新技术新工艺-细晶铸造(doc7)

新技术新工艺--细晶铸造
细晶铸造

国外近二十年来集中力量发展了高温合金定向铸造和单晶铸造技术，主要是为了提
高航空发动机高压涡轮叶片的高温工作能力，从而增大发动机的推力，并延长其工作寿
命。与此同时，航空发动机的恶劣工况对在中低温条件下工作的低压涡轮叶片、整体叶
盘和涡轮机匣等高温合金铸件的低周疲劳寿命提出了更高要求。但是这类铸件在普通熔
模精铸工艺生产条件下，一般为粗大的树枝晶或柱状晶，晶粒平均尺寸大于 4mm，较典
型的为 4~9mm。由于晶粒粗大及组织、性能上的各向异性，很容易导致铸件在使用过程
中疲劳裂纹的产生和发展，这对于铸件的疲劳性能尤其是低周疲劳性能极为不利，并且
造成铸件力学性能数据过于分散，降低了设计容限。随着对发动机的整体寿命和性能要
求的进一步提高，改善铸件的中低温疲劳性能及其他力学性能显得十分重要。这便导致
了细晶铸造技术的产生和发展。

工业发达国家，尤其是美国和德国，早在 20 世纪 70 年代末就开展了高温合金细晶
铸造技术的研究和应用，在 20 世纪 80 年代中后期该项技术发展趋于成熟，目前正在航空、
航天工业领域中扩大其应用范围，如美国 Howmet 公司利用细晶铸造技术成功地制造了
Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718 等高温合金整体涡轮，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。国内对高温
合金细晶铸造技术的研究从 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，我国航空制造业建立了专门的细晶铸造设备，对高温合金细晶铸造工艺
进行了较系统的试验，研制了一批镍基高温合金细晶铸件，并已应用于航空发动机中，
在细晶铸造研究领域内取得了重要的进展。
1 细晶铸造的特点和工艺方法
1.1 细晶铸造的特点

细晶铸造技术或工艺（FGCP）的原理是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形
核机制，在铸造过程中使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，较典型的细晶铸件晶粒度为美
国标准 ASTM0~2 级。细晶铸造在使铸件晶粒细化的同时，还使高温合金中的初生碳化
物和强化相γ＇尺寸减小，形态改善。因此，细晶铸造的突出优点是大幅度地提高铸件
在中低温（≤760℃）条件下的低周疲劳寿命，并显著减小铸件力学性能数据的分散度，
从而提高铸造零件的设计容限。同时该技术还在一定程度上改善铸件抗拉性能和持久性
能，并使铸件具有良好的热处理性能。

细晶铸造技术还可改善高温合金铸件的机加工性能，减小螺孔和刀刃形锐利边缘等
处产生加工裂纹的潜在危险。因此该技术可使熔模铸件的应用范围扩大到原先使用锻件、
厚板机加工零件和锻铸组合件等领域。在航空发动机零件的精铸生产中，使用细晶铸件
代替某些锻件或用细晶铸造的锭料来做锻坯已很常见。
1.2 细晶铸造的工艺方法
细晶铸造晶核的增殖来源于合金液中已存在的或外加的固体形核基底成形核心作
用，因此，细化晶粒的关键是增加合金液中的形核基底的数量。目前增加形核基底的数
量的基本方法大致可分为三大类：热控法或改变铸造参数法（VCP 法）、动力学法（或机
械法）和化学法。这也是细晶铸造的三类基本工艺方法，如表 1 所示。
表 1 细晶铸造的工艺方法
类 别
热控法
（Thermal Control Method)
动力学法
（Dynamic Method）
化学法
（Chemical Approach）
工艺原理
在静态铸型条件下，通过控制铸型
温度，降低合金精炼温度和时间，
使分散于熔液中作为形核基底的碳
化物保留下来，并较大幅度地降低
在浇注和凝固过程中施加外力迫使合
金液产生振动、搅动等运动，已凝固
的枝晶被破碎并使之遍布于整个熔液
中，从而形成更多的有效晶核，并限
通过向熔液中加入有效形核
剂，形成大量的非均匀质核心
而使晶粒细化。典型的如添加
元素 B、稀土元素、Ni-Al 中间