高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中液態(tài)金屬補(bǔ)縮能力的研究

高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中液態(tài)金屬補(bǔ)縮能力的研究

鑄造高溫材料通常含有多種化學(xué)元素，達(dá)到某種類型。因成分中活性元素較多,對(duì)雜質(zhì)含量要求嚴(yán)格,鑄造高溫合金多采用雙真空熔鑄工藝,即將原材料先在真空感應(yīng)爐內(nèi)熔煉并鑄成預(yù)制母合金錠,再在真空感應(yīng)爐內(nèi)重熔并澆注成鑄件。目前采用真空熔鑄(VC)工藝預(yù)制的母合金錠存在著枝晶組織粗大、元素偏析嚴(yán)重和縮孔縮松較多等問(wèn)題,從而影響了最終鑄件的合格率。電磁攪拌技術(shù)(EMS)作為增加等軸晶率、減輕元素偏析、減少中心縮松和縮孔的重要手段,對(duì)改善凝固組織具有顯著作用。電磁攪拌在鋁合金、銅合金和鋼的連鑄中已得到大量的研究和應(yīng)用。本文建立了表示高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中液態(tài)金屬補(bǔ)縮能力的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)研究在真空熔鑄過(guò)程中施加電磁攪拌對(duì)高溫合金母合金錠中心縮松縮孔的影響,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,本文提出了高溫合金真空電磁鑄造技術(shù)(V-EMC),旨在為解決采用傳統(tǒng)真空熔鑄工藝預(yù)制的高溫合金母合金錠存在的質(zhì)量問(wèn)題提供新的技術(shù)途徑。1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁力電磁攪拌器本體的線圈在通入三相交流電后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)液態(tài)金屬置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)內(nèi),液態(tài)金屬將產(chǎn)生感生電流,液態(tài)金屬作為載流導(dǎo)體,在外加磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁力。電磁力確切地說(shuō)是其周向分力驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電磁力的周向分力可由下式計(jì)算:F?=μ4α2ΡΗ20r(Ρ-1)R(Ρ-2)sin2(Ρ?2-ωst)(1)F?=μ4α2PH20r(P?1)R(P?2)sin2(P?2?ωst)(1)式中:P為攪拌器極數(shù);H0為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的周向磁感應(yīng)強(qiáng)度;R為攪拌器半徑;r為液態(tài)金屬的半徑;ωs為渦流的角頻率;α為渦流常數(shù);t為磁場(chǎng)周期;Φ為相位角;μ為導(dǎo)磁率。2補(bǔ)縮通道參數(shù)的計(jì)算從式(1)可知,電磁力的計(jì)算比較困難。由于電磁力驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使液體金屬的質(zhì)點(diǎn)都相應(yīng)地產(chǎn)生了慣性離心力,因此本文以慣性離心力來(lái)等效電磁力的作用,以此建立表述高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中液態(tài)金屬補(bǔ)縮能力的數(shù)學(xué)模型。