专利名称：制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法及定向凝固装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及铸造技术领域，涉及含有由多晶颗粒生成柱状枝晶组织(称为DS材)以及由单一颗粒生成枝状组织(称为Mono-crystal或SX材)的定向凝固铸造物，并涉及通过电渣重熔法(ESR)、真空电弧重熔法(VAR)等重熔法制备铸锭时主要用于改善宏观偏析的铸造技术。
背景技术：
定向凝固铸造物作为本发明技术领域的定向凝固铸造物的例子，可举出用于飞机用喷气引擎、发电用燃气轮机的涡轮叶片材料。图I (a)表示现在使用的典型的定向凝固装置的概要。向设置在水冷台上的陶瓷铸模(实际铸模为复杂的3维形状)内浇铸熔融金属后，将铸模由使其保持高温的加热炉沿重力方向拉引而使依次凝固，得到含有多晶柱状枝晶组织(称为DS材)或单一枝状组织(称为SX材)的铸造物。图中表示在拉引过程中的液相、固液共存相(Mushy zone，共存区域)以及固相。未给出详细的浇铸装置、真空容器等实际装置。由于涡轮叶片在极其严酷的条件下使用，使用高温强度等耐热性优越的Ni基合金作为主要材料。然而，在这些润轮叶片上产生称作线状偏析的管道偏析、不定向结晶缺陷(misorientedgrain defects)、微观气孔等铸造缺陷，成为制品成品率低的主要原因(例如参照文献I的321 页)。关于线状偏析的形成原因，现在可定性的参考以下。Ni基超合金的特征之一是在合金基体的Y相整齐析出的相(被称为“伽马撇”相的以Ni3(Al，Ti)为基本组成的金属间化合物)，通常随Y ’相体积率的增加高温强度提高。但是，在含有比Ni轻的Al、Ti、W等的合金中，随着凝固的进行，这些元素偏聚的枝晶间的液相的密度减小。因此，这样的合金在沿与重力相反方向凝固的情况下，固液共存相的底部即枝晶的根部的液相密度相对于液相即枝晶的先端部的密度为小(本说明书中将这样的合金称之为相对于对流“溶质不稳定”)。另一方面，由于枝晶根部的温度分布比先端部低，密度也较大，因此不产生对流。即，成为“热稳定”。溶质不稳定度大于热稳定度时，在形成密度逆转层的固液共存相中，液相以此密度差为原因产生上升流，容易产生称为线状偏析(freckle)的管道偏析。此外,容易产生枝晶的成长被破坏的不定向结晶(本说明书将此类合金称为“浮上型合金(upwardtype of buoyancy)”)。在Ni基超合金叶片中生成的线状偏析,理解为是由基于这样的密度差的上升流而产生的。现在，为了降低这些铸造缺陷，改善加热、保持温度、拉引速度、辐射冷却能等铸造条件，或添加比Ni重的Ta等元素而调节成分等，做出很多试验错误的改良努力，但仍然不够。因此，急需一种能消除这样的铸造缺陷的技术。
通过重熔法制备铸锭在电渣重熔法(ESR)、真空电弧重熔法(VAR)等重熔法制备铸锭中，具有液相池及固液共存相的深度相对较浅的特征。虽然在上述定向凝固法中抑制了从侧面开始的凝固，但这些重熔法由于铸模(通常使用水冷铜铸模)散热从侧面开始的凝固也进行的点上不一样。由ESR或VAR制造Ni基超合金，生成以线状偏析(管道偏析)为首的宏观偏析广为人知(参照文献2)。上述的重熔法，浮上型合金是当然的，而其相反的沉降型合金(即随着凝固的进行枝间溶质偏聚液相的密度增大的合金)也产生上述的偏析缺陷。为降低这样的铸造物缺陷，虽然设定冷却条件、熔化速度等铸造条件或调整化学成分来尽可能地降低液相池的深度(特别是对沉降型合金有效)或能增加冷却速度，但随着铸锭的断面面积的增大，上述偏析缺陷的生成无可避免。因此，在用于上述Ni基超合金涡轮叶片、铁基合金发电用涡轮转子等的铸锭的制造中，急需一种尽可能增大尺寸而偏析较少的铸锭的稳定制造技术
