锻压工艺及模具设计
学 院（系）
专 业 班 级 班 级 序 号
学 生 姓 名
时 间 ： 2011—2012学年第 学期
高温合金的晶粒细化工艺
摘要 随着铸造合金尤其足铸造高温台金在工业领域内的广泛应用．多年来冶金工作者为了充分发挥合金的作用及改善合金的性能，对晶粒细化给予了很大的关注，并采用各种方法．如添加形核剂、快速冷却 、工艺参数的控制、熔体在凝固过 程中的机械振动和搅拌及精铸壳内袁面涂层等 ；“FGP”细化工艺、Microcasl X专利、 Grainex专利和用氧化铝在精铸壳内表面涂层等已被工业采用。虽然孕育剂的添加是一种有效、简单和实用的晶粒细化方法，但直至日前， 因为各种因素的限制尚未发现 一种令人满意的高温合金晶粒细化剂。周此．靠加孕育剂细化高温合金是很困难的，目前这方面的研究仍在进行。
关键词 高温合金 晶粒细化 添加剂
1. 引言
高温台金已广泛地应用丁航空、航天、工业燃机发电级高速机车等方面，然而．不同的用途对高温合金的成分、组织、性能的要求有所区别。比如 ，燃 涡轮部件（轮缘、叶片和涡轮盘)所处工况温度差别在200~300 C，所承受的应力状况也不同 。
在长期使用中．材料应具有高的强度、较佳的抗氧化、耐 蚀性能和良好的低周疲劳抗力。提高温合金低周疲劳抗力有效的措施是获得均匀细小的品粒结构。下面就当前晶粒细化方法和高温合金晶粒细化工艺及存在的问题做一慨述。
2 晶粒细化方法
早在50年代初．晶粒细化控制已成功地用与有色台金铸件上，如铝合金、AI一_ri，Al—cu铸件等，接着进一步发展到铸铁、不锈钢和高温合金。已 知在低过冷度下，形核对晶粒细化是个控制凶素，以下5种促进形核的方法是可行的：快速冷却；在凝固过程中熔体的搅动；阻止晶粒长大添加剂；有效的大量
形核添加剂及去核作用。
按效能论，快速冷却是最好的；形核添加剂和熔 体的搅动也能产生很细的晶粒组织；阻止晶粒长大添加剂的作用差；击核作用尚未充分地研究。然而， 不是所有的方法都能用于各个方面，比如，大铸件的 迅速冷却非常困难；对许多台金适用的晶粒细化剂 尚未发现；阻止晶粒长大要求大量的添加剂．这将对 些性能有不利的影响。
3 高温合金的晶粒细化工艺
高温合金从加工工艺上分有变形、铸造和粉术 高温合金。从40年代起至今，铸造高温合全有了很大的发展，包括镍基和钴基合金，经常使用的合 金不下几十种。为了满足实际生产的需要和充分发挥铸造合金的综合性能，采取了一些措施来控制晶粒度、改善枝晶偏析和冶金缺陷。
3．1凝固参数的控制
实验表明，铸造工艺参数的改变不仅对合会 疏松率有很大影响，而且对台金组织如枝晶臂距、相的分布和形态及晶粒大小起着重要的作用。
l 984年，Airesearch铸造公司发展了一种细晶 铸造工艺(简称FGP)|。这种工艺采用了低的浇注温度，低的过热温度和较低的模子预热温度(约1093C)，并采用局部激冷或热包敷和加发热帽口，IN713LC和Mar—M247合金可获得ASTM 1～2级别的晶粒组织。
J．C．Chou等研究了模子预热和浇注温度对 IN713LC合金晶粒大小的影响。结果表明，较低的模子预热温度获得的晶粒细化效果超过了浇注温度的改变，由于较低的模温和浇温可产生高的冷却速度。然而，快速冷却带来的是不能完全充模或易于产生热裂．如何避免上述缺陷仍是需要研究解决的。
l 983年，B、A．Ewing等 采用了低的过热工艺(即Microcast—X j二艺)．在IN7l 3整铸轮中获得 r ASTM 3～5级晶度 这种方法是使一些难熔元素碳化物不熔与熔体中，这样一方面有助与形核，另 一方面减少金属一耐火材料之间的化学反应势能。
3．2添加形核孕育剂
