0. 引言

以導(dǎo)向器和機(jī)匣等為代表的高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,目前普遍采用精密鑄造技術(shù)制備。為滿(mǎn)足高性能、高可靠性和結(jié)構(gòu)輕量化的需求,這類(lèi)鑄件正向著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、產(chǎn)品輕量化和尺寸精確化方向發(fā)展,同時(shí)其顯微組織也要求細(xì)小、均勻、無(wú)缺陷[1-2]。但是,傳統(tǒng)精密鑄造工藝在良好充型和組織均勻細(xì)化方面存在尖銳的矛盾,制備的復(fù)雜薄壁鑄件容易出現(xiàn)欠鑄、疏松、晶粒粗大且不均勻和偏析等冶金缺陷,不能很好地滿(mǎn)足使用要求,從而成為制約高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的突出問(wèn)題[1]。

熱控凝固是將模殼溫度提高到合金固相線(xiàn)和液相線(xiàn)溫度之間以提高合金熔體充型能力的一種鑄造工藝[3-4]。為了實(shí)現(xiàn)充型和凝固的協(xié)同控制,研究者控制凝固界面前沿溫度梯度和晶粒生長(zhǎng)速率的比值以獲得等軸晶生長(zhǎng)條件,并將鑄件從熱區(qū)向冷區(qū)移動(dòng)以獲得順序充填[3-6]。熱控凝固過(guò)程中的凝固界面前沿溫度梯度與晶粒生長(zhǎng)速率的比值僅限于等軸晶生長(zhǎng)的較窄范圍內(nèi),凝固過(guò)程的控制非常復(fù)雜。由于之前研究的熱熔凝固工藝中模殼上下區(qū)保溫溫度不一致,所得鑄件組織嚴(yán)重不均勻[7-8],同時(shí)熱控凝固工藝參數(shù)對(duì)組織和缺陷的影響規(guī)律缺乏進(jìn)一步研究。為此,作者基于熱控凝固工藝的基本原理,借鑒定向凝固方法,提出了“低溫澆注、高溫充型、順序凝固”的新型熱控凝固工藝,研究了模殼溫度、抽拉速度等工藝參數(shù)對(duì)IN718高溫合金凝固組織的影響規(guī)律,獲得優(yōu)化的工藝參數(shù),并進(jìn)行復(fù)雜薄壁特征結(jié)構(gòu)件的成形試驗(yàn),以期為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件精密鑄造新技術(shù)的研發(fā)提供理論指導(dǎo)和工藝參考。

1. 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為IN718高溫合金,化學(xué)成分如表1所示,固相線(xiàn)和液相線(xiàn)溫度分別約為1270,1349℃。

在凝固過(guò)程中柱狀晶前沿出現(xiàn)等軸晶的條件[6,9-11]可表示為

從式（1）可以看出,增大n,R和−mC0（1−k0）以及降低G均有利于形成等軸晶組織。在定向凝固過(guò)程中,抽拉速度和模殼溫度的變化會(huì)引起G和R的變化。水冷銅盤(pán)的激冷作用使得鑄件底部產(chǎn)生較高的軸向溫度梯度,從而形成沿抽拉方向的定向柱狀晶組織；距水冷銅盤(pán)越遠(yuǎn),其沿著生長(zhǎng)方向的溫度梯度越小,因此在柱狀晶前沿出現(xiàn)等軸晶?？芍?在模殼與水冷銅盤(pán)之間加入隔熱層來(lái)減小軸向溫度梯度,以獲得整體等軸晶組織。

減少疏松缺陷是提高復(fù)雜薄壁鑄件性能的關(guān)鍵[12-13],而疏松缺陷的產(chǎn)生與補(bǔ)縮通道被堵塞和枝晶間區(qū)域液體不足導(dǎo)致無(wú)法補(bǔ)縮有關(guān)[7,12]。為了獲得在高于液相線(xiàn)溫度和低于固相溫度條件下新型熱控凝固工藝制備IN718合金的組織和性能變化規(guī)律,模殼溫度選擇1260~1350℃,且模殼上下區(qū)溫度保持一致。

新型熱控凝固工藝如圖1所示,其設(shè)備主要由熔煉系統(tǒng)、模殼保溫系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及抽拉系統(tǒng)等組成。采用氧化鎂坩堝進(jìn)行熔煉,將合金液在1380℃溫度下澆注到分別在1260~1350℃保溫1h的模殼中,然后以6~48mm·min−1抽拉速度將模殼整體從加熱爐抽拉到冷區(qū),制備得到直徑為30mm、高度為130mm的圓柱試樣。

