论文摘要
镍基耐蚀高温合金目前大多采用双联或三联的熔炼工艺,即先将原材料在非真空感应炉内熔炼并铸造成母合金锭,再将母合金锭重熔并浇注成铸件。传统的生产工艺存在着能耗高、成材率低等缺点,所制备出的合金锭还存在着晶粒粗大、缩孔和元素偏析严重等缺陷。与传统的模铸工艺相比,连铸工艺具有能耗低、成材率高等优点,因此,将连铸工艺引入到高温合金的制备领域中来具有十分重要的意义。本论文是在国家重点自然科学基金项目(No.50834009)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(No.N090609001)的共同资助下,针对高温合金母合金锭质量上存在的问题和国内外的研究现状,结合电磁搅拌技术与连铸工艺的优势,首先系统考察了电磁搅拌对高温合金Incoloy 800合金锭质量的影响,并分析了其作用机理,然后在实验室立式连铸平台上进行了高温合金Incoloy 800矩形坯电磁连铸,制备出了内外质量优良的Incoloy 800矩形坯,填补了国内高温合金连铸领域的空白。电磁搅拌作用下合金液内电磁力特性分析的研究结果表明,当线性电磁搅拌器结构参数一定时,距离搅拌器的距离越近,电磁力越大；合金液中某点处电磁力的大小随电流强度的增加而增大,随着电源频率的增加呈现先增加后减小的趋势；旋转电磁搅拌作用下,合金液除受沿周向上的电磁力作用以外,还受到沿径向的电磁力的作用,但熔池内的旋转运动主要受沿周向上的电磁力的影响；当电磁搅拌器结构参数一定时,磁感应强度随合金液深度的增加而迅速衰减,衰减幅度可由穿透深度来衡量。穿透深度越大,磁感应强度衰减越慢,其作用范围越大,穿透深度越小,磁感应强度衰减越快,其作用范围越小。穿透深度除了受电源频率的影响外,还与极距有关。电磁搅拌对Incoloy 800母合金锭质量的影响表明,与未施加电磁搅拌相比,在高温合金Incoloy 800的凝固过程中施加线性电磁搅拌时,合金锭的等轴晶平均晶粒尺寸从3.5mm细化为2.3mm,等轴晶比例从5%提高为43%；施加旋转电磁搅拌后,合金锭的等轴晶平均晶粒尺寸从3.5mm细化为1.9mm,等轴晶比例从5%提高为48%；施加线性电磁搅拌后,合金锭中心缩孔带长度从未施加电磁搅时的70mm减小为48mm,.合金锭中心缩孔比率从未施加电磁搅拌时的37%降低为25%；施加旋转电磁搅拌后,合金锭中心缩孔带长度从从未施加电磁搅时的70mm减小为43mm,合金锭中心缩孔比率从未施加电磁搅时的37%降低为23%；施加不同方式的电磁搅拌后,溶质元素的分布更加均匀。与未施加电磁搅拌相比,元素的宏观偏析和微观偏析均得到明显改善；线性电磁搅拌和旋转电磁搅拌分别迫使熔体作纵向的大环流和周向圆周运动,导致线性电磁搅拌作用下Incoloy 800合金锭纵截面内的柱状晶发生上下方向上的倾斜,旋转电磁搅拌作用下Incoloy 800合金锭横截面内的柱状晶发生水平圆周方向上的倾斜；未施加电磁搅拌时,铸锭微观组织由激冷层细小等轴晶、内表面单向树枝晶、中心附近单向树枝晶、中心交叉树枝晶组成；施加线性电磁搅拌和旋转电磁搅拌时,微观组织均由激冷层细小等轴晶、内表面单向树枝晶、交叉树枝晶、中心细小的等轴晶、中心带有晶轴的树枝晶组成；枝晶发生断裂游离过程是熔断机制和机械折断机制共同作用的结果,并根据枝晶形貌和枝晶干成分变化证实了枝晶的断裂游离过程。枝晶的断裂游离过程和成分过冷共同引起的中心等轴晶数量的增加是晶粒组织细化的根本原因。电磁搅拌参数对高温合金Incoloy 800合金锭质量的影响表明,合金锭断面等轴晶平均晶粒尺寸随着磁感应强度的增大呈现先减小后增加的趋势,等轴晶比例呈现先增加后减小的趋势,当磁感应强度为1.73kG时合金锭的质量最佳；磁场强度较大时,铸锭内部的Ti(CN)数量减少;反之,磁场强度较小时,铸锭内部的Ti(CN)数量较多,这说明电磁搅拌具有促进Ti(CN)上浮去除的作用;基于立式电磁连铸实验机,成功制备出Incoloy 800镍基耐腐蚀高温合金矩形连铸坯,铸坯表面无纵裂纹和偏角凹陷等缺陷。施加线性电磁搅拌,可有效抑制Incoloy 800连铸坯的穿晶现象;在本实验连铸机条件下,提高拉坯速度,使得钢液受电磁搅拌作用的起始时间提前,铸坯内部等轴晶比率增加,等轴晶平均晶粒尺寸减小。这说明采用电磁搅拌技术可有效提高连铸生产高温合金铸坯的等轴晶比率,进而提高连铸坯的内部质量。