形核孕育剂是一种很有效且简易、实用的晶粒细化方法。良好孕育剂的标准是：
1 有高的熔点，即是一种稳定的物质；
2熔体有类似的晶体结构；
3与熔体有类似的密度；
4有良好的分散度；
5具有清洁和粗糙的表面；
6对台金的性能无有害影响。
根据上述这些原则选择的孕育剂已成功地用与各种合金的晶粒细化，或有意添加到熔体中，或涂敷在精铸模壳内表面上。
用CoO+A1 O 涂敷在精铸模壳内表面上，使铸件表面层组织细化 这是由于C0()中Co不稳定，在高温F与氧化铝反应，在模壳内表面形成稳定的 CoAl起核心作用。目前这种方法已广泛地用于高温合金表面细化。
Denzine等 研究了添加0．10 ～0．12 B到 熔体中，通过一定的时间一温度循环操作，产生有效的形核基存。结果使T 63涡轮使用的IN713I CMar—M246和TC 103合金的低周疲劳性能得到了改善。
Demison等 研究了通过在金属条中预氧化质 点Cu Ni0熔八高温合金Nimonic 90基体中产生晶粒细化，获得了一定的效果。
另外，W．Reif等研究的将各种金属间化合物添加剂加入到IN738LC合金中获得了一定的晶粒细化效果。
3．3机械振动和搅动方法
机械振动和搅动方法对大截面铸件晶粒细化是一种有效的方法。它主要是在熔体凝固过程中，通过机械振动和搅动从而阻止枝晶进一步生长或使枝晶破碎而达到细化晶粒的目的。
离心式浇注是振动方法的一种特珠方式 将模壳置于离心机上，浇注后随即转动，转速时快时慢，凝固的枝晶受到干扰，阻止其生长而达到晶粒细化目的。
振动结晶足采用机械振动或电磁、超声波振动 使模壳内熔体凝固受到干扰，枝晶不能按其择优方向生长J．R．Brineger等是在这个基础上研 究出Howmet s Grainex工艺，在Mar—M247台金制造的透半涡轮上得到了实践，晶精度达到
ASTM 0 级 。
除此之外还可采用热流控制和气体扰动等方法，也可获得一定的效果 。
4 高温合金晶粒细化存在的问题
纵观以前的研究，虽然高温合金晶粒细化取得了一些初步的进展，但除 Microcast x和Grainex 工艺以及Airesearch Co．展的工艺效果较明 显外．细化添加剂方法至今尚未发现一种最佳的添加剂．这不能不说与高温合金本身有的特点有关。综合起来有以下的困难：
4．1合金成分的限制
众所周知，合金成分决定合金绀织．析合金组织对合金性能有重要的影响。根据技术条件规定．高温合金成分必须控制在一定的范闻内，否则会影响组 织，恶化性能和有色合金、铸铁和普碳钢等相比，高温台金成分是很复杂的一般含有l0种以上元素
有资料报道，一些元素和化合物对某合金晶粒细化具有较明的效果。例如，Ti，B，zr，Ce·WO，NiO，CoAl：等。但对高温合金来说，这些元 素只允许在很窄的范围内变化，否则组织将不稳定．出现有害的TCP相或低熔点相。同样，合金中添加氧化物质点或过量B，也会明显降低合金性能 所以高温合金中添加细化剂受到了很大制约， 目前研究仍在进行。
4．2细化添加荆稳定性的限制
如上所述，作为细化添加剂必须比较稳定，即其熔点要高。然而．一般高温合金的熔点相对有色合金是很高的，这就增加了其晶粒细化的难度。
高温合金的典型重熔冶炼工艺包括合金熔体 “过热 步骤，即合金熔炼时，必须加热到超过液相线 温度200C左右 ，其日的是使合金均 化，即将合 金所有相包括难熔元素的碳化物熔解，去除以前 工艺过程对合金组织的影响。在这样高的温度 ．许多添加剂将会分解或熔入熔体巾．不能有效地保留做为形核基衬．这就使一些熔点低的添加剂的应用受到限制。
4．3添加剂密度的限制
有些添加剂一般在浇注前加入熔体中，经一定时间均匀化后，浇入模中。
