K417高温合金真空熔铸凝固过程的电磁控制

论文摘要

铸造高温合金大多采用双真空熔铸工艺,即将原材料先在真空感应炉内熔炼并铸造成母合金锭,再在真空感应炉内将母合金锭重熔并浇注成铸件。因此,最初的高温合金母合金锭的质量对高温合金铸件的质量有很大影响。目前采用传统的真空熔铸工艺得到的高温合金母合金锭存在晶粒粗大、元素偏析严重和缩孔较多等问题,从而影响了最终铸件的合格率。采用传统真空熔铸工艺得到的高温合金铸件的凝固组织一般都是粗大不均的,这就导致这类铸件在中低温的环境中工作时具有较差的低周疲劳性能和力学性能。晶粒细化是提高中低温工作条件下高温合金铸件低周疲劳寿命和力学性能的有效途径之一。随着电磁场技术的发展,材料的电磁加工技术已经成为材料科学和材料制备领域重要的研究方向。其中,电磁搅拌技术作为细化晶粒、增加等轴晶率、减轻中心缩孔和偏析、减少夹杂物的重要手段,对提高铸坯的质量具有显著作用。为了解决目前高温合金母合金锭存在的质量问题,本文提出了在高温合金母合金锭真空熔铸的凝固过程中施加旋转电磁场的高温合金母合金锭真空电磁铸造新技术。建立了工频单向旋转电磁场作用下高温合金母合金锭真空电磁铸造技术的试验装置,研究了工频单向旋转电磁场对K417高温合金母合金锭质量的影响。结果表明:在高温合金母合金锭真空熔铸的凝固过程中合理施加工频单向旋转电磁场,其在金属熔体中产生的旋转电磁搅拌作用能够使K417高温合金母合金锭的等轴晶组织得到明显细化、等轴晶率有所增加、夹杂物和中心缩孔的大小和分布得到明显改善、枝晶偏析大为减轻,从而使高温合金母合金锭的质量得到大幅提高。为了提高在旋转电磁场作用下容易产生负偏析带缺陷的一些高温合金母合金锭的质量,本文提出了在高温合金母合金锭真空熔铸的凝固过程中施加行波磁场的高温合金母合金锭真空电磁铸造新技术。建立了单侧向上的工频行波磁场作用下高温合金母合金锭真空电磁铸造技术的试验装置,研究了单侧向上的工频行波磁场对K417高温合金母合金锭质量的影响。结果表明:在高温合金母合金锭真空熔铸的凝固过程中合理施加单侧向上的工频行波电磁场,其在金属熔体中产生的线性电磁搅拌作用能够使K417高温合金母合金锭的质量得到大幅提高。为了得到优质高温合金细晶铸件,本文提出了通过将施加双向旋转电磁场和在模壳内壁的面层涂料中添加孕育剂相结合的方法获得高温合金细晶铸件的新技术,建立了工频双向旋转电磁场和孕育剂作用下高温合金细晶铸造技术试验装置,研究了工频双向旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件晶粒尺寸和断面等轴晶比例的影响,并系统研究了晶粒细化到95μm对K417高温合金铸件的枝晶组织、枝晶偏析、MC型碳化物、γ′相、（γ+γ′）共晶以及室温和650℃中温条件下拉伸性能和低周疲劳性能的影响。结果表明:（1）通过增加电磁搅拌强度或缩短金属液的静置时间并不能完全消除高温合金铸件表面的粗大柱状晶层。通过将浇注8秒后施加150A的工频双向旋转电磁场和在模壳内壁的面层涂料中添加孕育剂铝酸钴相结合的方法,可以得到晶粒细化至95μm、断面等轴晶比例达到100%的K417高温合金细晶铸件。（2）通过将施加工频双向旋转电磁场和在模壳内壁的面层涂料中添加孕育剂铝酸钴相结合的方法将晶粒细化到95μm,可以大幅减轻K417高温合金铸件的枝晶偏析,并能改善其枝晶、MC型碳化物、（γ+γ′）共晶和γ′相的形态和分布,这均有利于提高高温合金铸件的塑性、韧性和疲劳性能。（3）在室温和650℃的中温条件下,晶粒细化到95μm可以使K417高温合金铸件的强度、塑性和低周疲劳寿命明显提高。当温度从室温20℃升高到中温650℃时,K417高温合金的抗拉强度和屈服强度基本保持不变,但其延伸率和断面收缩率却有所降低。在0.3%的总应变控制量下,当试验温度从室温20℃升高到中温650℃时,K417高温合金粗晶试样和细晶试样的低周疲劳寿命都有较大幅度的降低,这主要是由温度升高导致氧化损伤和疲劳损伤的增加所引起,其中疲劳损伤起着主要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 铸造高温合金的发展与应用
• 1.1.2 高温合金母合金锭真空电磁铸造技术的研究背景与意义
• 1.1.3 高温合金电磁搅拌法细晶铸造技术的研究背景与意义
• 1.2 高温合金母合金锭制造技术的研究现状
• 1.2.1 高温合金母合金锭的质量要求
• 1.2.2 控制高温合金母合金锭质量的现有途径
• 1.2.3 高温合金母合金锭的制造新技术
• 1.3 高温合金细晶铸造技术的研究现状
• 1.3.1 热控法
• 1.3.2 动力学法
