[發明專利]能夠消除鑄件中雀斑的定向凝固方法

有效

• 申請號: 201610345111.5
• 申請日: 2016-05-23
• 公開（公告）號: CN105964991B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 李秋東;沈軍;秦嶺
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;C30B11/00;C30B29/52
• 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

本發明屬于鎳基高溫合金定向凝固領域，具體是一種能夠消除橫截面突變的葉片類鑄件表面雀斑的定向凝固方法。

背景技術

由于燃氣輪機渦輪葉片的尺寸和質量遠大于航空發動機葉片。因此，通常使用的消除橫向晶界，獲得定向晶或單晶的高速凝固法(HRS法)定向凝固技術由于冷卻能力不足等原因，導致雀斑等鑄造缺陷的出現概率增大。雀斑缺陷一種宏觀偏析，由縮松，共晶，碎斷的枝晶臂等組成，降低葉片的高溫力學性能。

目前普遍認為雀斑的形成跟熱質對流有關。在豎直向上的Bridgman法定向凝固中，一次枝晶生長方向與熱流方向相反。像W、Re等重元素傾向于偏析于枝晶干，而像Ti，Al這種輕元素傾向于偏析于枝晶間。這樣，就使得下部糊狀區中液相密度小于上部枝晶尖端前沿附近的液相密度，從而糊狀區中低密度的液相向上流動。同時上部液相向下流動來補充向上的流動。向上的流動通過重熔或蠕變來折斷枝晶臂，而向下的補充流促進枝晶生長，這樣就在向上的流動路徑上形成熔質通道。該熔質通道最后凝固，成為雀斑。

工藝參數(如溫度梯度)及凝固界面的形狀影響雀斑的形成傾向。當溫度梯度增大時，一次枝晶臂間距減小，增大對流流動阻力，降低雀斑形成傾向。當凝固界面呈下凹形狀時，熔體傾向于向鑄件表面流動，使雀斑出現在鑄件表面，并且凝固界面的傾斜程度越大，熔體越傾向于向鑄件表面流動，最終雀斑形成的概率也增加。

現有的向下定向凝固技術(Downward Directional Solidification Process)方法，通過消除密度反轉來抑制熱質對流達到消除雀斑的效果，但是該方法需要對設備做出大的改變，成本高。液態金屬冷卻法(LMC法)，通過提高冷卻速率來細化枝晶組織，增大熱質對流流動阻力，從而降低雀斑的形成傾向，但是該方法除了需要對設備進行改造外，使用的冷卻介質可能污染鑄件，增大成本。自發定向凝固(Autonomous Directional Solidification)技術，將合金過冷到某一程度，通過縮短凝固時間迫使熱質對流來不及形成來達到抑制雀斑的目的，但是該技術對溫度控制要求高，并且需要在模殼內表面加抑制形核的涂層，操作復雜，難度大。對于燃氣輪機渦輪葉片這類截面突變的鑄件，雀斑通常出現在葉片上截面突變區域。因此，增大截面突變區域的溫度梯度，降低凝固界面的傾斜程度，從而減弱熱質對流來降低定向凝固過程中雀斑形成傾向尤為重要，并且采取的方法成本還要低。

發明內容

為解決由于現有截面突變鑄件定向凝固過程中截面突變區域的溫度梯度過低及凝固界面下凹而導致雀斑出現的問題，本發明提出了一種能夠消除鑄件中雀斑的定向凝固方法。

本發明的具體步驟如下：

步驟1，確定截面突變鑄件定向凝固過程中的溫度梯度分布及凝固界面形狀。利用ProCAST軟件對截面突變鑄件的定向凝固過程按常規方法進行數值模擬，并進行后處理，得到截面突變鑄件定向凝固過程中的溫度梯度分布及凝固界面形狀。