铸造高温合金反应研究.doc

铸造高温合金反应研究    高温合金是制造先进燃气涡轮发动机的关键材料,被称作燃气涡轮的心脏。获得纯净、无缺陷的高温合金铸件是燃气涡轮工业的首要目标[1,2]。近年来,铸造高温合金广泛应用,其部件往往通过熔模精密铸造成形,采用陶瓷壳型形成铸件外形。随着发动机服役条件的日益苛刻,复杂、薄壁、空心高温合金铸件的需求不断增加,很多空心高温合金铸件都依靠陶瓷型芯成形[3],随后通过化学腐蚀法或辅以喷高压水的方法即可将型芯脱除,从而获得铸件所需的内腔形状。目前应用的主流陶瓷型芯材料包括氧化硅基[4]和氧化铝基[5]型芯等。陶瓷型芯在合金浇注过程中要承受外围高温熔体的冲击,要求型芯具有一定的高温抗热冲击和抗弯扭能力[6,7]。在合金凝固过程中陶瓷型芯和壳型始终在高温金属熔体中浸泡,因此要求陶瓷材料具有一定的化学热稳定性,特别是陶瓷表面和金属熔体的界面稳定性。以往研究表明,在活性较强的钛合金和镁合金铸件的生产过程中,往往需要考虑金属与陶瓷界面反应的问题[8-9]。近年来,随着高温合金成分的日益复杂,一些合金在一定的工艺条件下也开始出现合金熔体与陶瓷界面反应的问题,高温合金熔体与陶瓷界面的反应逐步引起冶金工作者的关注。高温合金与陶瓷界面反应的研究较早集中在陶瓷壳型上,国内较早的报导可以追溯到二十世纪80年代,报道了含Hf高温合金与Al2O3陶瓷的界面反应[10]。近年来,随着铸造镍基高温合金的应用日益广泛,不同成分的高温合金与陶瓷壳型界面反应的研究陆续报道[11~15]。研究表明,高温合金与型壳界面反应多出现在含Hf合金上,主要是由于高温合金熔体中Hf的趋肤效应引起Al2O3陶瓷型壳发生反应[10,13]。陶瓷型芯同样在高温下与金属熔体接触,但由于凝固过程中其被金属熔体包裹而不利散热,使得型芯所处环境较陶瓷型壳更为恶劣。然而,当前针对陶瓷型芯和高温合金界面反应的研究少见报道。近年来,高Cr铸造镍基高温合金应用日渐广泛,一种含Cr量高达32%~35%(质量分数)的铸造镍基高温合金K4648开始应用于制造先进涡扇发动机的扩压器、喷口和燃烧室等部件,该合金是目前在役的Cr含量最高的铸造镍基高温合金。最近的报道中,有关K4648合金的研究涉及凝固行为[16]、显微组织[17]、母合金净度[18]、析出相及其对力学性能的影响[19]等。近年,在K4648的应用过程中发现高Cr合金熔体容易与陶瓷型芯界面反应,造成铸件内腔严重破坏。有研究显示Cr是硅质型芯损坏的重要因素之一,提出在型芯中添加Cr2O3或许会减轻这类损坏[20]。但有关高Cr高温合金与陶瓷界面反应的系统研究目前少见报道,因此有必要对其反应温度、反应时间等关键参数进行系统研究。以往报道的高温合金/陶瓷界面反应研究有DTA法[21],或采用在真空下将高温合金材料熔化于陶瓷基板上观察润湿角的方法[22]。本研究采用定向凝固实际铸件的方法研究等轴晶高温合金熔体与陶瓷型芯界面反应,通过在定向凝固铸件不同高度上取样可获得同一温度下不同反应时间的结果,并绘制了反应动力学曲线,同时分析熔体与陶瓷界面形貌及反应产物,为避免发生合金/陶瓷界面反应提供一定的理论依据。1试验材料与方法试验合金材料是采用真空感应熔炼的K4648母合金,其分析成分如表1所示。试验用铸件分为两种形式:一种是带空腔的等轴晶涡流器铸件,分别采用了硅基和铝基陶瓷型芯