由于许多添加剂是以粉末或中间合金加入且密度比熔体低．在无搅动的情况下，添加只能浮在熔体[内部，浇人模中也不均匀，因此影响熔体在模中均匀细化。
4．4熔炼条件的限制
因为对高温合金成分要求严格，而且它还含有一些易氧化元素，如Al，Ti，Hf等，所以必须在真空条件熔练。在这种情况下，要获得扶得均匀细化的 品粒．就必须对添加的细化剂进行振动或搅动如果在非真空条件下这种操作很易实现，在真空下就会受到各种限制．实旌起来比较困难。
基于上述分析，不难理解采用添加剂的方法细化高温合金晶粒有很大难度。
5 结 论
(1)高温合金晶粒细化对合金组织和性能的改善是明显的，尤其对拉伸强度、低用疲劳序命改善更为突出，因而对提高工业燃气涡轮使用寿命、降低成 本有很大效果。
(2)日前比较成熟的高温合金细化工艺是Microcast X，Grainex和FGP工艺。 它们成功地用f IN7131 c整铸涡轮和Mar—M247透 t I r轮，晶 粒度分别达到ASTM 3～5，和l～2级。
(3)用CoO—Al。()；涂敷在精铸模壳内表面的工艺获得了良好的表面细化效果。
(4)添加细化剂虽是一种有效、简单实用的细化晶粒办法．但由于高温台金受各种因素的限制，晶粒细化实施比较困难 直至今日尚术发现一种最佳的细化添加剂。
(5)模子振动方法对大截面铸件的晶粒细化是一种有效的方法．但所需设备比较复杂。
参考文献
1高温合金晶粒 甄宝林 钢铁研究学报1996年第8卷第3期
2动力学法晶粒细化技术的进展及在高温合金中的应用 金文中等 铸造工艺 110724 3 铸造工艺参数与细化剂对K4169高温合金铸态组织的影响 熊玉华等 金属学报 第38卷第5期
4 K418高温合金用铝酸钴晶粒细化剂的研制及应用 秋华等 铸造技术 2004 No 4 5 镍基高温合金铸造叶片表面细化处理的研究 王狂飞 李邦盛 铸造技术 2005 No 6
锻压工艺及模具设计
学 院（系）
专 业 班 级 班 级 序 号
学 生 姓 名
时 间 ： 2011—2012学年第 学期
高温合金的晶粒细化工艺
摘要 随着铸造合金尤其足铸造高温台金在工业领域内的广泛应用．多年来冶金工作者为了充分发挥合金的作用及改善合金的性能，对晶粒细化给予了很大的关注，并采用各种方法．如添加形核剂、快速冷却 、工艺参数的控制、熔体在凝固过 程中的机械振动和搅拌及精铸壳内袁面涂层等 ；“FGP”细化工艺、Microcasl X专利、 Grainex专利和用氧化铝在精铸壳内表面涂层等已被工业采用。虽然孕育剂的添加是一种有效、简单和实用的晶粒细化方法，但直至日前， 因为各种因素的限制尚未发现 一种令人满意的高温合金晶粒细化剂。周此．靠加孕育剂细化高温合金是很困难的，目前这方面的研究仍在进行。
关键词 高温合金 晶粒细化 添加剂
1. 引言
高温台金已广泛地应用丁航空、航天、工业燃机发电级高速机车等方面，然而．不同的用途对高温合金的成分、组织、性能的要求有所区别。比如 ，燃 涡轮部件（轮缘、叶片和涡轮盘)所处工况温度差别在200~300 C，所承受的应力状况也不同 。
在长期使用中．材料应具有高的强度、较佳的抗氧化、耐 蚀性能和良好的低周疲劳抗力。提高温合金低周疲劳抗力有效的措施是获得均匀细小的品粒结构。下面就当前晶粒细化方法和高温合金晶粒细化工艺及存在的问题做一慨述。
2 晶粒细化方法
早在50年代初．晶粒细化控制已成功地用与有色台金铸件上，如铝合金、AI一_ri，Al—cu铸件等，接着进一步发展到铸铁、不锈钢和高温合金。已 知在低过冷度下，形核对晶粒细化是个控制凶素，以下5种促进形核的方法是可行的：快速冷却；在凝固过程中熔体的搅动；阻止晶粒长大添加剂；有效的大量
形核添加剂及去核作用。