发明内容
本发明提供定向凝固铸造物及由ESR、VAR等重熔法制备高品质铸造物的铸造技术，在铸造物中没有生成主要由固液共存相中的液相的流动产生的线状偏析等宏观偏析。本发明率先阐明了在上述铸造工艺中，特别着眼于固液共存相中的液相流动现象，针对上述固液共存相全体施加强磁场，使该相内枝晶间极低速流动的液相得以抑制，由此消除线状偏析等宏观偏析。
图I表示具体例I中的定向凝固法的概要，图1(a)表示现有制造方法的概要，图1(b)表示本发明涉及的制造方法的概要；图2表示Ni -1 Owt % Al合金以及IN718合金在凝固过程中温度和固相体积率的关系(关于IN718参考文献10的图I)；图3表示Ni-IOwt % Al合金凝固中的液相溶质浓度变化；图4表示IN718合金在凝固过程中液相溶质浓度变化(参考文献10的图2)；图5表示Ni_10wt% Al合金以及IN718合金在凝固过程中的液相密度变化；图6表示Al浓度的等高线，表示在轴向所施加磁场Bz对具体例I中Ni_10wt%Al合金圆形定向凝固铸锭的线状偏析偏析的作用效果；图6(a)表示Bz = 0，图6(b)表示Bz = 5特斯拉，图6 (c)表示Bz = 10特斯拉，图6 (d)表示在这些铸锭的RR’断面(距底面91. 9mm)中的Bz的效果。图7表不和图6相同的铸锭在凝固途中(18分钟后)的固相率分布；(a)为全断面，(b)为外周部的局部扩大图。图8表示和图6相同的铸锭在凝固途中(18分钟后)的液相流动；图8(a)为Bz=0,图8 (b)为Bz = 10特斯拉。图9表示Al浓度等高线,表示具体例2中Ni_10wt%合金方形定向凝固铸锭的线状偏析偏析；(a)为横断面(距底面86. 6mm)中的线状偏析，(b)为纵断面(Y方向断面)中的线状偏析。
图10表示和图9相同的铸锭的Y方向末端纵断面中20分钟后的图10 (a) Al的线状偏析偏析及固相率分布，图10(b)固液共存相及液相中流动场及固相率分布。图中的等高线表示固相率为0. 2,0. 4,0. 6和0. 8。背景上部的灰色表示液相，浅灰色表示固液共存相、下部的深灰表示固相。速度向量经过规格化处理。图11表示Al浓度的等高线，表示在轴向所施加磁场Bz对在具体例2中Ni_10wt%Al合金方形定向凝固铸锭中产生的线状偏析偏析的作用效果；图11 (a)表示Bz = 0，图11 (b)表示Bz = 3特斯拉，图11 (c)表示Bz = 5特斯拉的情形。图11 (d)表示的XX’断面(距底面91. 9mm, Y方向断面)中偏析抑制的效果。图12表示Al浓度的等高线,表示在Y方向施加磁场(Bz = 3特斯拉)对具体例2中Ni-10wt% Al合金方形定向凝固铸锭中产生的线状偏析偏析的作用效果；(a)表示XX’断面(距底面91. 9mm), (b)表示Y方向断面中的偏析。
图13表示Al浓度的等高线，表示在纵向所施加磁场对具体例3中Ni_10wt% Al合金薄板定向凝固铸锭中产生的线状偏析点偏析的作用效果；(a)表示Bz = 0，(b)表示Bz=I特斯拉，(c)表示Bz = 2特斯拉的情形。各图中纵向表示Y方向断面,横断面表示XX’横断面(距底面91. 9mm)。图14表示Nb浓度的等高线，表示在轴向所施加磁场Bz对具体例4的IN718Ni-10wt% Al合金重熔工艺中铸锭中心部的线状偏析偏析的作用效果；(a)表示Bz=0, (b)表示Bz = 5特斯拉，(c)表示Bz = 10特斯拉的情形。图15表示在图14中不加磁场时的RR’断面(距底面1068. 8mm)中各合金元素的偏析的分布。图16表示图14RR’断面(距底面1068. 8mm)中Nb偏析抑制的效果。图17为在重熔工艺中的本发明的适用例；图17(a)表示在ESR工艺中的适用例，图17(b)表示VAR和矿渣精炼以及静磁场相组合的适用例。