[发明专利]镍基高温合金精密铸造细化晶粒和组织的工艺方法及系统

说明书

本发明公开了一种镍基高温合金精密铸造细化晶粒和组织的工艺方法及系统，包括以下步骤：首先设计由合金熔炼坩埚、熔池隔片、直浇道、内浇道和集料包组成的合金熔炼充型与组织细化系统，采用熔模铸造的传统工艺方法制备具有合金熔炼充型与组织细化系统的熔铸成型型壳；然后将熔池隔片安放固定于检验合格的熔铸成型型壳型腔中形成合金熔炼坩埚，在纳米细化剂与母合金料装入合金熔炼坩埚后将熔铸成型型壳整体置入高频真空感应炉中进行熔铸成型，合金熔炼坩埚中金属液在熔池隔片熔化后借助电磁搅拌和重力作用进行充型凝固，即得晶粒和组织细小的镍基高温合金精密铸件。该工艺方法生产操作简便，细化效果显著，工艺稳定可靠，尤其适用于中小型铸件。

技术领域

本发明涉及一种改善铸件组织的铸造工艺方法及系统，尤其涉及一种镍基高温合金精密铸造细化晶粒和组织的工艺方法及系统，用于细化镍基高温合金精密铸件晶粒尺寸和组织结构，适用于铸造高性能中小型铸件，属于精密铸造技术领域。

背景技术

镍基高温合金是现代工业中应用最为广泛的高温合金。随着航空、航天、石油、化工、舰船、汽车的快速发展，对镍基高温合金铸件力学性能要求越来越高。细化晶粒组织是提高铸件力学性能的最佳方法。晶粒细化既可提高强度，又可增强韧性，还可改善热疲劳性能和降低热裂敏感性。理论上液态成型可通过添加稀土、外加磁场电磁搅拌和快速冷却等工艺措施细化晶粒，固态成型可采用等径角道挤压(ECAE)和大比率挤压、热锻等工艺措施细化晶粒。然而，这些方法均有其自身的局限性和适应范围。孟祥炜等采用热控细晶铸造法，通过内置保温炉精确控制铸型温度，较大幅度地降低浇注过热度，增大铸件冷却速度，尽管可达到限制晶粒长大和细化晶粒的目的，但由于对温度的控制要求极为严格，感应熔炼中金属液浇注温度的控制比较难，需要浇注温度及铸型预热温度良好的匹配才能得到充填完整、晶粒细小的合格铸件，对生产工艺操作要求较为苛刻，难以应用于工业化批量生产铸件。细化效果的稳定性、工艺方法的操作性是高性能镍基高温合金铸件生产需要解决的技术难题。

目前，镍基高温合金铸件通常采用熔模铸造生产，具体步骤为工艺设计、型壳制备、合金熔炼、浇注充型、冷却凝固、铸件清理和质量检验。真空感应电炉熔炼是生产镍基高温合金铸件的主要熔炼方法，添加稀土虽然可细化镍基高温合金铸件晶粒，但细化效果不理想、稳定性差，在较高温度和较高真空度时稀土损耗因与坩埚耐火材料的反应加剧、挥发速率提高而显著增加，稀土含量和铸件组织控制难度大，细化晶粒和组织结构的新型工艺方法研发与应用是高性能镍基高温合金精密铸件生产亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于解决镍基高温合金精密铸件生产中晶粒尺寸和组织结构粗大、克服现有技术中细化效果稳定性差和工艺复杂的问题，提供一种镍基高温合金精密铸造细化晶粒和组织的工艺方法及系统，技术方案如下：

镍基高温合金精密铸造细化晶粒和组织的工艺方法，包括以下步骤：

基于零件技术要求，分析零件结构铸造工艺性，确定铸造工艺方案，设计合金熔炼充型与组织细化系统；

制作底部有集料包的直浇道、内浇道、和铸件蜡模及熔池隔片；

将内浇道、铸件蜡模以及集料包和直浇道蜡模装配成整体蜡模组，采用熔模铸造的工艺方法制备具有合金熔炼充型与组织细化系统的熔铸成型型壳；

对熔铸成型型壳进行型腔清理和质量检验，质量检验合格后将熔池隔片安放固定于熔铸成型型壳型腔中形成合金熔炼坩埚；

选择并添加适量纳米细化剂，将纳米细化剂与母合金料装入合金熔炼坩埚中；

将合金熔炼坩埚装有纳米细化剂与母合金料的熔铸成型型壳整体置入高频真空感应炉中进行熔铸成型，合金熔炼坩埚中金属液在熔池隔片熔化后借助电磁搅拌和重力作用下进行充型凝固，得到铸件。

进一步地，熔池隔片为圆柱形，熔池隔片的阻流面积和厚度依据铸件充型时间、合金熔炼时间进行确定，熔池隔片的材质与铸件合金母料相同。