄件的成品率，提供了一種消除細長鑄件縮孔縮松的凝固過程控制方法。

本發明的原理是通過在鑄型外部強制加熱，使鑄型形成自上而下的正溫度梯度，當鑄型的溫度和溫度梯度達到預定值時，澆入金屬液，從而使金屬液內部形成一個的自上而下的外加小溫度梯度，鑄件實現順序凝固。并且鑄型最高溫度低于合金的固相線溫度，以保持鑄型對金屬液的冷卻能力，所以通常為等軸晶組織。