[發(fā)明專利]一種整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410062854.2
• 申請日: 2014-02-24
• 公開（公告）號: CN103817313A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設計）人: 韋華;張洪宇;鄭啟;吳多利;金濤;孫曉峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B22D27/02
• 分類號: B22D27/02;C22C33/06;C22C38/14;C21D9/32
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發(fā)明涉及向心葉輪鑄件領域，具體為一種合金整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，該方法可有效改善向心葉輪鑄件整體晶粒度。

背景技術

向心葉輪鑄件主要用于發(fā)動機或是其輔助動力裝置中，通常在工作環(huán)境中承受較大的離心力和氣動力，對鑄件的性能和質量要求較高，一般具有尺寸大、結構復雜、壁厚不均勻等特點。通過晶粒細化技術，可有效改善葉輪鑄件的中溫持久強度和抗疲勞性能，但在整體細晶鑄造時，極易出現(xiàn)晶粒分布不均勻、裂紋、縮孔等缺陷；向心葉輪葉尖是薄壁結構，極易變形，整體細晶鑄造技術難度大。

細晶鑄造技術是通過控制普通熔模鑄造工藝，強化合金的形核機制，在鑄造過程中是合金形成大量結晶核心，并阻止晶粒長大，從而獲得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均勻、細小、各向同性的等軸晶鑄件，較典型的細晶鑄造晶粒度為美國標準ASTM0～2級。細晶鑄造在晶粒細化同時，尤其細化合金中的初生碳化物和γ′強化相，并改善其形態(tài)及其分布，進而改善合金性能。因此，細晶鑄造的突出優(yōu)點是大幅提高鑄件在中低溫（≤760℃）條件下的低周疲勞性能，顯著減小鑄件力學性能數(shù)據(jù)的分散度，從而提高鑄件的設計容限。同時，該技術還在一定程度上改善鑄件的抗拉性能和持久性能，并使鑄件具有良好的熱處理性能。細晶鑄造技術還可以改善合金鑄件的機械加工性能，減小螺孔和刀形銳利邊緣等處產(chǎn)生加工裂紋的潛在危險。因此，整體細晶鑄造工藝技術已成為中溫及以下使用的零部件制造技術關鍵。

工業(yè)發(fā)達國家，尤其是美國和德國，早在20世紀70年代末就開始了細晶鑄造技術的研究和應用，20世紀80年代中后期趨于成熟，目前該技術已在航空、航天等領域廣泛應用。如美國Howmet公司利用細晶鑄造技術成功的制造了IN792MOD5A、Mar-M247、IN713C、IN718等合金整體渦輪，使渦輪的低周疲勞壽命提高了2～3倍。德國、法國在新型號航空發(fā)動機上也采用了細晶整體渦輪鑄件。

國內對細晶鑄造技術研究從20世紀80年代末開始起步，經(jīng)過“八五”和“九五”期間的研究和應用，對合金細晶鑄造工藝進行了較系統(tǒng)的研究，但在航空發(fā)動機中應用尚不廣泛，尤其對作為轉動件的整體向心葉輪的細晶鑄造工藝還未進行過研究。

發(fā)明內容

為了克服現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種在磁場作用下的細晶鑄造工藝來制備整體細晶向心葉輪鑄件的方法，解決向心葉輪葉尖的薄壁結構易產(chǎn)生欠鑄，整體細晶鑄造技術難度大，在機械振動法和鑄型旋轉法中容易產(chǎn)生鑄造裂紋等問題。

本發(fā)明的技術方案是：

一種整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）合金熔煉：按照合金的化學成分和配比配料，采用真空感應爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應細晶鑄造爐熔化母合金錠，并在1450～1550℃精煉3～7分鐘，然后降溫至澆鑄溫度，爐內真空度為0.1～5Pa；

（2）澆鑄過程：經(jīng)步驟（1）處理后的合金進行澆鑄，獲得整體向心葉輪鑄件，澆鑄溫度1380～1450℃；

（3）細化過程：整體細晶向心葉輪鑄件晶粒度控制工藝為，將步驟（2）的向心葉輪置于雙向旋轉電磁場中，靜置時間8秒～30秒后，施加150A～300A，3Hz～15Hz的雙向旋轉電磁場；待鑄件完全凝固后，停止攪拌，獲得整體細晶向心葉輪鑄件。

所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，雙向旋轉電磁場中的正、反相磁場旋轉時間20～40秒，換向時間2～8秒。

所述的整體細晶向心葉輪鑄件的制備方法，制得的整體細晶向心葉輪鑄件按使用要求不同，進行后續(xù)的熱處理：

熱處理制度：①1185℃±10℃保溫1～3小時，空冷至室溫；②1121℃±10℃保溫1～3小時，空冷至室溫；③843℃±10℃保溫20～30小時，爐冷或空冷至室溫。

步驟（2）澆鑄過程中，采用Al₂O₃制備陶瓷型殼，澆鑄近成型合金鑄件。

步驟（2）澆鑄前，澆鑄的模殼在850℃以上預熱3～5小時。

真空感應爐用的冶煉坩堝選用MgO坩堝，真空感應爐用的測溫系統(tǒng)為W－Re電偶，測溫保護套管為外層涂覆ZrO₂或CeO和BN的Mo-Al₂O₃金屬陶瓷管。