[發明專利]控制鎳基高溫合金臺階狀鑄件雜晶缺陷的定向凝固方法

有效

• 申請號: 201510072499.1
• 申請日: 2015-02-11
• 公開（公告）號: CN104690256B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 秦嶺;沈軍;高淑新;李秋冬
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;B22C9/04
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明涉及高溫合金鑄件的定向凝固技術，具體是一種控制高溫合金臺階狀鑄件雜晶缺陷的定向凝固方法。

背景技術

高溫合金具有良好的高溫力學性能，主要應用在航空發動機以及工業燃氣機中高溫部件的制造。而渦輪葉片等是航空發動機和工業燃氣輪機的最核心部件，隨著對飛機發動機和工業燃氣機更大動力的需求，要求其葉片等必須在更高溫度、更大壓力下工作，這就需要將高溫合金通過定向凝固的方法制造成具有定向晶組織或單晶組織的渦輪葉片或其它鑄件，并且對凝固組織的缺陷進行嚴格的控制，對雜晶缺陷必須控制到很低的水平，甚至完全消除。由于高溫合金葉片等鑄件形狀復雜，或形狀復雜并且尺寸大,常常導致鑄件在截面尺寸變化的區域溫度場發生突然的、大幅度的變化，使傳熱過程很不均勻，并由此引起凝固的界面形狀不平以及溫度梯度下降，使該區域容易出現雜晶這類凝固缺陷。

目前高溫合金定向晶葉片或單晶葉片等鑄件主要通過在具有足夠高的高溫強度的陶瓷型殼中通過Bridgman定向凝固的方式進行制造。這種制造工藝所需要的陶瓷型殼采用單一的型殼材料。在鑄件截面尺寸變化大的區域，傳統的、單一材料的型殼，由于其恒定的導熱率，無法與截面幾何形狀的變化相匹配，導致鑄件散熱在不同部位不均勻。在復雜幾何形狀鑄件的定向凝固過程中，當凝固界面推進到截面突增的區域后，大截面的外拐角部位等區域散熱速度很快，形成大的過冷度，使凝固界面前沿會形成新的結晶核心,該結晶核心進一步長大并阻止原來柱狀晶或單晶的繼續生長，從而形成雜晶缺陷。

總之，雜晶缺陷的形成過程中，型殼與鑄件的形狀之間在有些局部不匹配導致導熱的不均勻起到了非常重要的作用，這是問題的癥結所在。目前的這種定向凝固技術容易形成雜晶缺陷。雜晶這類缺陷破壞了凝固組織的定向性和單晶組織的完整性,形成了新的晶界缺陷，從而會導致發動機或燃汽輪機葉片等鑄件的使用壽命大幅降低，或者報廢。目前包括雜晶在內的凝固缺陷是高溫合金定向晶或單晶鑄件不合格率高居不下的主要原因。如，國際上幾大公司General?Electric、Alstom、Siemens、Mitsubish生產的渦輪定向晶及單晶葉片的不合格率達20-30％，而國內的不合格率則高達60-70％。如果能找到一些新的方法，充分控制定向凝固過程的散熱速度和其幾何形狀變化之間的協調性，使其凝固過程散熱更加均勻，則可以減少雜晶，甚至消除雜晶，從而使定向凝固的葉片等鑄件的不合格率顯著減少。而且通過檢索國內外的專利文獻和論文數據庫可知,目前國內外尚未見到通過調控局部型殼導熱率的定向凝固方法來控制雜晶缺陷的報道。

發明內容

為克服現有技術中存在的由于型殼與鑄件的形狀之間在有些局部不匹配導致導熱的不均勻導致鑄件的雜晶缺陷的不足，本發明提出了一種控制鎳基高溫合金臺階狀鑄件雜晶缺陷的定向凝固方法。

本發明具體過程是：

步驟1，確定界面前沿過冷度較大的部位；通過Procast鑄造軟件對臺階狀鑄件的定向凝固全過程進行數值模擬計算分析。具體過程是：

第一步，生成鑄件的網格。采用常規方法進行鑄件的網格劃分，得到該鑄件的網格模型。檢查所述鑄件的網格中可能存在的錯誤；所述的錯誤包括負體積和網格節點交叉；若發生所述錯誤，則重新進行鑄件的網格劃分；若無錯誤則進行第二步；

第二步，生成扣箱的網格。在制作扣箱時，采用常規方法進行扣箱的網格劃分，得到該扣箱的網格模型。檢查所述扣箱的網格中可能存在的錯誤；所述的錯誤包括負體積和網格節點交叉；若發生所述錯誤，則重新進行扣箱的網格劃分；若無錯誤則進行第三步；

第三步，向Procast軟件中輸入鑄件和型殼的物性參數，所述的物性參數是通過常規方法得到的該鑄件在不同溫度下的導熱率、粘度、密度，以及型殼在不同溫度下的導熱率。

第四步，確定定向凝固過程中的邊界條件。所述的邊界條件包括型殼與鑄件的傳熱系數和扣箱的發射率。所述的傳熱系數的值，是指在穩定傳熱條件下，該鑄件與型殼界面兩側空氣溫差為1℃時，1s內通過1m²面積傳遞的熱量，該傳熱系數的單位是W/m²·℃。

第五步，設定扣箱的移動速率和定向凝固過程的初始條件。所述扣箱上不同區域為該扣箱分別與定向凝固爐的加熱區、隔熱板區和冷卻區對應的部位。所述扣箱的移動速率與抽拉系統的抽拉速率相同。

第六步，確定界面前沿過冷度較大的部位。所述在確定界面前沿過冷度較大部位時，通過求解N-S方程得到定向凝固過程中固液界面形貌的變化，并根據所述定向凝固過程中固液界面形貌的變化確定界面前沿過冷度較大的部位。