圖 1新型熱控凝固工藝示意

Figure 1.Schematic of new thermally controlled solidification process

在圓柱試樣底部（距底端15mm）、中部（距底端55mm）和頂部（距底端100mm）處截取金相試樣,經(jīng)研磨、機(jī)械拋光后,用由15g CuSO4+3.5mL H2SO4+50mL HCl組成的溶液腐蝕后,利用Leic Ivesta 3型體視顯微鏡觀(guān)察晶粒形貌,用DM-4000M型光學(xué)顯微鏡（OM）觀(guān)察疏松形貌,按照GB/T14999.7—2010得到晶粒尺寸、斷面等軸晶比例以及疏松含量和尺寸。在優(yōu)化工藝下采用相同流程進(jìn)行復(fù)雜薄壁特征結(jié)構(gòu)件的成形試驗(yàn),結(jié)構(gòu)件的最小壁厚為1.8mm,高度為96mm,薄壁面積約為6400mm2,具體形狀和尺寸如圖2所示。在結(jié)構(gòu)件的中心位置處取樣,采用相同的方法處理后觀(guān)察其顯微組織、疏松形貌,并計(jì)算晶粒尺寸。

圖 2復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸

Figure 2.Shape (a) and dimension (b) of complex thin-walled structural part

2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同模殼溫度下的顯微組織

由圖3可見(jiàn),在抽拉速度為24mm·min−1條件下,隨著模殼溫度由1260℃升高到1350℃,試樣中部晶粒由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?。?/span>圖4可以看出：不同模殼溫度下試樣的晶粒尺寸在2.33~7.46mm范圍,斷面等軸晶比例由93%降低到41%。隨著模殼溫度的升高,合金液的冷卻速率降低,模殼表面的形核能力減弱,導(dǎo)致形核率降低,因此晶粒尺寸增大；高的模殼溫度也使得柱狀晶生長(zhǎng)前沿的溫度梯度增加,冷卻速率變慢,凝固時(shí)間變長(zhǎng),生長(zhǎng)速率降低,即G/R增大,從而抑制柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變[9-11],因此斷面等軸晶比例降低。此外,在相同條件下,試樣上部處于液/固兩相區(qū)時(shí)間較長(zhǎng),晶粒粗化時(shí)間長(zhǎng),其尺寸相比于底部和中部變大。隨模殼溫度的升高,不同位置處晶粒尺寸的差值變大,組織均勻性變差。當(dāng)模殼溫度不高于1290℃時(shí),晶粒尺寸的整體均勻性較好,且斷面等軸晶比例在90%左右。

圖 3不同模殼溫度下IN718高溫合金試樣中部的晶粒形貌（抽拉速度24mm·min−1）

Figure 3.Grain morphology of middle of IN718superalloy samples under different mold temperatures (withdrawal rate of 24mm·min−1)

圖 4不同模殼溫度下IN718高溫合金試樣的晶粒尺寸隨距底端距離的變化曲線(xiàn)以及斷面等軸晶比例（抽拉速度24mm·min−1）

Figure 4.Average grain size vs distance from bottom curves (a) and proportion of section equiaxed grains (b) of IN718superalloy samples under different mold temperatures (withdrawal rate of 24mm·min−1)

由圖5可見(jiàn),當(dāng)模殼溫度為1260℃時(shí),試樣中部疏松含量最多,尺寸較大且呈聚集分布。這主要是由于此時(shí)剩余液相構(gòu)成的毛細(xì)管通道封閉,且枝晶間的剩余液相較少,沒(méi)有充足的液體補(bǔ)縮。隨著模殼溫度的升高,疏松分散分布且面積分?jǐn)?shù)從0.99%減少到0.13%,平均尺寸由21.75μm減小到9.34μm。在熱控凝固過(guò)程中當(dāng)模殼溫度高于固相線(xiàn)時(shí),枝晶間有足夠的剩余液體通過(guò)連通的毛細(xì)管通道進(jìn)行補(bǔ)縮；同時(shí)模殼溫度的升高使得枝晶間剩余液相增多,且枝晶搭接后的毛細(xì)管通道保持暢通。這有利于減少疏松含量。

圖 5不同模殼溫度下IN718高溫合金試樣中部的疏松形貌以及疏松面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸隨模殼溫度的變化曲線(xiàn)（抽拉速度24mm·min−1）

Figure 5.Microporosity morphology of middle of IN718superalloy samples under different mold temperatures (a–d) and area fraction and average size of microporosity vs mold temperature curves (e) (withdrawal rate of 24mm·min−1)

2.2 不同抽拉速度下的顯微組織

由圖6可見(jiàn),在不同抽拉速度下制備的合金試樣中部均為等軸晶組織。由圖7可以看出,當(dāng)抽拉速度從6mm·min−1增大到48mm·min−1時(shí),試樣中部的晶粒尺寸從3.66mm減小到2.69mm。當(dāng)抽拉速度不小于24mm·min−1時(shí),試樣頂部和底部的晶粒尺寸相差較小,組織均勻性較好。隨著抽拉速度的增大,合金液的冷卻速率增大且形核率增大,導(dǎo)致晶粒細(xì)化。當(dāng)抽拉速度較低時(shí),合金試樣處于固相線(xiàn)和液相線(xiàn)溫度之間且未完全凝固,晶粒粗化時(shí)間較長(zhǎng),致使晶粒尺寸較大且組織不均勻。因此,為了獲得均勻的晶粒組織,抽拉速度應(yīng)控制在24~48mm·min−1。

