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高温合金净化技术研究现状
作者:管理员    发布于:2018-07-02 09:04:53    文字:【】【】【

  铸造高温合金净化技术研究现状尹志冬,戴斌煜,刘智彬,商景利,王薇薇(南昌航空大学航空制造工程学院,江西南昌330034净化、电磁软接触成形净化等,并讨论了净化机制与净化效果,展望了高温合金净化技术的发展趋势。

  高温合金因其具有较高的高温强度、良好的抗氧化及抗热蚀性能等综合性能,被广泛用于航空发动机叶片等关键部件。目前,优质高温合金几乎毫无例外地都采用真空感应熔炼法进行一次熔炼,然后再二次熔炼,甚至三次熔炼。真空感应炉熔炼高温合金尽管带来了一系列优点,但仍不可避免地存在高温合金与坩埚壁的化学反应,生成活泼元素的氧化物,如AI2O3、Zr2、Cr3、NiO以及稀土元素氧化物等。由于母合金棒在浇注前熔体中已含有一定量的非金属夹杂物,加之在浇注过程中浇道系统还会进入夹杂物,同时在母合金重熔过程中又要再次经受坩埚污染和真空度不高造成的钢液氧化,使浇注前熔体表面会浮上一层更厚氧化膜,如不采取措施,这些氧化物夹杂会进入高温合金铸件中。非金属夹杂物是高温合金铸件的一种常见缺陷,它不仅降低液态金属流动性、造成铸件孔洞类缺陷,而且使材料的机加工性能和表面处理性能恶化,从而降低了材料力学性能、增加废品率、降低零件使用寿命。如何提高高温合金的纯净度,进一步发挥该材料的应用潜力已成为一个急待研究的重要课题。国内外冶金工作者对此进行了大量研究,本文给予简要介绍。

  1高温合金净化技术现状提高高温合金的纯净度目前主要有两条途径,一种是采用物理或化学方法去除高温合金中的非金属夹杂物,如泡沫陶瓷过滤法、旋转铸锭法、BIAM优质工艺法、复合熔盐净化法等;另一种是避免高温合金凝固成形过程中的污染,如电磁软接触成形净化。

  1.1泡沫陶瓷过滤技术泡沫陶瓷过滤技术出现于20世纪70年代末、80年代初。泡沫陶瓷板过滤器是由细密的陶瓷枝干骨架构成的三维连续网状结构。其过滤机理有三个方面:一是在过滤板的各个孔洞口处阻挡夹杂物颗粒,有的地方甚至积累成“滤饼”,而“滤饼”又能阻挡住一些更小的夹杂物;二是金属熔体通过过滤板时,由于过滤板内部通道曲折多变,熔体流速变化较大,一些很细小杂质颗粒即沉淀于过滤板内部的一些角落;三是由于过滤器骨架有巨大的表面,而且这种陶瓷骨架本身也是一种内部有相互连通孔洞及微细通道的多孔陶瓷体,这种陶瓷表面不被金属熔体润湿,有很强的吸附能力,能吸附合金中不被金属熔体润湿的固态微细夹杂物或呈液态的熔剂夹杂。以上三种机制综合作用的结果,不但可以滤掉合金熔体中小至1020pm的微细夹杂物颗粒,而且还能滤掉一般过滤介质难以滤除的液态熔剂夹杂及部分有害的金属元素。因此,泡沫陶瓷过滤技术用于高温合金可以显著提高铸件的力学性能和成品率。

  北京科技大学分别用美国HITEC公司生产的Mg-PSZZrO2泡沫陶瓷过滤器和北京昌平特种陶瓷材料研究所生产的30°%ZrO2+70°%A123泡沫陶瓷过滤器对高温合金进行了过滤试验。对过滤后的试样进行了扫描电镜分析,研究结果表明,两种过滤器对高温合金中氧化物夹杂均有显著去除作用。

  营口市镁质材料研究所也对高温合金进行了过滤净化试验研究。试验采用以电熔刚玉为基的泡沫陶瓷过滤器,浇注的高温合金熔体最高温度为1580°C,合金熔体质量为120kg,过滤时间为90s左右。过滤前后的试样显微分析结果表明,泡沫陶瓷过滤能显著降低合金熔体的氧化物夹杂。

  东北大学等单位对铸造钴基高温合金K640S返回料进行了过滤净化,其中过滤网为氧化锆泡沫陶瓷,陶瓷球为实心氧化铝陶瓷球。对过滤与未过滤的试样进行显微分析及力学性能测试,结果表明,过滤后合金夹杂物含量明显减少,尤其是0、N含量大为降低,都在10-5左右;合金中的显微疏松数量显著降低,高温塑性得到提高;在900°C、314MPa条件下,过滤合金与未过滤合金相比,持久寿命有较大提高,接近新料水平。

