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以导向器和机匣等为代表的高温合金复杂薄壁铸件是航空发动机的中枢部件,当今无数剿袭精密锻造时期制备。为霸道高性能、高可靠性和结构轻量化的需求,这类铸件正向着结构复杂化、家具轻量化和尺寸精准化标的发展,同期其显微组织也要求微小、均匀、无劣势[1-2]。然而,传统精密锻造工艺在邃密充型和组织均匀细化方面存在锋利的矛盾,制备的复杂薄壁铸件容易出现欠铸、疏松、晶粒粗大且不均匀和偏析等冶金劣势,不可很好地霸道使用要求,从而成为制约高性能航空发动机坐蓐的超越问题[1]。

热控凝固是将模壳温度提升到合金固相线和液相线温度之间以提升合金熔体充型才调的一种锻造工艺[3-4]。为了竣事充型和凝固的协同戒指,不竭者戒指凝固界眼前沿温度梯度和晶粒滋长速率的比值以获取等轴晶滋长要求,并将铸件从热区向冷区出动以获取要领充填[3-6]。热控凝固过程中的凝固界眼前沿温度梯度与晶粒滋长速率的比值仅限于等轴晶滋长的较窄限度内,凝固过程的戒指终点复杂。由于之前不竭的热熔凝固工艺中模壳高下区保温温度不一致,所得铸件组织严重不均匀[7-8],同期热控凝固工艺参数对组织和劣势的影响规则衰退进一步不竭。为此,作家基于热控凝固工艺的基甘愿趣,借已然向凝固要害,提倡了“低温浇注、高温充型、要领凝固”的新式热控凝固工艺,不竭了模壳温度、抽拉速率等工艺参数对IN718高温合金凝固组织的影响规则,获取优化的工艺参数,并进行复杂薄壁特征结构件的成形查验,以期为航空发动机关键构件精密锻造新时期的研发提供表面斥地和工艺参考。

1. 试样制备与查验要害

查验材料为IN718高温合金,化学因素如表1所示,固相线和液相线温度差别约为1 270,1 349 ℃。

表 1 IN718高温合金的化学因素

Table 1. Chemical composition of IN718 superalloy

在凝固过程中柱状晶前沿出现等轴晶的要求[6,9-11]可线路为

式中：G为柱状晶滋长前沿枝晶顶端的温度梯度；η为柱状晶和等轴晶的升沉扫数；n为单元体积中非均匀形核质点的数目；ΔTN为非均匀形核的过冷度；ΔTC为柱状晶前沿液相的过冷度；C0为合金的因素；Γ为Gibbs-Thomson扫数；m为液相线的斜率；k0为溶质分派扫数；D为溶质扩散扫数；R为晶粒滋长速率。

从式（1）不错看出,增大n,R和−mC0（1−k0）以及收敛G均成心于变成等轴晶组织。在定向凝固过程中,抽拉速率和模壳温度的变化会引起G和R的变化。水冷铜盘的激冷作用使得铸件底部产生较高的轴向温度梯度,从而变成沿抽拉标的的定向柱状晶组织；距水冷铜盘越远,其沿着滋长标的的温度梯度越小,因此在柱状晶前沿出现等轴晶。可知,在模壳与水冷铜盘之间加入隔热层来减小轴向温度梯度,以获取举座等轴晶组织。

减少疏松劣势是提升复杂薄壁铸件性能的关键[12-13],而疏松劣势的产生与补缩通谈被堵塞和枝晶间区域液体不及导致无法补缩联系[7,12]。为了获取在高于液相线温度和低于固相温度要求下新式热控凝固工艺制备IN718合金的组织和性能变化规则,模壳温度选择1 260~1 350 ℃,且模壳高下区温度保执一致。

新式热控凝固工艺如图1所示,其建造主要由熔真金不怕火系统、模壳保温系统、真空系统及抽拉系统等组成。剿袭氧化镁坩埚进行熔真金不怕火,将合金液在1 380 ℃温度下浇注到差别在1 260~1 350 ℃保温1 h的模壳中,然后以6~48 mm·min−1抽拉速率将模壳举座从加热炉抽拉到冷区,制备得到直径为30 mm、高度为130 mm的圆柱试样。

