CN109482847A - 磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种磁‑动复合精密复杂细晶铸件的成型装置及方法，针对普通重力铸造精密复杂铸件欠铸、晶粒粗大等问题，本发明通过机械振动促进熔体充型，提高铸件成型能力，在此基础上施加电磁场，在熔体中产生正反方向的电磁搅拌作用，利用凝固前沿强烈的熔体流动，打碎枝晶，形成新的游离晶核，实现晶核增值，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，从而达到精密复杂铸件整体成形和晶粒细化的协同控制。本发明涉及的方法和装置可用于航空发动机涡轮和叶轮、机车涡轮、汽车增压涡轮等精密复杂细晶铸件制备。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，特别涉及一种磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置及方法。
背景技术
叶轮、涡轮等精密复杂铸件是航空发动机或内燃机的核心零部件，其性能直接决定了发动机的节能减排效果、使用寿命和可靠性。这些部件在服役过程中承受高温和高速旋转带来的多种交变应力作用，极易产生疲劳损坏。因此这些部件采用高温合金材料，并对成形质量和性能提出极为严格的要求。
细晶精密铸造技术是改善精密铸件的中低温（＜760℃）性能的有效途径，在航空航天飞行器某些精铸结构件的应用表明，其不仅可以使铸件的低周疲劳性能提高一倍以上，还可有效改善合金组织和成分的均匀性，减少铸件力学性能数据的分散度，提高铸件使用的可靠性。因此，细晶整体成形对提高高温合金精密复杂铸件性能有重要意义。
精密复杂铸件由于形状复杂，不同部位壁厚相差悬殊，传统重力铸造工艺无法解决欠铸、缩松、热裂、变形、晶粒粗大等问题。为了解决传统重力铸造工艺带来的问题，发达国家先后运用机械和电磁等扰动技术，发展了多种先进工艺。如美国Howmet公司利用细晶铸造技术成功地制造了IN792MOD5A、Mar-M247、IN713C、IN718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研究从20世纪80年代末开始起步，采用表面晶粒细化剂或者变质剂细化晶粒，但是细化效果有限，并且难以达到铸件整体细化。本世纪初开展了热控法和动力学法的试验研究，取得了一些进展，但是还没有实现工业应用。
近年来，中国科学院金属研究所和江苏奇纳新材料科技有限公司先后研究了磁控细晶凝固技术，应用于高温合金细晶增压涡轮制备中，晶粒尺寸细化至3mm，但铸造工艺窗口窄，充型、晶粒细化和缺陷控制一体化控制困难，限制了该技术在此类精密复杂铸件细晶铸造的应用。
发明内容
发明目的：为了解决精密复杂铸件成型困难、晶粒粗大的问题，本发明提供了一种磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置及方法，采用机械振动促进熔体充型，提高铸件成型能力，在此基础上施加电磁场，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，从而达到精密复杂铸件整体成形和晶粒细化的协同控制。
技术方案：本发明提供了一种磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，包括电磁场发生电源、励磁线圈、机械振动电源、机械振动机构、真空室和模壳，所述模壳设置在所述真空室内中心位置，所述机械振动机构设置在所述模壳的底部，所述励磁线圈包裹在所述模壳四周，所述励磁线圈与所述电磁场发生电源电连接，所述机械振动机构与所述机械振动电源电连接。
进一步地，所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置还包括水冷机构，所述水冷机构设置在所述励磁线圈内壁与所述模壳之间。水冷机构设置在励磁线圈内壁与模壳之间，隔绝高温模壳对励磁线圈产生的影响。
进一步地，所述水冷机构为水冷环；该水冷环优选为双层中空封闭金属环。需要隔绝高温模壳与励磁线圈时，向水冷环内通入循环冷却水即可，双层中空封闭金属环的隔绝效果较好。
进一步地，所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置还包括感应加热坩埚，所述感应加热坩埚通过倾倒机构设置在所述真空室的内壁上并位于所述模壳的上方一侧。把感应加热坩埚设置在真空室内，能够使得整个铸件的成型过程均在真空环境下进行，有效保证铸件的品质。