圖 6不同抽拉速度下IN718高溫合金試樣中部的晶粒形貌（模殼溫度1290℃）

Figure 6.Grain morphology of middle of IN718superalloy samples under various withdrawal rates (mold temperature of 1290℃)

圖 7不同抽拉速度下IN718高溫合金試樣的晶粒尺寸隨距底端距離的變化曲線(xiàn)（模殼溫度1290℃）

Figure 7.Grain size vs distances from bottom curves of IN718superalloy samples under different withdrawal rates (mold temperature of 1290℃)

由圖8可見(jiàn),隨著抽拉速度的增大,試樣中部疏松尺寸增大,數(shù)量增多。當(dāng)抽拉速度不大于24mm·min−1時(shí),疏松尺寸較小且數(shù)量較多；當(dāng)抽拉速度大于24mm·min−1時(shí),疏松明顯增多且尺寸變大。隨著抽拉速度的增大,疏松面積分?jǐn)?shù)由0.18%增加到6.6%,平均尺寸由9.37μm增加到30.21μm。抽拉速度對(duì)疏松的影響主要與冷卻速率的變化有關(guān)。在低的抽拉速度下,冷卻速率較慢,合金液補(bǔ)縮的毛細(xì)管通道發(fā)生堵塞的概率較小,剩余合金液可以通過(guò)未堵塞的毛細(xì)管通道進(jìn)行補(bǔ)縮從而減少疏松[8]。當(dāng)抽拉速率較大時(shí),冷卻速率增大,枝晶間合金液的毛細(xì)管通道變長(zhǎng)且易凝固堵塞,剩余合金液補(bǔ)縮距離變長(zhǎng)且補(bǔ)縮通道減少,無(wú)法進(jìn)行有效補(bǔ)縮,導(dǎo)致疏松數(shù)量增加。抽拉速度過(guò)大還會(huì)使凝固時(shí)間變短,合金液有效補(bǔ)縮時(shí)間縮短,導(dǎo)致疏松增多。綜上可知,IN718合金最優(yōu)的新型熱控凝固工藝參數(shù)為模殼溫度1290℃、抽拉速度24mm·min−1。

圖 8不同抽拉速度下IN718高溫合金試樣中部的疏松形貌及疏松面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸隨抽拉速度的變化曲線(xiàn)（模殼溫度1290℃）

Figure 8.Microporosity morphology of middle of IN718superalloy samples under different withdrawal rates (a–e) and area fraction and average size of microporosity vs withdrawal rate curves (f) (mold temperature of 1290℃)

2.3 最優(yōu)工藝下結(jié)構(gòu)件的顯微組織

在澆注溫度1380℃、模殼溫度1290℃、抽拉速度24mm·min−1優(yōu)化工藝下,采用新型熱控凝固工藝制備IN718合金結(jié)構(gòu)件。由圖9可見(jiàn),采用優(yōu)化新型熱控凝固工藝可獲得充型完整的大面積薄壁特征結(jié)構(gòu)件,最小壁厚為1.8mm,薄壁面積不小于6400mm2,晶粒全部為等軸晶,晶粒尺寸為0.81mm且不同位置處的晶粒尺寸相差較小,疏松分散分布且數(shù)量較少,平均尺寸為7.88μm,面積分?jǐn)?shù)為0.2%。

圖 9優(yōu)化新型熱控凝固工藝下結(jié)構(gòu)件的外觀(guān)、中部顯微組織和疏松形貌

Figure 9.Appearance (a) and microstructure (b) and microporosity morphology (c) of middle part of structural part under optimized new thermally controlled solidification

3. 結(jié)論

（1）當(dāng)澆注溫度和抽拉速度一定時(shí),隨著模殼溫度的升高,IN718合金的組織由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?斷面等軸晶比例由98%降低到41%,晶粒尺寸由2.33mm增加到7.46mm且組織均勻性變差,疏松數(shù)量減少,尺寸減小。

（2）當(dāng)澆注溫度和模殼溫度一定時(shí),隨著抽拉速度的增大,IN718合金組織均為等軸晶,晶粒尺寸從3.66mm減小到2.69mm,疏松數(shù)量增加,尺寸增大；當(dāng)抽拉速度不小于24mm·min−1時(shí),不同位置處的晶粒尺寸差較小,組織均勻性較好。

（3）IN718合金最優(yōu)的新型熱控凝固工藝參數(shù)為模殼溫度1290℃、抽拉速度24mm·min−1,采用最優(yōu)新型熱控凝固工藝制備出了晶粒尺寸為0.81mm、疏松面積分?jǐn)?shù)僅為0.2%、最小壁厚為1.8mm的IN718合金大面積薄壁特征結(jié)構(gòu)件。

文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)