图 1 新式热控凝固工艺暗意

Figure 1. Schematic of new thermally controlled solidification process

在圆柱试样底部（距底端15 mm）、中部（距底端55 mm）和顶部（距底端100 mm）处截取金相试样,经研磨、机械抛光后,用由15 g CuSO4+3.5 mL H2SO4+50 mL HCl组成的溶液腐蚀后,控制Leic Ivesta 3型体视显微镜不雅察晶粒形容,用DM-4000M型光学显微镜（OM）不雅察疏松形容,按照GB/T14999.7—2010得到晶粒尺寸、断面等轴晶比例以及疏松含量和尺寸。在优化工艺下剿袭疏浚进程进行复杂薄壁特征结构件的成形查验,结构件的最小壁厚为1.8 mm,高度为96 mm,薄壁面积约为6 400 mm2,具体体式和尺寸如图2所示。在结构件的中心位置处取样,剿袭疏浚的要害管制后不雅察其显微组织、疏松形容,并算计打算晶粒尺寸。

图 2 复杂薄壁结构件的体式和尺寸

Figure 2. Shape (a) and dimension (b) of complex thin-walled structural part

2. 查验成果与沟通

2.1 不同模壳温度下的显微组织

由图3可见,在抽拉速率为24 mm·min−1要求下,跟着模壳温度由1 260 ℃升高到1 350 ℃,试样中部晶粒由等轴晶诊疗为柱状晶。由图4不错看出：不同模壳温度下试样的晶粒尺寸在2.33~7.46 mm限度,断面等轴晶比例由93%收敛到41%。跟着模壳温度的升高,合金液的冷却速率收敛,模壳名义的形核才调消弱,导致形核率收敛,因此晶粒尺寸增大；高的模壳温度也使得柱状晶滋长前沿的温度梯度加多,冷却速率变慢,凝固时刻变长,滋长速率收敛,即G/R增大,从而阻难柱状晶向等轴晶诊疗[9-11],因此断面等轴晶比例收敛。此外,在疏浚要求下,试样上部处于液/固两相区时刻较长,晶粒粗化时刻长,其尺寸比拟于底部和中部变大。随模壳温度的升高,不同位置处晶粒尺寸的差值变大,组织均匀性变差。当模壳温度不高于1 290 ℃时,晶粒尺寸的举座均匀性较好,且断面等轴晶比例在90%傍边。

图 3 不同模壳温度下IN718高温合金试样中部的晶粒形容（抽拉速率24 mm·min−1）

Figure 3. Grain morphology of middle of IN718 superalloy samples under different mold temperatures (withdrawal rate of 24 mm·min−1)

图 4 不同模壳温度下IN718高温合金试样的晶粒尺寸随距底端距离的变化弧线以及断面等轴晶比例（抽拉速率24 mm·min−1）

Figure 4. Average grain size vs distance from bottom curves (a) and proportion of section equiaxed grains (b) of IN718 superalloy samples under different mold temperatures (withdrawal rate of 24 mm·min−1)

由图5可见,当模壳温度为1 260 ℃时,试样中部疏松含量最多,尺寸较大且呈汇注溜达。这主若是由于此时剩余液相组成的毛细管通谈阻滞,且枝晶间的剩余液相较少,莫得充足的液体补缩。跟着模壳温度的升高,疏松分散溜达且面积分数从0.99%减少到0.13%,平均尺寸由21.75 μm减小到9.34 μm。在热控凝固过程中当模壳温度高于固相线时,枝晶间有弥散的剩余液体通过连通的毛细管通谈进行补缩；同期模壳温度的升高使得枝晶间剩余液相增多,且枝晶搭接后的毛细管通谈保执运动。这成心于减少疏松含量。

图 5 不同模壳温度下IN718高温合金试样中部的疏松形容以及疏松面积分数和平均尺寸随模壳温度的变化弧线（抽拉速率24 mm·min−1）

Figure 5. Microporosity morphology of middle of IN718 superalloy samples under different mold temperatures (a–d) and area fraction and average size of microporosity vs mold temperature curves (e) (withdrawal rate of 24 mm·min−1)

2.2 不同抽拉速率下的显微组织

由图6可见,在不同抽拉速率下制备的合金试样中部均为等轴晶组织。由图7不错看出,当抽拉速率从6 mm·min−1增大到48 mm·min−1时,试样中部的晶粒尺寸从3.66 mm减小到2.69 mm。当抽拉速率不小于24 mm·min−1时,试样顶部和底部的晶粒尺寸收支较小,组织均匀性较好。跟着抽拉速率的增大,合金液的冷却速率增大且形核率增大,导致晶粒细化。当抽拉速率较低时,合金试样处于固相线和液相线温度之间且未齐备凝固,晶粒粗化时刻较长,甚而晶粒尺寸较大且组织不均匀。因此,为了获取均匀的晶粒组织,抽拉速率应戒指在24~48 mm·min−1。