離心力可以表示為:Fl=mω2r(2)式中:m為液體金屬質(zhì)量;r為液態(tài)金屬的半徑;ω為液體金屬的旋轉(zhuǎn)角速度。在固相骨架形成初期,其晶間通道可以相互貫通,連成一片,且認(rèn)為凝固過(guò)程中無(wú)偏析現(xiàn)象,即液態(tài)金屬的表面張力σ、密度ρ、結(jié)晶溫度間隔ΔT均不變。此時(shí),可將補(bǔ)縮過(guò)程簡(jiǎn)化為縫式層流運(yùn)動(dòng),如圖1所示。液態(tài)金屬形成的縮松、縮孔,其內(nèi)部必定是真空的,否則也不稱其為縮孔,而應(yīng)改稱為氣孔。在高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中,對(duì)縮孔進(jìn)行補(bǔ)縮的動(dòng)力有:液態(tài)金屬在凝固時(shí)的表面張力;液態(tài)金屬的壓力P(包括液態(tài)金屬靜壓力γh和外界附加壓力P′);電磁力。因而推動(dòng)液態(tài)金屬進(jìn)行補(bǔ)縮的力F1為:F1=Bδ(P′+γh)+2Bσ+BδLρgω2r(3)式中:B和δ分別為補(bǔ)縮通道的寬度和厚度;g為重力加速度;h為冒口上沿到液固界面的高度;γ為液態(tài)金屬的重度;P′為真空度。由于液態(tài)金屬與凝固相潤(rùn)濕性好,因而接觸角θ=0°,故cosθ=1,所以補(bǔ)縮力才以式(3)的形式存在。在高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中,阻礙液態(tài)金屬補(bǔ)縮的力為縫隙間層流運(yùn)動(dòng)時(shí)的粘性阻力F2:F2=12μLuBδ(4)F2=12μLuBδ(4)式中:u為液態(tài)金屬的補(bǔ)縮速度;μ為液態(tài)金屬動(dòng)力粘度。由于所流經(jīng)的補(bǔ)縮途徑并非平板間的平行通道,而是彎曲的晶粒間隙,因而阻力要比按平板間平行縫隙進(jìn)行計(jì)算時(shí)大很多倍。令該倍數(shù)為ξ,則式(5)可寫成:F2=12μLuBδ?ξ(5)F2=12μLuBδ?ξ(5)ξ與形成固相骨架的液固共存區(qū)厚度有關(guān);與晶粒大小和數(shù)量有關(guān);與晶粒在空間的排列狀態(tài)取向有關(guān)。一般可近似表示為:ξ=ΔΤG?ηD?ψ(6)ξ=ΔTG?ηD?ψ(6)式中:D為晶粒的平均直徑;ΔT為合金結(jié)晶溫度范圍,ΔT>0;G為合金在液固共存區(qū)的溫度梯度,G>0;η為補(bǔ)縮通道的實(shí)際長(zhǎng)度與液固共存區(qū)的厚度之比,一般η>1;ψ為系數(shù);ΔT/G為液固共存區(qū)的厚度;(ΔT/G)(η/D)為彎曲補(bǔ)縮通道上分布的晶粒個(gè)數(shù),亦即補(bǔ)縮通道彎曲的次數(shù)。固相骨架內(nèi)實(shí)際補(bǔ)縮通道的總長(zhǎng)度L可由式(7)表示:L=ΔΤG?η(7)由于在補(bǔ)縮通道的曲折路徑里,越伸向己凝固的固體層,其液相體積分?jǐn)?shù)越少,溫度也越低,路徑也越窄小。加之液態(tài)金屬的粘度迅速增加,因而每出現(xiàn)一次曲折,其阻力增加的值中足以同假設(shè)間隙δ不變時(shí)的整個(gè)沿程阻力相當(dāng),故系數(shù)ψ是一個(gè)接近于1的數(shù)。由式(3)、(5)及牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律可得:dudt+12μξρδ2=2σδ+Ρ′+γhLρ+ω2r(8)式(8)的解析解難以求出,須進(jìn)行近似處理,即認(rèn)為液態(tài)金屬是勻速進(jìn)行補(bǔ)縮,亦即dudt=0,則式(8)可寫成:u=δ212μξ{1L[2σδ+Ρ′+γh]+ρω2r}(9)式中:由于L≥0,因而要求G≥0。