按效能论，快速冷却是最好的；形核添加剂和熔 体的搅动也能产生很细的晶粒组织；阻止晶粒长大添加剂的作用差；击核作用尚未充分地研究。然而， 不是所有的方法都能用于各个方面，比如，大铸件的 迅速冷却非常困难；对许多台金适用的晶粒细化剂 尚未发现；阻止晶粒长大要求大量的添加剂．这将对 些性能有不利的影响。
3 高温合金的晶粒细化工艺
高温合金从加工工艺上分有变形、铸造和粉术 高温合金。从40年代起至今，铸造高温合全有了很大的发展，包括镍基和钴基合金，经常使用的合 金不下几十种。为了满足实际生产的需要和充分发挥铸造合金的综合性能，采取了一些措施来控制晶粒度、改善枝晶偏析和冶金缺陷。
3．1凝固参数的控制
实验表明，铸造工艺参数的改变不仅对合会 疏松率有很大影响，而且对台金组织如枝晶臂距、相的分布和形态及晶粒大小起着重要的作用。
l 984年，Airesearch铸造公司发展了一种细晶 铸造工艺(简称FGP)|。这种工艺采用了低的浇注温度，低的过热温度和较低的模子预热温度(约1093C)，并采用局部激冷或热包敷和加发热帽口，IN713LC和Mar—M247合金可获得ASTM 1～2级别的晶粒组织。
J．C．Chou等研究了模子预热和浇注温度对 IN713LC合金晶粒大小的影响。结果表明，较低的模子预热温度获得的晶粒细化效果超过了浇注温度的改变，由于较低的模温和浇温可产生高的冷却速度。然而，快速冷却带来的是不能完全充模或易于产生热裂．如何避免上述缺陷仍是需要研究解决的。
l 983年，B、A．Ewing等 采用了低的过热工艺(即Microcast—X j二艺)．在IN7l 3整铸轮中获得 r ASTM 3～5级晶度 这种方法是使一些难熔元素碳化物不熔与熔体中，这样一方面有助与形核，另 一方面减少金属一耐火材料之间的化学反应势能。
3．2添加形核孕育剂
形核孕育剂是一种很有效且简易、实用的晶粒细化方法。良好孕育剂的标准是：
1 有高的熔点，即是一种稳定的物质；
2熔体有类似的晶体结构；
3与熔体有类似的密度；
4有良好的分散度；
5具有清洁和粗糙的表面；
6对台金的性能无有害影响。
根据上述这些原则选择的孕育剂已成功地用与各种合金的晶粒细化，或有意添加到熔体中，或涂敷在精铸模壳内表面上。
用CoO+A1 O 涂敷在精铸模壳内表面上，使铸件表面层组织细化 这是由于C0()中Co不稳定，在高温F与氧化铝反应，在模壳内表面形成稳定的 CoAl起核心作用。目前这种方法已广泛地用于高温合金表面细化。
Denzine等 研究了添加0．10 ～0．12 B到 熔体中，通过一定的时间一温度循环操作，产生有效的形核基存。结果使T 63涡轮使用的IN713I CMar—M246和TC 103合金的低周疲劳性能得到了改善。
Demison等 研究了通过在金属条中预氧化质 点Cu Ni0熔八高温合金Nimonic 90基体中产生晶粒细化，获得了一定的效果。
另外，W．Reif等研究的将各种金属间化合物添加剂加入到IN738LC合金中获得了一定的晶粒细化效果。
3．3机械振动和搅动方法
机械振动和搅动方法对大截面铸件晶粒细化是一种有效的方法。它主要是在熔体凝固过程中，通过机械振动和搅动从而阻止枝晶进一步生长或使枝晶破碎而达到细化晶粒的目的。
离心式浇注是振动方法的一种特珠方式 将模壳置于离心机上，浇注后随即转动，转速时快时慢，凝固的枝晶受到干扰，阻止其生长而达到晶粒细化目的。
振动结晶足采用机械振动或电磁、超声波振动 使模壳内熔体凝固受到干扰，枝晶不能按其择优方向生长J．R．Brineger等是在这个基础上研 究出Howmet s Grainex工艺，在Mar—M247台金制造的透半涡轮上得到了实践，晶精度达到
ASTM 0 级 。
