[发明专利]一种通过控制球晶稳定化实现细晶凝固方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属凝固制造领域，具体为一种通过控制球晶稳定化实现细晶凝固方法，实用于结晶温度范围大于10℃且与陶瓷坩埚不发生反应或反应微弱之高温合金铸锭或铸件的制造。

背景技术

采用普通熔炼方法得到的传统高温合金铸锭具有明显的三晶区，其柱状晶区晶粒粗大、碳化物和第二相分布不均匀，显微偏析严重，后续开坯易产生开裂，开坯变形敏感。为此，通常必须对凝固后的铸锭进行长时间均匀化处理。高温合金细晶铸造方法得到全等轴晶铸锭，细化的等轴晶粒可以明显提高高温合金铸锭开坯锻造成功率。因此，细化晶粒成为高温合金铸锭和铸件的共同要求。

长期以来，人们已经发展了一些高温合金细晶铸造的方法，已在工业上使用的方法主要分为四种：化学法、搅拌法、深过冷和普通热控法。

具有代表性的化学细化方法是：1989年英国的Philip Neil Whateley，Exmouth采用铸型表面涂覆CoAlO3或Co的氧化物作为孕育剂，获得了表面没有柱状晶粒的铸锭或铸件。中国专利局2007年5月16日公布了（公开号：1962120A）名称为“一种促进连铸钢水细晶凝固的方法”的发明申请专利，向钢水中加入微量成份细化剂的方法得到细晶组织。虽然以上方法采用细化剂或孕育剂可获得细晶组织，但由于高温合金对成分的敏感性，细化剂的加入将可能影响高温合金性能，且不同牌号的合金需要不同的细化剂，应用受到了限制，尤其严重的是细化剂的加入容易带进外来夹杂，它是铸件疲劳裂纹的根源，造成细晶铸件力学性能会有相应的降低。

具有代表性的搅拌细晶方法是：80年代初，美国Howmet公司开发的GrainX法是高温合金细晶铸造工艺（GX）。通过旋转铸型对凝固中的合金施加搅动作用，达到破碎枝晶和细化晶粒的目的，所得铸件再辅以热等静压处理，即可获得无内部缩松的细晶铸件。美国专利局2000年公布了（公开号：US4960163）名称为“Fine grain casting by mechanical stirring”机械搅拌法细晶铸造方法。在高温合金细化工艺中,采用振动法或搅拌法细化效果较好，不仅可以得到细化至数百微米的均匀铸件,而且可以改善铸型的充填型，但是设备复杂,需要更新现有精密熔模铸造设备，故投资较大。

近年来，还有一些研究人员研究了深过冷细化方法，如“DZ125高温合金深过冷凝固组织转变规律”，但这种方法需要对坩埚进行光滑处理，且铸锭尺寸小于1Kg级，只能停留在理论研究阶段，工业化应用受到铸锭尺寸的限制。

为此，人们又提出了一些低过冷度的方法，其中，中国专利局2012年6月27日公布了（公开号：102513523）名称为“一种熔点以下完全充型铸造方法”的发明申请专利，该发明提供了一种工业上应用并能达到熔点以下全截面等轴细晶完全充型方法。该方法浇注出的铸件组织为晶粒度等级为ASTM3级左右的等轴晶。但是，由于该方法浇注温度过低过冷度大于5℃，受到合金熔体和铸型传热条件的限制，固该方法仅用于高温合金铸件的制造，尚未应用于大尺寸铸锭细晶化的制备。

另一种具有工业化应用的方法就是普通热控法，主要特征是：把熔体过热到较高温度，完全消除高温遗传相，然后通过快速冷却的方法也可以得到细化至数十微米的均匀铸锭和铸件。但由于降温过程中熔体仍然存在较大温度梯度，所以采用过热处理方法得到细晶铸锭仍然存在三晶带。

PCC顺序凝固热控法即TCS工艺，原理是溶体放在外面有加热设备的模壳中，溶体下部与铜盘接触，铜盘下部为可以旋转的冷却托盘。当溶体随铜盘向下运动时，在加热设备外部的溶体可以瞬间结晶，而在加热设备内部溶体状态依然是完全液相，可以随着托盘边运动边凝固。但这种工艺只能针对薄壁件，厚达铸件不能实用该方法。

综上所述，针对高温合金铸锭开坯开裂问题，希望提出开发出一种具有细化效果显著、操作简便、不改动设备、不改变合金的相组成、不形成夹杂、不影响组织稳定性等优点的，直接获得全部为细晶的大尺寸细晶铸锭的工艺方法。

发明内容

为克服现有技术中存在的柱状晶区晶粒粗大、碳化物和第二相分布不均匀，显微偏析严重，后续开坯易产生开裂，开坯变形敏感的不足，本发明提出了一种通过控制球晶稳定化实现细晶凝固方法。

本发明适用于结晶温度范围大于10℃且与陶瓷坩埚不发生反应或反应微弱的高温合金铸锭或铸件的制造。具体过程是：

步骤1，抽真空。将高温合金合金原料放进石英坩埚内，在真空度为10-2Pa时通氩气保护，当氩气的压力为0.5Pa时开始做过热处理。