优选地，所述倾倒机构由支撑台和液压缸组成，所述支撑台水平固定在所述真空室的内壁上，所述感应加热坩埚置于所述支撑台上，所述液压缸固定在所述真空室外壁上且位于所述支撑台斜上方，所述液压缸的伸缩杆与所述感应加热坩埚的外壁转动连接。需要将感应加热坩埚内的熔体倾倒到模壳内时，启动液压缸，液压缸的伸缩杆伸长将感应加热坩埚旋转倾斜，实现将感应加热坩埚内的熔体倾倒入模壳内。
进一步地，所述机械振动机构由支架、电机、偏心轮和弹簧组成，所述模壳的底端通过所述弹簧固定在所述支架上，所述电机与所述机械振动电源电连接，且所述电机固定在所述模壳的底部中间位置，所述偏心轮固定在所述电机的输出轴上。开启机械振动电源之后，电机带动偏心轮转动，偏心轮的转动则会导致弹簧上下伸缩，进而实现支架上模壳的上下振动；可以通过机械振动电源调节机械振动的振动频率、振幅和作用时间。
优选地，所述励磁线圈包裹在所述模壳***下部。因为主要目的是想要通过励磁线圈产生的磁场对模壳内下部的熔体进行磁力搅拌，所以励磁线圈优选包裹在模壳***下部。
本发明还提供了一种磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型方法，使用上述的成型装置进行成型，包括以下步骤：S1：将过热度为40～120℃的熔体浇注到所述模壳内；S2：同时开启所述电磁场发生电源和所述机械振动电源；所述电磁场发生电源控制所述励磁线圈产生交变电磁场，该交变电磁场的励磁电流为100～500A，励磁频率为0～50Hz，作用时间为0.5～10min，正反向转换时间为0～30s；所述机械振动机构控制所述模壳振动，振动频率为10～100Hz，振幅为0.5～3mm，作用时间为30～90s；S3：当所述模壳内的熔体完全凝固成铸锭后，关闭所述电磁场发生电源和所述机械振动电源，取出铸锭，该铸锭即为磁-动复合精密复杂细晶铸件。
进一步地，在所述S2中，在开启所述电磁场发生电源和所述机械振动电源的同时，还向位于所述励磁线圈内壁与所述模壳之间的水冷机构内通入冷却水。
有益效果：本发明中，当高温熔体浇注到置于电磁场和机械振动机构复合作用下的模壳内后，机械振动机构的振动能够促进熔体的充型，提高铸件的成型性；在此基础上施加电磁场，电磁场会在铸件固液界面处产生正反方向的电磁搅拌作用，电磁搅拌会形成强烈的熔体流动，利用凝固前沿强烈的熔体流动，打碎枝晶，形成新的游离晶核，实现晶核增值，达到细化晶粒、细化铸件凝固组织的目的，获得整体细化凝固组织，从而实现精密复杂铸件整体成形和晶粒细化的协同控制。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明充分利用机械振动提高铸件成型性，在此基础上利用电磁扰动细化精密复杂铸件的凝固组织，从而达到精密复杂铸件致密度和晶粒度的协同控制，解决精密复杂铸件成型困难、晶粒粗大的问题；
2、本发明与现有技术相比，存在细化效果显著、无污染、便于控制等特点，在工业上实施比较容易；
3、本发明对铸件的形状和尺寸无特殊要求，可制备不同形状和尺寸的铸件，拓宽了此技术的使用范围。
附图说明
图1为本发明中磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置示意图；
图2为本发明工艺（a）和普通铸造工艺（b）制备出的高温合金精密复杂铸件凝固组织对比图；
图3为本发明工艺成型完整的航空发动机用精密复杂铸件图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体介绍。
本实施方式提供了一种磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，如图1所示，主要由电磁场发生电源1、励磁线圈2、机械振动电源3、机械振动机构4、真空室5、模壳6和感应加热坩埚8组成，模壳6位于真空室5内且与真空室5同轴设置，感应加热坩埚8通过倾倒机构9设置在真空室5侧壁上、模壳6上部一侧，倾倒机构9主要由支撑台901和液压缸902组成，支撑台901水平固定在真空室5的内壁上、模壳6上方，感应加热坩埚8置于支撑台901上，在支撑台901外沿还具有限位块903，感应加热坩埚8位于限位块903与真空室5内壁之间，液压缸902固定在真空室5外壁上且位于支撑台901斜上方，液压缸902的伸缩杆与感应加热坩埚8的外壁转动连接。机械振动机构4设置在模壳6底部，该机械振动机构4由支架401、电机402、偏心轮403和弹簧404组成，电机402与机械振动电源3电连接，电机402固定在模壳6的底部中间位置，且电机402的输出轴位于模壳6的中轴线上，偏心轮403固定在电机402的输出轴上，模壳6的底端两侧通过弹簧404固定在支架401上；励磁线圈2缠绕在模壳6的外壁下部四周，且励磁线圈2与电磁发生电源1电连接。