图18表示与本发明相关的DC线圈的几个例子；(a)表示螺线型、(b)表示单组线圈、(C)表示双组线圈(赫尔姆霍茨型或近似此类型)，图(d)表示在与重力方向相交的方向施加磁场情况下的粒子轨道型单组线圈，(e)表示粒子轨道型型双组线圈。图19表示在具体例3中Ni-IOwt % Al合金薄板定向凝固中不施加磁场时的Al浓度的等高线；(a)表示直的，长126mm, (b)表示带锥形,长126mm, (c)表示直的,长252mm。图20表示图19 (b)带锥形薄型铸锭拉出开始1005秒后(距底面45mm)的共存区域内的流动场和固相率(0. 2至I. 0，间隔0. 2)分布。图21表示对图19(b)带锥形薄型铸锭定向凝固中在轴向施加磁场时抑制宏观偏析的效果。(a)Bz = 0. 5特斯拉，(b)为3特斯拉，(C)为5特斯拉磁场时的情形。横截面是位置XX’断面中的分布。符号说明I.电极(消耗电极)2.熔洛3.隔热性耐火物装置4.加热器5.用于施加轴方向静磁场或横方向静磁场的DC线圈
6.水冷铸模7.铸锭8.水冷底台9.接受台10.真空或 惰性气体气氛11.磁屏障A.关于宏观偏析的形成机理众所周知，以线状偏析偏析为首的各种宏观偏析的起因在于固液共存相中液相的流动。作为引起该流动的驱动力，虽然有凝固收缩、由枝晶间液相的密度差引起的对流、电磁力等来自外部的力等，但在本发明中由密度差产生的对流特别重要。由合金的成分决定是生成前面定义的浮上型合金还是沉降型合金或其混合型合金(液相密度随凝固的进行而减少再增加，或相反时形成合金)，由于铸造工艺产生特有的宏观偏析。B.由磁场产生的抑制流动效果以下对通过静磁场抑制流动的原理作简单的描述。根据关于电磁流体的欧姆法则表述向量如下J=O (E+vXB)(I)O为导电性熔融金属的导电率(I/Qm)，v为熔融金属的流速向量(m/s)，B为外部施加的磁场的磁通密度向量(特斯拉)，E为诱导电场的强度向量(V/m)，J为诱导电流密度向量(A/m)。根据电场的连续条件V * J = 0(2)电位为V (V)时E = -Vv(3)由J和B产生的电磁力(洛伦茨力)f (N/m3)由下式给出f = JXB(4)将⑴式和(3)式代入⑵式得到(5)式。▽ (O ▽ Ij;) =▽ O (vXB)(5)解式(5)求V，由(I)式及(3)式求J，接着由式⑷可算出洛伦茨力f 即电磁制动力。但是，V必须通过含有运动方程式的后述的数值解析来计算，和流体场及电磁场有着高度的相关性。C.凝固解析方法为了解析凝固现象，以下对本发明的发明人开发的通用的凝固模拟系统(系统名CPR0)解析数值的方法概要进行阐述。表征凝固现象的物理参数由温度、凝固过程中液相及固相中再分布的元素浓度(合金元素的个数计为n)、决定温度和固相律的关系的液相温度、在液相及固液共存相中的液相流速(3个向量成分)以及压力所决定。这些，在本说明书中称作宏观尺寸物理参数。表I给出对应于这n+6个物理参数的支配方程式。表I物理参数和支配方程式的关系(n为合金元素数)
权利要求
1.一种制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法，适用于在凝固过程中经历固液共存相的全部合金，所述合金铸件或铸锭具有从单晶枝状晶组织即SX材料、多晶柱状枝晶组织即DS材料以及所述SX材料和所述DS材料的混合组织中选择的一种结晶组织，其特征在于，所述方法包括 步骤(I)，形成固相、固液共存相即共存相以及液相，将所述共存相由一端向另一端移动来进行定向凝固，形成所述组织； 步骤(2)，在步骤(I)中，对至少所述共存相全体和所述共存相和所述液相的界面附近施加实质性平行于z方向的，即平行于定向凝固方向的所需强度的静磁场Bz，来抑制产生例如线状偏析的宏观偏析的枝间极低速液相流动。