图 6 不同抽拉速率下IN718高温合金试样中部的晶粒形容（模壳温度1 290 ℃）

Figure 6. Grain morphology of middle of IN718 superalloy samples under various withdrawal rates (mold temperature of 1 290 ℃)

图 7 不同抽拉速率下IN718高温合金试样的晶粒尺寸随距底端距离的变化弧线（模壳温度1 290 ℃）

Figure 7. Grain size vs distances from bottom curves of IN718 superalloy samples under different withdrawal rates (mold temperature of 1 290 ℃)

由图8可见,跟着抽拉速率的增大,试样中部疏松尺寸增大,数目增多。当抽拉速率不大于24 mm·min−1时,疏松尺寸较小且数目较多；当抽拉速率大于24 mm·min−1时,疏松昭着增多且尺寸变大。跟着抽拉速率的增大,疏松面积分数由0.18%加多到6.6%,平均尺寸由9.37 μm加多到30.21 μm。抽拉速率对疏松的影响主要与冷却速率的变化联系。在低的抽拉速率下,冷却速率较慢,合金液补缩的毛细管通谈发生堵塞的概率较小,剩余合金液不错通过未堵塞的毛细管通谈进行补缩从而减少疏松[8]。当抽拉速率较大时,冷却速率增大,枝晶间合金液的毛细管通谈变长且易凝固堵塞,剩余合金液补缩距离变长且补缩通谈减少,无法进行灵验补缩,导致疏松数目加多。抽拉速渡过大还会使凝固时刻变短,合金液灵验补缩时刻裁减,导致疏松增多。综上可知,IN718合金最优的新式热控凝固工艺参数为模壳温度1 290 ℃、抽拉速率24 mm·min−1。

图 8 不同抽拉速率下IN718高温合金试样中部的疏松形容及疏松面积分数和平均尺寸随抽拉速率的变化弧线（模壳温度1 290 ℃）

Figure 8. Microporosity morphology of middle of IN718 superalloy samples under different withdrawal rates (a–e) and area fraction and average size of microporosity vs withdrawal rate curves (f) (mold temperature of 1 290 ℃)

2.3 最优工艺下结构件的显微组织

在浇注温度1 380 ℃、模壳温度1 290 ℃、抽拉速率24 mm·min−1优化工艺下,剿袭新式热控凝固工艺制备IN718合金结构件。由图9可见,剿袭优化新式热控凝固工艺可获取充型齐备的大面积薄壁特征结构件,最小壁厚为1.8 mm,薄壁面积不小于6 400 mm2,晶粒沿途为等轴晶,晶粒尺寸为0.81 mm且不同位置处的晶粒尺寸收支较小,疏松分散溜达且数目较少,平均尺寸为7.88 μm,面积分数为0.2%。

图 9 优化新式热控凝固工艺下结构件的外不雅、中部显微组织和疏松形容

Figure 9. Appearance (a) and microstructure (b) and microporosity morphology (c) of middle part of structural part under optimized new thermally controlled solidification

3. 论断

（1）当浇注温度和抽拉速率一定时,跟着模壳温度的升高,IN718合金的组织由等轴晶诊疗为柱状晶,断面等轴晶比例由98%收敛到41%,晶粒尺寸由2.33 mm加多到7.46 mm且组织均匀性变差,疏松数目减少,尺寸减小。

（2）当浇注温度和模壳温度一定时,跟着抽拉速率的增大,IN718合金组织均为等轴晶,晶粒尺寸从3.66 mm减小到2.69 mm,疏松数目加多,尺寸增大；当抽拉速率不小于24 mm·min−1时,不同位置处的晶粒尺寸差较小,组织均匀性较好。

（3）IN718合金最优的新式热控凝固工艺参数为模壳温度1 290 ℃、抽拉速率24 mm·min−1,剿袭最优新式热控凝固工艺制备出了晶粒尺寸为0.81 mm、疏松面积分数仅为0.2%、最小壁厚为1.8 mm的IN718合金大面积薄壁特征结构件。

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