复合磁场对真空熔铸高温合金铸件凝固组织的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)洛阳理工学院洛阳市先进材料成型技术重点实验室 作者:金文中

  为了进一步提高真空熔铸高温合金铸件的的质量,本文系统研究了在K417高温合金真空熔铸过程中施加由工频交流电磁场和恒稳直流电磁场组成的复合磁场对高温合金铸件凝固组织的影响。实验结果表明:在浇注完毕后同时施加60A 旋转电磁场和290 A 恒稳直流电磁场的工艺条件下,由于恒稳直流电磁场在金属液面处产生的电磁制动效应可以抑制施加旋转电磁场所引起的金属液面的波动,因此既可以避免因金属液液面波动太大而使铸件缩孔恶化的情况出现,又可以大幅提高旋转电磁场在金属液凝固过程中的作用范围和效果,最终得到细小等轴晶比例达到99%、缩孔明显改善的优质高温合金铸件。

  在前期的研究工作中,为了得到铸造组织为细小均匀等轴晶、在中低温的工作环境中具有优异低周疲劳性能和力学性能的航空发动机低压涡轮叶片和工业燃气轮机涡轮盘等铸造高温合金零件,研究了在高温合金真空熔铸的凝固过程中施加旋转电磁场对高温合金铸件凝固组织的影响,试验结果表明该方法能够细化高温合金铸件的凝固组织、改善夹杂物的数量和分布、减轻枝晶偏析。但该方法通过延迟电磁搅拌的开始时间来保证金属液面能够在电磁搅拌之前形成稳定的表面凝壳,避免因金属液面波动太大而恶化铸件的补缩条件。这导致旋转电磁场在金属液凝固过程中的作用范围和效果有限,得到的高温合金铸件总会存在一个在施加电磁场之前就已凝固形成的晶粒较粗大的柱状晶层,这是一个旋转电磁场在金属熔体中产生的电磁搅拌和电磁净化作用没能达到的区域,其纯净度和均匀性较差。

  目前随着航空发动机以及工业燃气轮机性能的提高,对高温合金铸件的品质提出了更高的要求。另一方面,国内外对复合磁场的应用研究越来越多,而且研究结果表明,施加复合磁场能够进一步地改善铸坯的质量。为了进一步提高真空熔铸高温合金铸件的的质量,本文在K417 高温合金铸件真空熔铸的凝固过程中施加由工频交流电磁场和恒稳直流电磁场组成的复合磁场,以研究施加复合磁场对真空熔铸高温合金铸件凝固组织的影响。

1、试验

  试验装置示意图见图1,该装置主要由奥氏体不锈钢砂箱、条形恒稳直流电磁场发生器、工频交流旋转电磁场发生器、真空中频感应熔炼炉、泡沫陶瓷过滤器、浇冒口系统组成。其中,条形恒稳直流电磁场发生器设置在奥氏体不锈钢砂箱外侧上部,工频交流旋转电磁场发生器设置在奥氏体不锈钢砂箱外侧下部。

实验装置示意图

图1 实验装置示意图

  本实验中的试样型壳采用填砂造型浇注。将8 kg 的K417 高温合金炉料装入真空中频感应熔炼炉中,抽真空,当真空中频感应熔炼炉的真空度达到6 × 10-2 Pa 以上时通电加热熔化, 90 min 的熔化期结束后将温度进一步升至1580℃,进行15min 的精炼。

  精炼期结束后,将熔炼好的K417 高温合金熔液通过带有泡沫陶瓷过滤器的浇冒口系统浇注到模壳中,当金属液液面和直流电磁场发生器中心面平齐时停止浇注,依次打开条形恒稳直流电磁场发生器、工频交流旋转电磁场发生器的电源,60 s 后,依次断开工频交流旋转电磁场发生器、条形恒稳直流电磁场发生器的电源, 120 min 后破真空取样。实验过程中通过调整工频交流旋转电磁场发生器、条形恒稳直流电磁场发生器各自输入的励磁电流的大小对其产生的电磁场的强度进行控制。

  制备观测宏观晶粒组织试样时使用的腐蚀剂为15 g CuSO4 + 3.5 ml H2SO4 + 50 ml HCl 混合溶液。晶粒尺寸和断面等轴晶比例使用MEF-3 型高温金相显微镜和Q500IW 图像分析仪进行测定。采用专业级佳能EOS 5D Mark III 单反数码相机记录不同工艺条件下K417 高温合金铸件的表面形貌。

3、结论

  (1) 在K417 高温合金铸件真空熔铸过程中,当浇注完毕后立即施加旋转电磁场时,金属液面将会产生较大的涡旋状波动,这将恶化了铸件凝固过程中的补缩条件,导致凝固后高温合金铸件的表面呈现较深的中心凹陷,铸件内部的缩孔比较严重。

  (2) 在K417 高温合金铸件真空熔铸过程中,当浇注完毕后在金属液面处立即施加恒稳直流电磁场时,液态金属将会受到一个与金属液的运动方向相反的电磁制动力,从而对金属液面的波动起到抑制作用。

  (3) 在本实验条件下,当浇注完毕后同时施加60 A 旋转电磁场和290 A 恒稳直流电磁场时,由于恒稳直流电磁场在金属液面处产生的电磁制动效应可以抑制施加旋转电磁场所引起的金属液面的波动,因此既可以避免因金属液液面波动太大而使铸件缩孔恶化的情况出现,又可以大幅提高旋转电磁场在金属液凝固过程中的作用范围和效果,最终得到细小等轴晶比例达到99%、缩孔明显改善的优质高温合金铸件。

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