电磁场发生电源1可以调节励磁线圈2产生的交流电磁场的强度、频率、磁场旋转方向和作用时间，机械振动电源3可以调节模壳6随机械振动机构4的振动频率、振幅和作用时间。在实际应用中，还可以在本装置中设置监测与控制***（图中未示出），用于控制电磁场发生电源1、机械振动电源3以及液压缸902。
为了避免高温模壳6对励磁线圈2产生的电磁场的影响，在本实施方式中，还在励磁线圈2的内壁与模壳6之间设置水冷机构，该水冷机构为水冷环7，该水冷环优选使用双层中空封闭金属环。
在使用上述磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置进行成型的方法包括以下步骤：
（1）将K4169镍基高温合金置于感应加热坩埚8内熔化至1500℃并精炼5min，然后降温至1440℃（过热度80℃），启动液压缸902将感应加热坩埚8倾斜，将感应加热坩埚8内的K4169镍基高温合金熔体10浇注到模壳6内。
（2）同时开启电磁场发生电源1和机械振动电源3，并向水冷环7内通入冷却水；电磁场发生电源1使励磁线圈2产生交流电磁场，使熔体10在交流电磁场下作用下凝固，控制电磁场发生电源1以控制交流电磁场的励磁电流为200A，励磁频率为20Hz，作用时间为6min，正反向转换时间12s；控制机械振动电源3，以控制电机402带动偏心轮403转动，偏心轮403的转动则通过弹簧404带动支架401上的模壳6的上下振动，振动频率控制在20Hz，振幅为1mm，作用时间为30s；
（3）当模壳6内的熔体10完全凝固成铸锭后，关闭电磁场发生电源1和机械振动电源3，取出铸锭，该铸锭即为磁-动复合K4169镍基高温合金精密复杂细晶铸件11。
如图2为本实施方式制备出的磁-动复合K4169镍基高温合金精密复杂细晶铸件11与普通铸造K4169高温合金精密复杂铸件凝固后的合金显微组织的对比。铸件外径为150mm，薄壁1mm，厚大部位80mm。可见，采用本实施方式中的装置和工艺，铸件厚大部位晶粒细化效果明显，晶粒尺寸小于1mm。
实施方式2：
本实施方式中的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置与实施方式1完全相同，此处不做赘述，主要区别在于磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型方法，本实施方式中的成型方法如下：
（1）将K4169镍基高温合金置于感应加热坩埚8内熔化至1500℃并精炼5min，然后降温至1460℃（过热度100℃），启动液压缸902将感应加热坩埚8倾斜，将感应加热坩埚8内的K4169镍基高温合金熔体10浇注到模壳6内。
（2）同时开启电磁场发生电源1和机械振动电源3，并向水冷环7内通入冷却水；电磁场发生电源1使励磁线圈3产生交流磁场，使熔体10在交流电磁场下作用下凝固，控制电磁场发生电源1以控制交流电磁场的励磁电流为250A，励磁频率为20Hz，作用时间为8min，正反向转换时间15s；控制机械振动电源3，以控制电机402带动偏心轮403转动，偏心轮403的转动则通过弹簧404带动支架401上的模壳6的上下振动，振动频率控制在25Hz，振幅为2mm，作用时间为50s；
（3）当模壳6内的熔体10完全凝固成铸锭后，关闭电磁场发生电源1和机械振动电源3，取出铸锭，该铸锭即为磁-动复合K4169镍基高温合金精密复杂细晶铸件11。
图3所示为采用本发明技术制备的成型完整的航空发动机用精密复杂铸件。
