復合磁場對真空熔鑄高溫合金鑄件凝固組織的影響
為了進一步提高真空熔鑄高溫合金鑄件的的質量，本文系統(tǒng)研究了在K417高溫合金真空熔鑄過程中施加由工頻交流電磁場和恒穩(wěn)直流電磁場組成的復合磁場對高溫合金鑄件凝固組織的影響。實驗結果表明：在澆注完畢后同時施加60A 旋轉電磁場和290 A 恒穩(wěn)直流電磁場的工藝條件下，由于恒穩(wěn)直流電磁場在金屬液面處產生的電磁制動效應可以抑制施加旋轉電磁場所引起的金屬液面的波動，因此既可以避免因金屬液液面波動太大而使鑄件縮孔惡化的情況出現，又可以大幅提高旋轉電磁場在金屬液凝固過程中的作用范圍和效果，最終得到細小等軸晶比例達到99%、縮孔明顯改善的優(yōu)質高溫合金鑄件。
在前期的研究工作中，為了得到鑄造組織為細小均勻等軸晶、在中低溫的工作環(huán)境中具有優(yōu)異低周疲勞性能和力學性能的航空發(fā)動機低壓渦輪葉片和工業(yè)燃氣輪機渦輪盤等鑄造高溫合金零件，研究了在高溫合金真空熔鑄的凝固過程中施加旋轉電磁場對高溫合金鑄件凝固組織的影響，試驗結果表明該方法能夠細化高溫合金鑄件的凝固組織、改善夾雜物的數量和分布、減輕枝晶偏析。但該方法通過延遲電磁攪拌的開始時間來保證金屬液面能夠在電磁攪拌之前形成穩(wěn)定的表面凝殼，避免因金屬液面波動太大而惡化鑄件的補縮條件。這導致旋轉電磁場在金屬液凝固過程中的作用范圍和效果有限，得到的高溫合金鑄件總會存在一個在施加電磁場之前就已凝固形成的晶粒較粗大的柱狀晶層，這是一個旋轉電磁場在金屬熔體中產生的電磁攪拌和電磁凈化作用沒能達到的區(qū)域，其純凈度和均勻性較差。
目前隨著航空發(fā)動機以及工業(yè)燃氣輪機性能的提高，對高溫合金鑄件的品質提出了更高的要求。另一方面，國內外對復合磁場的應用研究越來越多，而且研究結果表明，施加復合磁場能夠進一步地改善鑄坯的質量。為了進一步提高真空熔鑄高溫合金鑄件的的質量，本文在K417 高溫合金鑄件真空熔鑄的凝固過程中施加由工頻交流電磁場和恒穩(wěn)直流電磁場組成的復合磁場，以研究施加復合磁場對真空熔鑄高溫合金鑄件凝固組織的影響。
1、試驗
試驗裝置示意圖見圖1，該裝置主要由奧氏體不銹鋼砂箱、條形恒穩(wěn)直流電磁場發(fā)生器、工頻交流旋轉電磁場發(fā)生器、真空中頻感應熔煉爐、泡沫陶瓷過濾器、澆冒口系統(tǒng)組成。其中，條形恒穩(wěn)直流電磁場發(fā)生器設置在奧氏體不銹鋼砂箱外側上部，工頻交流旋轉電磁場發(fā)生器設置在奧氏體不銹鋼砂箱外側下部。
圖1 實驗裝置示意圖
本實驗中的試樣型殼采用填砂造型澆注。將8 kg 的K417 高溫合金爐料裝入真空中頻感應熔煉爐中，抽真空，當真空中頻感應熔煉爐的真空度達到6 × 10-2 Pa 以上時通電加熱熔化， 90 min 的熔化期結束后將溫度進一步升至1580℃，進行15min 的精煉。
精煉期結束后，將熔煉好的K417 高溫合金熔液通過帶有泡沫陶瓷過濾器的澆冒口系統(tǒng)澆注到模殼中，當金屬液液面和直流電磁場發(fā)生器中心面平齊時停止?jié)沧ⅲ来未蜷_條形恒穩(wěn)直流電磁場發(fā)生器、工頻交流旋轉電磁場發(fā)生器的電源，60 s 后，依次斷開工頻交流旋轉電磁場發(fā)生器、條形恒穩(wěn)直流電磁場發(fā)生器的電源， 120 min 后破真空取樣。實驗過程中通過調整工頻交流旋轉電磁場發(fā)生器、條形恒穩(wěn)直流電磁場發(fā)生器各自輸入的勵磁電流的大小對其產生的電磁場的強度進行控制。
制備觀測宏觀晶粒組織試樣時使用的腐蝕劑為15 g CuSO4 + 3.5 ml H2SO4 + 50 ml HCl 混合溶液。晶粒尺寸和斷面等軸晶比例使用MEF-3 型高溫金相顯微鏡和Q500IW 圖像分析儀進行測定。采用專業(yè)級佳能EOS 5D Mark III 單反數碼相機記錄不同工藝條件下K417 高溫合金鑄件的表面形貌。
3、結論
(1) 在K417 高溫合金鑄件真空熔鑄過程中，當澆注完畢后立即施加旋轉電磁場時，金屬液面將會產生較大的渦旋狀波動，這將惡化了鑄件凝固過程中的補縮條件，導致凝固后高溫合金鑄件的表面呈現較深的中心凹陷，鑄件內部的縮孔比較嚴重。
(2) 在K417 高溫合金鑄件真空熔鑄過程中，當澆注完畢后在金屬液面處立即施加恒穩(wěn)直流電磁場時，液態(tài)金屬將會受到一個與金屬液的運動方向相反的電磁制動力，從而對金屬液面的波動起到抑制作用。
(3) 在本實驗條件下，當澆注完畢后同時施加60 A 旋轉電磁場和290 A 恒穩(wěn)直流電磁場時，由于恒穩(wěn)直流電磁場在金屬液面處產生的電磁制動效應可以抑制施加旋轉電磁場所引起的金屬液面的波動，因此既可以避免因金屬液液面波動太大而使鑄件縮孔惡化的情況出現，又可以大幅提高旋轉電磁場在金屬液凝固過程中的作用范圍和效果，最終得到細小等軸晶比例達到99%、縮孔明顯改善的優(yōu)質高溫合金鑄件。
