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  • K418镍基铸造高温合金材料介绍 2022-08-03 | 来源:华体会体育全站ios 作者:华体会手机版登录
  •   剖析以为,2种工艺出产高温合金母合金洁净度差异较大的主要原因在于铸造成形方式不同:现有模铸工艺中,熔炼好的钢液通过浇流槽,选用顶铸的方式浇注进入钢模中。由于搀杂物主要是Al、Mg、Si、Ca的氧化物,密度比钢液小,在冶炼过程中浮于熔池表面,在浇铸过程中,不可避免地会和浇流槽中的非金属资料一起带入铸锭,造成母合金的污染(图2(a));而真空连铸工艺选用底铸充型(图2(b)),能够有效将搀杂物上浮至熔池顶面,远离充型区,尤其是大尺寸搀杂物的上浮作用更好。铸坯是在真空条件下直接连续铸造成形的,避免了传统工艺所有必要的浇流槽、保温棉等非金属资料的二次污染,从而可显著降低铸坯中的搀杂物数量,并且因为水冷铜模的强制冷却,可使搀杂物的尺寸进一步降低。

      对于高温合金而言,洁净度控制非常重要。一方面,对于叶片、机匣、调节片等复杂薄壁件而言,如果母合金中的夹杂物含量增多,将会增加钢液的黏度,下降其流动性,铸造工艺控制不当很容易产生浇缺乏和热裂等冶金缺点,另外,夹杂物被带入到铸件中,还会造成X光检验的夹杂物超支,导致铸件报废,降低铸件的成品率;另一方面,夹杂物的存在对高温合金部件的执役性能也会产生重大影响。众所周知,高温合金是在交变温度下执役,而夹杂物的热膨胀系数仅有基体的一半,很简单诱发应力集中而萌生裂纹,最终导致部件失效。遍及认为,高温合金的疲劳性能对夹杂物比较敏感,夹杂物含量的降低和尺寸的减小均能够使高温合金的疲惫性能大幅进步。Denda等人的研讨表明,关于10级晶粒度的Inconel718合金而言,当夹杂物含量由6000个/kg下降为129个/kg时,538℃时的低周疲惫寿数能够进步1个数量级;当夹杂物尺寸由40μm减小至10μm时,低周疲惫寿数提高75%。另外,关于铸造高温合金而言,母合金中的夹杂物含量的降低会显著提升铸件的执役寿数。比如在K417合金中,将夹杂物含量较高的叶片回来料(夹杂物含量为20.24mg/(10kg))浇注成疲惫试样时,重熔试棒的疲惫性能差,开裂周次仅为872次;而采用夹杂物含量为7.35mg/(10kg)的全新料母合金浇注的疲劳试样,疲惫开裂周次达到1841次,疲惫性能增加超过1倍。

      关于线合金而言,为了扫除安排、晶粒度的影响,更直接地反映夹杂物含量与疲惫寿命之间的联系,本文挑选在线合金铸坯上本体取样进行疲惫性能测试。结果表明,在真空连铸工艺开发的初期,由于工艺尚不成熟,夹杂物含量略高,为5.88mg/(10kg),而且80%的夹杂物尺度较大,为140~365μm,对应的疲劳寿命仅有2879周次;而在工艺成熟稳定之后,夹杂物含量降低为1.91mg/(10kg)左右,降低了67%,而且尺度全部集中在80~140μm,疲惫寿命得到极大进步,升高至10245周次,进步255%(表2)。

      K418合金主要用于制作增压涡轮等转动部件,疲劳功能是衡量其执役寿数的关键指标之一。对于线μm的夹杂物含量较传统模铸工艺降低超过80%,并且夹杂物尺度较小,可以推断,若用真空连铸替代模铸工艺制备K418母合金,无疑可提高增压涡轮等部件的成品率以及执役寿数,确保其长期、安稳牢靠执役。

      2. 2线母合金铸坯的组织及力学功能K418合金的微观组织由γ相、二次γ′相、碳化物和极少量的γ-γ′共晶组成。图3给出了不同工艺出产的32mm的K418铸棒1/2半径处的微观组织。由于线合金是在水冷铜模中凝结成形,冷却速率较快,因此,其二次γ′相和碳化物的尺寸均较小。

      经丈量计算,模铸K418合金中的二次γ′相的直径约为0.43μm,线合金中的二次γ′相的直径约为0.32μm,并且尺度更加均匀。在统计不同工艺出产的32mm的K418铸棒的碳化物尺度时,选取1/2半径处20个视场内的最大碳化物尺度作为统计目标,选取碳化物的1/2(长度+宽度)作为碳化物的直径,每个视场内选取3个直径最大的碳化物,然后取均匀值。计算结果表明,模铸K418合金中最大碳化物的直径散布在13μm附近,而线合金中最大碳化物的直径散布在6μm附近,仅为模铸的一半。

      由于线合金棒坯中二次γ′相细小、均匀,更有利于合金强度的提高,而且真空连铸的碳化物尺寸较小、弥散散布,降低了作为硬质点产生的应力集中,推迟裂纹的萌发和扩展,因此,其微观组织对合金棒坯的强耐性十分有利,加之真空连铸棒坯微观组织致密、洁净度高,导致真空连铸棒坯的本体取样性能十分好,乃至远高于规范成型试样的性能(表3)。与规范成型试棒相比,真空连铸母合金本体取样在室温和800℃的抗拉强度提高了13%(100MPa)以上、伸长率提高了33%以上,800℃、490MPa的耐久寿数提高了80%以上。

      铸造高温合金的规范成型试样代表了该合金的理想功能,一般而言,铸件由于补缩和安排控制问题,其本体取样功能要低于成型试样。而真空连铸棒坯由于洁净度、宏观冶金质量、微观安排等多方面控制合理,其力学功能远高于规范成型试样的水平,进一步挖掘了合金的功能潜力。

      (1)线母合金的洁净度高,夹杂物含量仅为模铸母合金的1/5,且夹杂物尺度悉数集中于80~140μm,而模铸K418母合金中,75%的夹杂物尺度为140~365μm。(2)夹杂物含量的下降和尺度的减小使线合金的疲劳功能大幅进步。当夹杂物含量由5.88mg/(10kg)、80%的夹杂物尺寸集中于140~365μm变为1.91mg/(10kg)、并且尺度悉数会集在80~140μm时,疲劳寿命进步255%。(3)真空连铸技能进一步发掘了合金的功能潜力,其力学功能远高于规范成型试样的水平。



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