• 1.3.3 化学法
• 1.4 材料的电磁加工技术
• 1.4.1 电磁搅拌技术
• 1.4.2 电磁约束成型技术
• 1.4.3 电磁净化技术
• 1.4.4 复合电磁场的应用
• 1.5 论文的研究目的及内容
• 2 工频旋转电磁场对K417高温合金母合金锭质量的影响
• 2.1 前言
• 2.2 旋转电磁场的理论基础
• 2.2.1 三相交流电产生旋转电磁场的原理
• 2.2.2 交变电磁场的方程组
• 2.2.3 旋转电磁搅拌力的理论解析
• 2.2.4 旋转电磁搅拌力在实际工程应用中的计算
• 2.3 试验
• 2.3.1 试验材料
• 2.3.2 试验装置
• 2.3.3 真空感应熔炼炉内熔炼坩埚的准备
• 2.3.4 金属液静置时间的确定
• 2.3.5 试验方法
• 2.3.6 试样的制备与分析
• 2.4 试验结果与分析
• 2.4.1 工频旋转电磁搅拌对K417高温合金母合金锭凝固组织的影响
• 2.4.2 工频旋转电磁搅拌对K417高温合金母合金锭枝晶偏析的影响
• 2.4.3 工频旋转电磁搅拌对K417高温合金母合金锭中心缩孔的影响
• 2.4.4 工频旋转电磁搅拌对K417高温合金母合金锭夹杂物的影响
• 2.5 小结
• 3 工频行波磁场对K417高温合金母合金锭质量的影响
• 3.1 前言
• 3.2 线性电磁搅拌力的理论解析
• 3.3 试验
• 3.3.1 试验装置
• 3.3.2 试验方法
• 3.4 试验结果与分析
• 3.4.1 工频线性电磁搅拌对K417高温合金母合金锭凝固组织的影响
• 3.4.2 工频线性电磁搅拌对K417高温合金母合金锭枝晶偏析的影响
• 3.4.3 工频线性电磁搅拌对K417高温合金母合金锭中心缩孔的影响
• 3.4.4 工频线性电磁搅拌对K417高温合金母合金锭夹杂物的影响
• 3.5 小结
• 4 旋转电磁场和孕育剂作用下K417高温合金的细晶铸造技术研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 铸型模壳的制作
• 4.2.3 双向旋转电磁搅拌时间的确定
• 4.2.4 试验方法
• 4.2.5 试样的制备与分析
• 4.3 试验结果
• 4.4 试验结果分析
• 4.4.1 双向旋转电磁场对K417高温合金铸件凝固组织的影响
• 4.4.2 孕育剂对K417高温合金铸件凝固组织的影响
• 4.5 小结
• 5 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件微观组织的影响
• 5.1 前言
• 5.2 试样的制备和检测
• 5.3 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件枝晶组织的影响
• 5.4 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件枝晶偏析的影响
• 5.5 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件MC型碳化物的影响
• 5.6 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件（γ+γ′）共晶的影响
• 5.7 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件γ′相的影响
• 5.8 小结
• 6 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件性能的影响
• 6.1 前言
• 6.2 试样的制备和检测
• 6.3 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件室温拉伸性能的影响
• 6.4 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件650℃拉伸性能的影响
• 6.5 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件室温低周疲劳性能的影响
• 6.6 旋转电磁场和孕育剂对K417高温合金铸件650℃低周疲劳性能的影响
• 6.7 小结
• 结论
• 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A K417高温合金拉伸性能和低周疲劳性能检测报告
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及获奖情况
• 致谢