[发明专利]一种整体细晶向心叶轮铸件的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及向心叶轮铸件领域，具体为一种合金整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，该方法可有效改善向心叶轮铸件整体晶粒度。

背景技术

向心叶轮铸件主要用于发动机或是其辅助动力装置中，通常在工作环境中承受较大的离心力和气动力，对铸件的性能和质量要求较高，一般具有尺寸大、结构复杂、壁厚不均匀等特点。通过晶粒细化技术，可有效改善叶轮铸件的中温持久强度和抗疲劳性能，但在整体细晶铸造时，极易出现晶粒分布不均匀、裂纹、缩孔等缺陷；向心叶轮叶尖是薄壁结构，极易变形，整体细晶铸造技术难度大。

细晶铸造技术是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中是合金形成大量结晶核心，并阻止晶粒长大，从而获得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件，较典型的细晶铸造晶粒度为美国标准ASTM0～2级。细晶铸造在晶粒细化同时，尤其细化合金中的初生碳化物和γ′强化相，并改善其形态及其分布，进而改善合金性能。因此，细晶铸造的突出优点是大幅提高铸件在中低温（≤760℃）条件下的低周疲劳性能，显著减小铸件力学性能数据的分散度，从而提高铸件的设计容限。同时，该技术还在一定程度上改善铸件的抗拉性能和持久性能，并使铸件具有良好的热处理性能。细晶铸造技术还可以改善合金铸件的机械加工性能，减小螺孔和刀形锐利边缘等处产生加工裂纹的潜在危险。因此，整体细晶铸造工艺技术已成为中温及以下使用的零部件制造技术关键。

工业发达国家，尤其是美国和德国，早在20世纪70年代末就开始了细晶铸造技术的研究和应用，20世纪80年代中后期趋于成熟，目前该技术已在航空、航天等领域广泛应用。如美国Howmet公司利用细晶铸造技术成功的制造了IN792MOD5A、Mar-M247、IN713C、IN718等合金整体涡轮，使涡轮的低周疲劳寿命提高了2～3倍。德国、法国在新型号航空发动机上也采用了细晶整体涡轮铸件。

国内对细晶铸造技术研究从20世纪80年代末开始起步，经过“八五”和“九五”期间的研究和应用，对合金细晶铸造工艺进行了较系统的研究，但在航空发动机中应用尚不广泛，尤其对作为转动件的整体向心叶轮的细晶铸造工艺还未进行过研究。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种在磁场作用下的细晶铸造工艺来制备整体细晶向心叶轮铸件的方法，解决向心叶轮叶尖的薄壁结构易产生欠铸，整体细晶铸造技术难度大，在机械振动法和铸型旋转法中容易产生铸造裂纹等问题。

本发明的技术方案是：

一种整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）合金熔炼：按照合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应细晶铸造炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3～7分钟，然后降温至浇铸温度，炉内真空度为0.1～5Pa；

（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的合金进行浇铸，获得整体向心叶轮铸件，浇铸温度1380～1450℃；

（3）细化过程：整体细晶向心叶轮铸件晶粒度控制工艺为，将步骤（2）的向心叶轮置于双向旋转电磁场中，静置时间8秒～30秒后，施加150A～300A，3Hz～15Hz的双向旋转电磁场；待铸件完全凝固后，停止搅拌，获得整体细晶向心叶轮铸件。

所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，双向旋转电磁场中的正、反相磁场旋转时间20～40秒，换向时间2～8秒。

所述的整体细晶向心叶轮铸件的制备方法，制得的整体细晶向心叶轮铸件按使用要求不同，进行后续的热处理：

热处理制度：①1185℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；②1121℃±10℃保温1～3小时，空冷至室温；③843℃±10℃保温20～30小时，炉冷或空冷至室温。

步骤（2）浇铸过程中，采用Al₂O₃制备陶瓷型壳，浇铸近成型合金铸件。

步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在850℃以上预热3～5小时。

真空感应炉用的冶炼坩埚选用MgO坩埚，真空感应炉用的测温系统为W－Re电偶，测温保护套管为外层涂覆ZrO₂或CeO和BN的Mo-Al₂O₃金属陶瓷管。