上述各实施方式结果表明，本发明通过机械振动促进熔体充型，提高铸件成型能力，在此基础上施加电磁场，在熔体中产生正反方向的电磁搅拌作用，利用凝固前沿强烈的熔体流动，打碎枝晶，形成新的游离晶核，实现晶核增值，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，从而达到精密复杂铸件整体成形和晶粒细化的协同控制。本发明涉及的方法和装置可用于航空发动机涡轮和叶轮、机车涡轮、汽车增压涡轮等精密复杂细晶铸件的一体化制备。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，其特征在于，包括电磁场发生电源（1）、励磁线圈（2）、机械振动电源（3）、机械振动机构（4）、真空室（5）和模壳（6），所述模壳（6）设置在所述真空室（5）内中心位置，所述机械振动机构（4）设置在所述模壳（6）的底部，所述励磁线圈（2）包裹在所述模壳（6）四周，所述励磁线圈（2）与所述电磁场发生电源（1）电连接，所述机械振动机构（4）与所述机械振动电源（3）电连接。
2.根据权利要求1所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，其特征在于：还包括水冷机构，所述水冷机构设置在所述励磁线圈（2）内壁与所述模壳（6）之间。
3.根据权利要求2所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，其特征在于：所述水冷机构为水冷环（7）。
4.根据权利要求3所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，其特征在于：所述水冷环（7）为双层中空封闭金属环。
5.根据权利要求1所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，其特征在于：还包括感应加热坩埚（8），所述感应加热坩埚（8）通过倾倒机构（9）设置在所述真空室（5）的内壁上并位于所述模壳（6）的上方一侧。
6.根据权利要求5所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，所述倾倒机构由支撑台（901）和液压缸（902）组成，所述支撑台（901）水平固定在所述真空室（5）的内壁上，所述感应加热坩埚（8）置于所述支撑台（901）上，所述液压缸（902）固定在所述真空室（5）外壁上且位于所述支撑台（901）斜上方，所述液压缸（902）的伸缩杆与所述感应加热坩埚（8）的外壁转动连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，其特征在于：所述机械振动机构（4）由支架（401）、电机（402）、偏心轮（403）和弹簧（404）组成，所述模壳（6）的底端通过所述弹簧（404）固定在所述支架（401）上，所述电机（402）与所述机械振动电源（3）电连接，且所述电机（402）固定在所述模壳（6）的底部中间位置，所述偏心轮（403）固定在所述电机（402）的输出轴上。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型装置，其特征在于：所述励磁线圈（2）包裹在所述模壳（6）***下部。
9.一种磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型方法，使用如权利要求1至8中任一项所述的成型装置进行成型，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将过热度为40～120℃的熔体（10）浇注到所述模壳（6）内；
S2：同时开启所述电磁场发生电源（1）和所述机械振动电源（3）；
所述电磁场发生电源（1）控制所述励磁线圈（2）产生交变电磁场，该交变电磁场的励磁电流为100～500A，励磁频率为0～50Hz，作用时间为0.5～10min，正反向转换时间为0～30s；
所述机械振动机构（4）控制所述模壳（6）振动，振动频率为10～100Hz，振幅为0.5～3mm，作用时间为30～90s；
S3：当所述模壳（6）内的熔体（10）完全凝固成铸锭后，关闭所述电磁场发生电源（1）和所述机械振动电源（3），取出铸锭，该铸锭即为磁-动复合精密复杂细晶铸件（11）。
10.根据权利要求9所述的磁-动复合精密复杂细晶铸件的成型方法，其特征在于，在所述S2中，在开启所述电磁场发生电源（1）和所述机械振动电源（3）的同时，还向位于所述励磁线圈（2）内壁与所述模壳（6）之间的水冷机构内通入冷却水。
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