[發明專利]鎳基高溫合金精密鑄造細化晶粒和組織的工藝方法及系統

在審

• 申請號: 202010401635.8
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111545710A
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 王再友;王章忠;劉惠明;巨佳;王玨
• 申請（專利權）人: 南京工程學院;江陰鑫寶利金屬制品有限公司
• 主分類號: B22C9/04
• 分類號: B22C9/04;B22C9/08;B22C9/20;B22C9/28;B22D1/00;B22D27/20;B22D27/15;B22D41/48
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 范金榮

本發明公開了一種鎳基高溫合金精密鑄造細化晶粒和組織的工藝方法及系統，包括以下步驟：首先設計由合金熔煉坩堝、熔池隔片、直澆道、內澆道和集料包組成的合金熔煉充型與組織細化系統，采用熔模鑄造的傳統工藝方法制備具有合金熔煉充型與組織細化系統的熔鑄成型型殼；然后將熔池隔片安放固定于檢驗合格的熔鑄成型型殼型腔中形成合金熔煉坩堝，在納米細化劑與母合金料裝入合金熔煉坩堝后將熔鑄成型型殼整體置入高頻真空感應爐中進行熔鑄成型，合金熔煉坩堝中金屬液在熔池隔片熔化后借助電磁攪拌和重力作用進行充型凝固，即得晶粒和組織細小的鎳基高溫合金精密鑄件。該工藝方法生產操作簡便，細化效果顯著，工藝穩定可靠，尤其適用于中小型鑄件。

技術領域

本發明涉及一種改善鑄件組織的鑄造工藝方法及系統，尤其涉及一種鎳基高溫合金精密鑄造細化晶粒和組織的工藝方法及系統，用于細化鎳基高溫合金精密鑄件晶粒尺寸和組織結構，適用于鑄造高性能中小型鑄件，屬于精密鑄造技術領域。

背景技術

鎳基高溫合金是現代工業中應用最為廣泛的高溫合金。隨著航空、航天、石油、化工、艦船、汽車的快速發展，對鎳基高溫合金鑄件力學性能要求越來越高。細化晶粒組織是提高鑄件力學性能的最佳方法。晶粒細化既可提高強度，又可增強韌性，還可改善熱疲勞性能和降低熱裂敏感性。理論上液態成型可通過添加稀土、外加磁場電磁攪拌和快速冷卻等工藝措施細化晶粒，固態成型可采用等徑角道擠壓(ECAE)和大比率擠壓、熱鍛等工藝措施細化晶粒。然而，這些方法均有其自身的局限性和適應范圍。孟祥煒等采用熱控細晶鑄造法，通過內置保溫爐精確控制鑄型溫度，較大幅度地降低澆注過熱度，增大鑄件冷卻速度，盡管可達到限制晶粒長大和細化晶粒的目的，但由于對溫度的控制要求極為嚴格，感應熔煉中金屬液澆注溫度的控制比較難，需要澆注溫度及鑄型預熱溫度良好的匹配才能得到充填完整、晶粒細小的合格鑄件，對生產工藝操作要求較為苛刻，難以應用于工業化批量生產鑄件。細化效果的穩定性、工藝方法的操作性是高性能鎳基高溫合金鑄件生產需要解決的技術難題。

目前，鎳基高溫合金鑄件通常采用熔模鑄造生產，具體步驟為工藝設計、型殼制備、合金熔煉、澆注充型、冷卻凝固、鑄件清理和質量檢驗。真空感應電爐熔煉是生產鎳基高溫合金鑄件的主要熔煉方法，添加稀土雖然可細化鎳基高溫合金鑄件晶粒，但細化效果不理想、穩定性差，在較高溫度和較高真空度時稀土損耗因與坩堝耐火材料的反應加劇、揮發速率提高而顯著增加，稀土含量和鑄件組織控制難度大，細化晶粒和組織結構的新型工藝方法研發與應用是高性能鎳基高溫合金精密鑄件生產亟待解決的關鍵問題。

發明內容

本發明的目的在于解決鎳基高溫合金精密鑄件生產中晶粒尺寸和組織結構粗大、克服現有技術中細化效果穩定性差和工藝復雜的問題，提供一種鎳基高溫合金精密鑄造細化晶粒和組織的工藝方法及系統，技術方案如下：

鎳基高溫合金精密鑄造細化晶粒和組織的工藝方法，包括以下步驟：

基于零件技術要求，分析零件結構鑄造工藝性，確定鑄造工藝方案，設計合金熔煉充型與組織細化系統；

制作底部有集料包的直澆道、內澆道、和鑄件蠟模及熔池隔片；

將內澆道、鑄件蠟模以及集料包和直澆道蠟模裝配成整體蠟模組，采用熔模鑄造的工藝方法制備具有合金熔煉充型與組織細化系統的熔鑄成型型殼；

對熔鑄成型型殼進行型腔清理和質量檢驗，質量檢驗合格后將熔池隔片安放固定于熔鑄成型型殼型腔中形成合金熔煉坩堝；

選擇并添加適量納米細化劑，將納米細化劑與母合金料裝入合金熔煉坩堝中；

將合金熔煉坩堝裝有納米細化劑與母合金料的熔鑄成型型殼整體置入高頻真空感應爐中進行熔鑄成型，合金熔煉坩堝中金屬液在熔池隔片熔化后借助電磁攪拌和重力作用下進行充型凝固，得到鑄件。

進一步地，熔池隔片為圓柱形，熔池隔片的阻流面積和厚度依據鑄件充型時間、合金熔煉時間進行確定，熔池隔片的材質與鑄件合金母料相同。