2.一种制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法，适用于在凝固过程中经历固液共存相的全部合金，所述合金铸件或铸锭具有从单晶枝状晶组织即SX材料、多晶柱状枝晶组织即DS材料以及所述SX材料和所述DS材料的混合组织中选择的一种结晶组织，其特征在于，所述方法包括 步骤(I)，形成固相、固液共存相即共存相以及液相，将所述共存相由一端向另一端移动来进行定向凝固，形成所述组织； 步骤(2)，在步骤(I)中，对至少所述共存相全体和所述共存相和所述液相的界面附近施加实质性平行于z方向的，即平行于定向凝固方向的所需强度的静磁场Bz，来抑制不定向结晶缺陷的产生。
3.如权利要求I或2所述的制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法，其特征在于，所述合金为含有镍的合金或者含有钛和招的合金。
4.如权利要求I或2所述的制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法，其特征在于，所述结晶组织为晶胞组织。
5.一种制造合金铸件或铸锭的定向凝固装置，适用于在凝固过程中经历固液共存相的全部合金，所述合金铸件或铸锭具有从单晶枝状晶组织即SX材料、多晶柱状枝晶组织即DS材料以及所述SX材料和所述DS材料的混合组织中选择的一种结晶组织，其特征在于，所述装置包括 定向凝固设备，用来形成固相、固液共存相即共存相以及液相，并将所述共存相由一端向另一端移动来进行定向凝固，形成所述结晶组织； 施加静磁场的设备，用来对至少所述共存相全体和所述共存相和所述液相的界面附近施加实质性平行于z方向的，即平行于定向凝固方向的所需强度的静磁场Bz，来抑制产生例如线状偏析的宏观偏析的枝间极低速液相流动。
6.一种制造合金铸件或铸锭的定向凝固装置，适用于在凝固过程中经历固液共存相的全部合金，所述合金铸件或铸锭具有从单晶枝状晶组织即SX材料、多晶柱状枝晶组织即DS材料以及所述SX材料和所述DS材料的混合组织中选择的一种结晶组织，其特征在于，所述装置包括 定向凝固设备，用来形成固相、固液共存相即共存相以及液相，并将所述共存相由一端向另一端移动来进行定向凝固，形成所述结晶组织； 施加静磁场的设备，用来对所述共存相全体施加实质性平行于z方向的，即平行于定向凝固方向的所需强度的静磁场Bz，来抑制不定向结晶缺陷的产生。
7.如权利要求5或6所述的制造合金铸件或铸锭的定向凝固装置，其特征在于，所述合金为含有镍的合金或者含有钛和招的合金。
8.如权利要求5或6所述的制造合金铸件或铸锭的定向凝固装置，其特征在于，所述结晶组织为晶胞组织。
全文摘要
本发明提供一种制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法及定向凝固装置，适用于在凝固过程中经历固液共存相的全部合金，所述合金铸件或铸锭具有从单晶枝状晶组织、多晶柱状枝晶组织料以及二者的混合组织中选择的一种结晶组织。所述方法包括步骤1，形成固相、固液共存相即共存相以及液相，将共存相由一端向另一端移动来进行定向凝固，形成所述组织；步骤2，在步骤1中对至少所述共存相全体和所述共存相和所述液相的界面附近施加实质性平行于z方向的，即平行于定向凝固方向的所需强度的静磁场Bz，来抑制产生例如线状偏析的宏观偏析的枝间极低速液相流动。
文档编号B22D27/04GK102728822SQ20111040058
公开日2012年10月17日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年4月25日
发明者戎嘉男 申请人:株式会社英比寿