將式(6)和(7)帶入式(9)得:u=δ2DG12μΔΤψη{GΔΤη[2σδ+Ρ′+γh]+ρω2r}(10)將速度u的單位取為液態(tài)金屬單位時(shí)間所流經(jīng)的晶粒個(gè)數(shù),則式(10)可寫為:uD=δ2G12μΔΤψη{GΔΤη[2σδ+Ρ′+γh]+ρω2r}(11)隨著溫度的降低,原來(lái)連成片狀的補(bǔ)縮通道將縮小成類似孔隙通道,這時(shí)可用毛細(xì)管的模型來(lái)計(jì)算它的補(bǔ)縮情況。則式(11)可寫成:uD=d2G32μΔΤψη{GΔΤη[4σd+Ρ′+γh]+ρω2r}(12)式中:d為毛細(xì)管內(nèi)徑。式(12)即是表示高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中液態(tài)金屬補(bǔ)縮能力的數(shù)學(xué)模型。比較式(11)與(12)可知,其機(jī)理完全一致,只是毛細(xì)管模型的補(bǔ)縮速度比平板模型的補(bǔ)縮速度要更小一些。3不同鑄造工藝方法下液體補(bǔ)縮能力的比較對(duì)式(12)中的各參數(shù)進(jìn)行分析,可以探討影響補(bǔ)縮的因素。對(duì)于具體的鑄件,其合金的表面張力σ、密度ρ、重度γ、粘度μ、結(jié)晶溫度范圍ΔT等都是定值,補(bǔ)縮速度主要與合金液固共存區(qū)的溫度梯度的平方G2、電磁力作用下液體金屬旋轉(zhuǎn)角速度的平方ω2成正比,與真空度P′、補(bǔ)縮通道厚度δ、補(bǔ)縮通道實(shí)際長(zhǎng)度與液固共存區(qū)厚度之比的平方η2成反比,其中,δ、η是與工藝設(shè)計(jì)有關(guān)的量,G、ω和P′,是與工藝方法有關(guān)的量。補(bǔ)縮數(shù)學(xué)模型另一重要的應(yīng)用是進(jìn)行不同鑄造工藝方法凝固過(guò)程中液態(tài)金屬的補(bǔ)縮能力的比較。令ω=0,將其帶入式(12)中可以得到表示高溫合金真空熔鑄凝固過(guò)程液態(tài)金屬補(bǔ)縮能力的數(shù)學(xué)模型:uD=d2G32μΔΤψη{GΔΤη[4σd+Ρ′+γh]}(13)設(shè)n為高溫合金真空電磁鑄造和真空熔鑄兩種鑄造方法凝固過(guò)程中液態(tài)金屬的補(bǔ)縮能力之比,則n為:n=GΔΤη(4σd+Ρ′+γh)+ρω2rGΔΤη(4σd+Ρ′+γh)(14)雖然式(12)、(13)中估算的參數(shù)較多,但在利用式(14)進(jìn)行不同鑄造工藝方法液態(tài)金屬的補(bǔ)縮能力比較時(shí),可以略去一些難估算的參數(shù),此時(shí)的結(jié)果還是比較可靠的。施加60A、50Hz的旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌時(shí),高溫合金K417真空熔鑄的工藝參數(shù)見表1,將其代入式(14)可得n=78。由此計(jì)算結(jié)果可知:由于施加在凝固過(guò)程中的電磁攪拌增加了液態(tài)金屬的補(bǔ)縮動(dòng)力,因而高溫合金真空電磁鑄造凝固過(guò)程中,液態(tài)金屬的補(bǔ)縮能力要比真空熔鑄凝固過(guò)程中液態(tài)金屬的補(bǔ)縮能力高出很多。液態(tài)金屬補(bǔ)縮能力的提高可以使液態(tài)金屬順利通過(guò)固液兩相區(qū),對(duì)因凝固收縮而形成的縮孔縮松進(jìn)行補(bǔ)縮,因此,和通過(guò)傳統(tǒng)真空熔鑄方法得到的母合金錠的中心縮孔縮松分布情況相比,通過(guò)真空電磁鑄造得到的母合金錠的中心縮孔縮松的分布情況將會(huì)有很大的改善。4試驗(yàn)證實(shí)4.1試驗(yàn)裝置及參數(shù)試驗(yàn)材料選用高溫合金K417。