一种高温母合金的低偏析细晶制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料领域，涉及一种高温母合金的低偏析、晶粒细小、表面光滑的 制备工艺。
【背景技术】
[0002] 随着快速凝固炉的出现，目前汽车涡轮行业涡轮铸造采取快速凝固方法，对高温 母合金要求越来越高。一是要求表面质量好，传统的方式是为了降低金属中心的缩孔问题， 采取的是低温浇铸，导致表面充型不足，表面粗糙，材料表面加工过程浪费大；二是要求晶 粒细小，由于液态金属的遗传特性，快速凝固炉做成的涡轮会继承母合金的微观组织特性， 过于粗大的组织会导致涡轮叶片产生柱状晶，严重影响涡轮使用寿命；三是解决偏析问题， 目前随着高温合金服役温度的提高，加入大量的W、Ta等元素，而高温合金为了抗氧化的要 求，A1、B等元素也大量添加，这两类元素密度相差达10倍以上，在金属凝固过程中，容易出 现比重偏析问题，导致产品一致性下降，性能不稳定。
[0003] 本发明主要针对高温母合金生产过程中以上缺陷，提出反其道而行之的工艺，提 高浇铸温度，不采取顺序凝固的方式，通过电磁搅拌形成糊状凝固，可以完美地解决以上三 个问题，浇铸温度高，表面质量好；电磁搅拌打碎晶粒组织，得到晶粒细小的微观组织；整 体糊状凝固，减少了顺序凝固带来的元素偏析问题，得到了表面质量好、晶粒细小、低偏析 的高质量高温母合金。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有高温母合金存在的表面质量差，晶粒粗大，元素偏析严重的问题， 采用高温浇铸、电磁搅拌、糊状凝固的方式生产出高质量高温母合金，该工艺过程简单，成 本低，适合于工业化生产。
[0005] 本工艺包括以下步骤： 高温母合金的低偏析细晶制备工艺，包括以下步骤： (1) 制备过热的高温母合金恪体，在真空条件下感应恪炼高温合金，使过热温度超过 IOO0C ； (2) 电磁场搅拌工艺细化高温母合金 将由步骤（1)制备的合金熔体浇注到金属或陶瓷模组中，把模组放在电磁搅拌器的工 作中央位置处，利用电磁场作用开始细化高温母合金， 主要包括以下三个步骤： (2. 1)模组放在电磁搅拌器工作位置，底部采用绝热材料防止热量流失、温度快速下 降。母合金在浇铸进入模组过程中，启动电磁搅拌系统。
[0006] 此过程主要工艺参数为：电磁搅拌器频率：0-50Hz ;搅拌电流100A-500A ;搅拌总 时间O-lOmin，搅拌换向时间为0-30s ; (2. 2)按照设定的搅拌方式进行搅拌，搅拌方式可以为正转、反转或者交替周期进行； 此过程主要工艺参数为：搅拌开始温度液相线上50-100°C，正反转周期搅拌方式的搅 拌频率0-50Hz，搅拌周期时间30-120S，正反转换向时间0-30s。
[0007] 电磁搅拌是利用电磁感应产生的电磁力来推动金属有规律地运动，从而减少枝状 晶，增加等轴晶率，达到改善合金质量的目的。其实质是借助交变电流产生交变磁场，在金 属熔体中产生感应电流，载流金属熔体在磁场中受到洛仑兹力的作用，从而改善金属熔体 凝固过程中的流动、传热和迀移过程，达到改善合金质量的目的。本研究结果表明，电磁搅 拌技术可以从以下几个方面改善合金的冶金质量： 1. 有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低合金内部气泡及夹杂物的含量，提高合金 的纯净度； 2. 加强金属熔体的对流运动，有利于打碎枝晶，形成等轴晶，提高合金的等轴晶率，减 少中心偏析、中心疏松和缩孔，改善合金的凝固组织； 3. 实现了不与金属熔体直接接触而使金属熔体发生强烈对流，避免了金属熔体的二次 污染； 4. 便于控制、操作灵活。通过控制影响感应磁场强度的电参数，可以方便地控制金属 熔体的流动状态和半固态浆料的质量； 5. 降低金属熔体的过热度，均匀液相温度场。
[0008] 本发明具有以下优点：工艺过程简单，易于操作控制，不污染合金熔体，不需要昂 贵的设备，适宜于工业化生产，按照本发明工艺制备的高温母合金具有表面光滑、晶粒细 小、成分均匀的优点。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明电磁搅拌结构示意图。
[0010] 图2为本发明实施例1中经电磁搅拌的K418高温母合金的晶粒。
[0011] 图3为本发明实施例1中未经电磁搅拌的K418高温母合金的晶粒。
【具体实施方式】