  口杯火料mi新呦陶瓷过滤器不意re 1.2旋转铸锭工艺日本在用旋转铸锭工艺减少高温合金中非金属夹杂物方面取得了较好的效果,并在工业生产中得到了应用。如所示,其原理为:旋转锭模,因为离心力作用,轻的夹杂物集中到中心部,小的夹杂物聚集成为大的夹杂物,夹杂物因浮力而上升,被捕捉在冒口部分,最后切割冒口将夹杂物从合金中除去。为防止旋转铸锭产生环状偏析,确定合适的旋转速度和旋转时间,并在铸锭后期如何减速旋转,直至铸锭完全凝固是关键,这样可以得到完全没有环状偏析的铸锭。

  近年来,北京航空材料研究院(简称BIAM致力于高温合金锭生产研究,从合金锭生产的各个环节进行研究,结合不同合金要求,研究出了一套优质高温合金锭的生产制造技术(简称BIAM优质工艺。BIAM优质工艺就是严格控制设备的漏气率,在一定的真空度下,按照合适的精炼温度和精炼时间,配合有效的挡渣过滤和电磁搅拌,对耐火材料进行适当的预处理,从而使合金中的气体和杂质含量达到很低的水平。考虑到锭模的内表面状态,采用合适的浇注温度、锭模预热温度、保温冒口技术和合金锭表面处理技术,从而使合金锭的表面质量和断面质量优于国外或满足国外同类合金锭的技术条件要求。由于优质工艺熔炼的合金纯净度提高,从而使合金的性能明显提高。采用BIAM优质工艺技术制造的高温合金,如定向合金DZ4、DZ22B、金属间化合物基合金IC6和单晶合金DD3等,其气体含量和杂质含量均已达到了国外优质航空型母合金的质量水平,并已用于制造我国先进航空发动机涡轮叶片。采用该技术制造的IN713LC和738LC合金锭,其气体含量和杂质含量均远远低于国外用于制造发动机的母合金技术条件要求,并出口国外。所有合金锭的表面质量和断面质量均满足或接近国外同类高温合金锭的要求。

  北京航空材料研究院采用BIAM优质工艺法对定向高温合金DZ125返回料进行了净化研究,对净化后的返回料锭和常规工艺生产的新料锭在纯净度、化学成分、力学性能和铸造性能方面进行对比。结果表明,采用本净化技术熔炼的返回料锭的氧化夹杂数量比原始返回料和新料锭降低了67°%和24%左右,化学成分、力学性能能够达到新料的水平,铸造性能与新料相当。

  1.4电磁软接触成形净化技术高温合金在熔炼过程中,合金熔体长时间与坩埚壁接触会发生化学反应,生成活泼元素的氧化物污染了合金熔体。为了降低这种污染,西北工业大学凝固技术国家重点实验室开发了一种高温合金电磁软接触成形工艺,制备叶片类铸件获得了初步成功。这种方法的原理是借助于交变电磁场与液态金属相互作用产生的电磁压力可使高温合金呈半悬浮状态,减少了熔体与坩埚壁的接触面积和时间,能尽可能避免污染的产生。

  电磁软接触成形净化是基于避免外来杂质污染高温合金这一思路,源于这一思路的另一种合金净化方法就是冷坩埚真空熔炼技术。采用一种可通水冷却的由众多铜管组合而成的冷坩埚,取代原有陶瓷型坩埚,即可有效的排除坩埚材料对熔炼金属的污染。由于对坩埚壁的强制冷却,其表面温度足以防止熔融金属与坩埚接触时可能发生的任何反应。冷坩埚感应熔炼的特征及应用为:熔融金属不受坩埚材料污染,适用于活性金属及难熔金属的熔炼;强的电磁搅拌可迅速得到成分、温度一致的熔池,适用于熔炼成分复杂且元素间物性差异较大的多元合金。目前电磁冷坩埚熔炼技术已用于钛合金的熔炼,并得到了高纯净度的钛合金锭。

  1.5复合熔盐净化技术西北工业大学采用自制净化剂和循环过热相结合的方法,研究了不同净化剂对高温合金的净化效果,探讨了复合熔盐的净化机理。复合熔盐净化法和循环过热法是从消除液态金属内的异质晶核入手,可以实现千克级大体积试样的深过冷。实验确定净化剂主要由氟化物、氯化物、少量稀土化合物和金属氧化物构成。将熔盐原料按配方配好,搅拌均匀后置于刚玉坩埚中,在电阻炉中于11001200K烧结成块状,冷却后粉碎成粉末状。将高温合金锭置于坩埚中,上下加入适量粉末状复合熔盐净化剂,在氩气保护下进行循环过热熔炼,过热度不宜超过190K.超声波处理技术也是一种新型的净化技术,利用水平超声波照射金属液时,其中的微小非金属夹杂物会凝聚于波腹,结成串或块状的大体积夹杂物,有利于上浮分离,便于去除。

  上述合金净化技术有的已用于高温合金净化,并取得了良好效果,有的还有待于进一步完善。21世纪能源与绿色制造问题日益突出,我国的高温合金品质还不高,产品合格率低,高温合金净化问题刻不容缓。

  加强净化工艺、净化机理的研究,开发高效、低成本、无污染的净化技术是广大冶金工作者一直追求的目标。

  随着科学技术的发展,对高温合金的性能要求日益提高,新的净化技术也必将应运出现。

脚注信息
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