其化學(xué)成分范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:C:0.13～0.22,Cr:8.5～9.5,Co:14～16,Mo:2.5～3.5,Al:4.8～5.7,Ti:4.5～5.0,V:0.6～0.9,Fe≤1.0,Ni:余量。圖2為試驗(yàn)裝置示意圖,該裝置主要由VIM-10型真空中頻感應(yīng)爐、旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌器和奧氏體不銹鋼錠模組成。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度由輸入的勵(lì)磁電流大小控制。錠模的尺寸為:上端內(nèi)徑Φ88mm、下端內(nèi)徑Φ76mm、外徑Φ100mm、高250mm。電磁場(chǎng)在金屬鑄型及鑄坯中的透入深度δ可用下式表示:δ=√12μσω0(15)式中:μ為磁導(dǎo)率,σ為電導(dǎo)率,ω0=2πf,f為頻率。經(jīng)計(jì)算工頻電磁場(chǎng)在非磁性的奧氏體不銹鋼鑄型和鎳基高溫合金鑄坯中的透入深度大于60mm,因此本實(shí)驗(yàn)可以使用工頻電磁場(chǎng)。4.2電磁攪拌和真空度將7Kg爐料熔化、在1550℃精煉10min、然后冷卻到1450℃后澆注到錠模中,自澆注10s后施加50Hz、60A的電磁攪拌。同樣熔鑄條件下制得不加電磁攪拌時(shí)的高溫合金母合金錠。熔煉過(guò)程中的真空度保持在6×10-2Pa。將鑄錠沿縱截面切開,用15gCuSO4+3.5mLH2SO4+50mLHCl混合溶液腐蝕得到其宏觀組織,以考察電磁攪拌對(duì)鑄錠凝固組織的影響。4.3真空電磁鑄造法圖3為通過(guò)傳統(tǒng)真空熔鑄方法及真空電磁鑄造方法,得到的高溫合金母合金錠心部熔體的凝固收縮情況。通過(guò)傳統(tǒng)真空熔鑄方法得到的母合金錠(圖3a)的中心縮孔縮松帶長(zhǎng)87mm,中心縮孔縮松比率為54%。用真空電磁鑄造方法得到的母合金錠(圖3b)的中心縮孔縮松帶長(zhǎng)54mm,中心縮孔縮松比率為33%。因此可見,和用傳統(tǒng)真空熔鑄方法得到的母合金錠的中心縮孔縮松分布情況相比,用真空電磁鑄造得到的母合金錠的中心縮孔縮松的分布情況有了很大的改善。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果基本吻合,從而證明了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。為了提高高溫合金精鑄件的純潔度及機(jī)械性能,高溫合金母合金錠在重熔前一般要將其中心縮孔和縮松去除掉,因此通過(guò)施加電磁攪拌將母合金錠中心縮松和縮孔比率從54%降低到33%,可以大幅提高高溫合金母合金錠的利用率。此外,本文提出的高溫合金真空電磁鑄造技術(shù)中使用的是不需要變頻設(shè)備的工頻電磁場(chǎng),因而只需在真空中頻感應(yīng)爐的澆注工位增加一臺(tái)小功率的攪拌器即可,對(duì)設(shè)備的改動(dòng)不大,不會(huì)大幅增加設(shè)備成本和操作工藝的復(fù)雜程度。因此,高溫合金母合金錠的真空電磁鑄造技術(shù)具有較高的推廣價(jià)值。5試驗(yàn)結(jié)果的分析(1)高溫合金真空電磁鑄造補(bǔ)縮數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為:uD=d2G32μΔΤψη{GΔΤη[4σd+Ρ′+γh]+ρω2r}(2)當(dāng)電磁攪拌的頻率為50Hz、電流為60A時(shí),用真空電磁鑄造得到的高溫合金K417母合金錠的中心縮孔縮松比率為33%;用真空鑄造得到的高溫合金K417母合金錠的中心縮