[0012] 以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0013] 实施例1 在1000KG真空感应炉中熔炼K418高温母合金，K418熔点温度为1320°C，控制精炼温 度为1580°C，浇铸温度为1460°C。如图3所示，将合金熔体浇铸到金属模组中，金属模组烘 烤温度为600°C，模组高度为1000mm，放置于电磁搅拌线圈的中央位置，底部用绝热材料隔 热，金属浇铸过程中启动电磁搅拌，搅拌参数为：搅拌电流400A，搅拌频率15Hz，搅拌周期 60s，正反转换向时间10s。合金恪体经磁场搅拌作用6min后，停止搅拌器。此时K418高温 母合金的晶粒大小为100 μ m左右（图2)，比同条件下未经电磁搅拌的K418高温母合金组织 晶粒（图3)大于500um。
[0014] 实施例2 : 在500KG真空感应炉中熔炼K213高温母合金，K213熔点温度为1340°C，控制精炼温 度为1600°C，浇铸温度为1480°C。将合金熔体浇铸到金属模组中，金属模组烘烤温度为 650°C。放置于电磁搅拌线圈的中央位置，金属浇铸过程中启动电磁搅拌，搅拌参数为：搅拌 电流250A，搅拌频率50Hz，合金熔体经磁场搅拌作用IOmin后，停止搅拌器。K213合金含有 Cr : 14. 0~16. 0%，W :4. 0~7. 0%，Al : I. 5~2. 0%，从母合金棒料上端和下端随机取5个样品，取 样检测成分平均统计，与未施加电磁搅拌相比较，采用本发明工艺的材料偏析度显著降低。 [0015] 表1本发明工艺与未施加电磁搅拌母合金棒的偏析度比较
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限 制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均 应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种高温母合金的低偏析细晶制备工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤： (1) 制备过热的高温母合金恪体，在真空条件下感应恪炼高温合金，使过热温度超过 100。。； (2) 电磁场搅拌工艺细化高温母合金 将由步骤（1)制备的合金熔体浇注到金属或陶瓷模组中，把模组放在电磁搅拌器的工 作中央位置处，利用电磁场作用开始细化高温母合金，主要包括以下三个步骤： (2. 1)模组放在电磁搅拌器工作位置，底部采用绝热材料防止热量流失、温度快速下 降， 母合金在浇铸进入模组过程中，启动电磁搅拌系统； (2. 2)按照设定的搅拌方式进行搅拌，搅拌方式可以为正转、反转或者交替周期进行； (2. 3)高温母合金全部凝固后停止搅拌。2. 根据权利要求1所述的一种高温母合金的低偏析细晶制备工艺，其特征在于，通过 控制电磁搅拌器的搅拌频率和搅拌变化时间来控制高温母合金熔体在凝固过程中的流动 状态，电磁搅拌器频率：0-50Hz;搅拌电流100A-500A;搅拌总时间0-10min，搅拌换向时间 为 〇-〇s。3. 根据权利要求1所述的一种高温母合金的低偏析细晶制备工艺，其特征在于，电磁 搅拌开始作用时，合金熔体处于过热状态，要求浇铸温度在液相线50-10(TC。
【专利摘要】本发明公开了一种高温母合金的低偏析细晶制备工艺，高温母合金在真空环境中通过电磁场的作用结晶成形，得到表面质量好，晶粒低于100um，偏析小的母合金组织。高温合金如K213、K418、K403、Mar246等合金，在真空条件下感应熔炼，接着在合金熔体液相线以上50~100℃利用电磁搅拌器进行正反转周期搅拌，合金熔体凝固后结束搅拌，由传统的顺序凝固改为糊状凝固。此工艺所获得合金材料外观光洁，内部几乎无缩孔，晶粒尺寸相比未加电磁场搅拌细化5倍以上，材料均匀性得到极大提高，尤其是对于合金元素密度差异较大的合金，效果非常明显，极大的提高了材料的综合性能。本发明工艺过程简单，易于操作控制，不污染合金熔体，不需要昂贵的设备，适宜于工业化生产。
【IPC分类】C22C33/06, B22D27/02, C22C1/03
【公开号】CN105400974
【申请号】CN201510732668
【发明人】彭伟平, 马军义, 魏江, 李硕
【申请人】江苏奇纳新材料科技有限公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月3日