除此之外还可采用热流控制和气体扰动等方法，也可获得一定的效果 。
4 高温合金晶粒细化存在的问题
纵观以前的研究，虽然高温合金晶粒细化取得了一些初步的进展，但除 Microcast x和Grainex 工艺以及Airesearch Co．展的工艺效果较明 显外．细化添加剂方法至今尚未发现一种最佳的添加剂．这不能不说与高温合金本身有的特点有关。综合起来有以下的困难：
4．1合金成分的限制
众所周知，合金成分决定合金绀织．析合金组织对合金性能有重要的影响。根据技术条件规定．高温合金成分必须控制在一定的范闻内，否则会影响组 织，恶化性能和有色合金、铸铁和普碳钢等相比，高温台金成分是很复杂的一般含有l0种以上元素
有资料报道，一些元素和化合物对某合金晶粒细化具有较明的效果。例如，Ti，B，zr，Ce·WO，NiO，CoAl：等。但对高温合金来说，这些元 素只允许在很窄的范围内变化，否则组织将不稳定．出现有害的TCP相或低熔点相。同样，合金中添加氧化物质点或过量B，也会明显降低合金性能 所以高温合金中添加细化剂受到了很大制约， 目前研究仍在进行。
4．2细化添加荆稳定性的限制
如上所述，作为细化添加剂必须比较稳定，即其熔点要高。然而．一般高温合金的熔点相对有色合金是很高的，这就增加了其晶粒细化的难度。
高温合金的典型重熔冶炼工艺包括合金熔体 “过热 步骤，即合金熔炼时，必须加热到超过液相线 温度200C左右 ，其日的是使合金均 化，即将合 金所有相包括难熔元素的碳化物熔解，去除以前 工艺过程对合金组织的影响。在这样高的温度 ．许多添加剂将会分解或熔入熔体巾．不能有效地保留做为形核基衬．这就使一些熔点低的添加剂的应用受到限制。
4．3添加剂密度的限制
有些添加剂一般在浇注前加入熔体中，经一定时间均匀化后，浇入模中。
由于许多添加剂是以粉末或中间合金加入且密度比熔体低．在无搅动的情况下，添加只能浮在熔体[内部，浇人模中也不均匀，因此影响熔体在模中均匀细化。
4．4熔炼条件的限制
因为对高温合金成分要求严格，而且它还含有一些易氧化元素，如Al，Ti，Hf等，所以必须在真空条件熔练。在这种情况下，要获得扶得均匀细化的 品粒．就必须对添加的细化剂进行振动或搅动如果在非真空条件下这种操作很易实现，在真空下就会受到各种限制．实旌起来比较困难。
基于上述分析，不难理解采用添加剂的方法细化高温合金晶粒有很大难度。
5 结 论
(1)高温合金晶粒细化对合金组织和性能的改善是明显的，尤其对拉伸强度、低用疲劳序命改善更为突出，因而对提高工业燃气涡轮使用寿命、降低成 本有很大效果。
(2)日前比较成熟的高温合金细化工艺是Microcast X，Grainex和FGP工艺。 它们成功地用f IN7131 c整铸涡轮和Mar—M247透 t I r轮，晶 粒度分别达到ASTM 3～5，和l～2级。
(3)用CoO—Al。()；涂敷在精铸模壳内表面的工艺获得了良好的表面细化效果。
(4)添加细化剂虽是一种有效、简单实用的细化晶粒办法．但由于高温台金受各种因素的限制，晶粒细化实施比较困难 直至今日尚术发现一种最佳的细化添加剂。
(5)模子振动方法对大截面铸件的晶粒细化是一种有效的方法．但所需设备比较复杂。
参考文献
1高温合金晶粒 甄宝林 钢铁研究学报1996年第8卷第3期
2动力学法晶粒细化技术的进展及在高温合金中的应用 金文中等 铸造工艺 110724 3 铸造工艺参数与细化剂对K4169高温合金铸态组织的影响 熊玉华等 金属学报 第38卷第5期
4 K418高温合金用铝酸钴晶粒细化剂的研制及应用 秋华等 铸造技术 2004 No 4 5 镍基高温合金铸造叶片表面细化处理的研究 王狂飞 李邦盛 铸造技术 2005 No 6