立式電磁連鑄Incoloy 800高溫合金凝固行為的研究.pdf

1、鎳基耐蝕高溫合金目前大多采用雙聯(lián)或三聯(lián)的熔煉工藝，即先將原材料在非真空感應(yīng)爐內(nèi)熔煉并鑄造成母合金錠，再將母合金錠重熔并澆注成鑄件。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝存在著能耗高、成材率低等缺點(diǎn)，所制備出的合金錠還存在著晶粒粗大、縮孔和元素偏析嚴(yán)重等缺陷。與傳統(tǒng)的模鑄工藝相比，連鑄工藝具有能耗低、成材率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，將連鑄工藝引入到高溫合金的制備領(lǐng)域中來(lái)具有十分重要的意義。本論文是在國(guó)家重點(diǎn)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50834009)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)

2、專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(No.N090609001)的共同資助下，針對(duì)高溫合金母合金錠質(zhì)量上存在的問(wèn)題和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，結(jié)合電磁攪拌技術(shù)與連鑄工藝的優(yōu)勢(shì)，首先系統(tǒng)考察了電磁攪拌對(duì)高溫合金Incoloy800合金錠質(zhì)量的影響，并分析了其作用機(jī)理，然后在實(shí)驗(yàn)室立式連鑄平臺(tái)上進(jìn)行了高溫合金Incoloy800矩形坯電磁連鑄，制備出了內(nèi)外質(zhì)量?jī)?yōu)良的Incoloy800矩形坯，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高溫合金連鑄領(lǐng)域的空白。
　　電磁攪拌作用下合金液內(nèi)電磁力

3、特性分析的研究結(jié)果表明，當(dāng)線性電磁攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，距離攪拌器的距離越近，電磁力越大;合金液中某點(diǎn)處電磁力的大小隨電流強(qiáng)度的增加而增大，隨著電源頻率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);旋轉(zhuǎn)電磁攪拌作用下，合金液除受沿周向上的電磁力作用以外，還受到沿徑向的電磁力的作用，但熔池內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要受沿周向上的電磁力的影響;當(dāng)電磁攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨合金液深度的增加而迅速衰減，衰減幅度可由穿透深度來(lái)衡量。穿透深度越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減越

4、慢，其作用范圍越大，穿透深度越小，磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減越快，其作用范圍越小。穿透深度除了受電源頻率的影響外，還與極距有關(guān)。
　　電磁攪拌對(duì)Incoloy800母合金錠質(zhì)量的影響表明，與未施加電磁攪拌相比，在高溫合金Incoloy800的凝固過(guò)程中施加線性電磁攪拌時(shí)，合金錠的等軸晶平均晶粒尺寸從3.5mm細(xì)化為2.3mm，等軸晶比例從5％提高為43％;施加旋轉(zhuǎn)電磁攪拌后，合金錠的等軸晶平均晶粒尺寸從3.5mm細(xì)化為1.9mm，等軸晶比例從

5、5％提高為48％;施加線性電磁攪拌后，合金錠中心縮孔帶長(zhǎng)度從未施加電磁攪時(shí)的70mm減小為48mm，合金錠中心縮孔比率從未施加電磁攪拌時(shí)的37％降低為25％;施加旋轉(zhuǎn)電磁攪拌后，合金錠中心縮孔帶長(zhǎng)度從從未施加電磁攪時(shí)的70mm減小為43mm，合金錠中心縮孔比率從未施加電磁攪時(shí)的37％降低為23％;施加不同方式的電磁攪拌后，溶質(zhì)元素的分布更加均勻。與未施加電磁攪拌相比，元素的宏觀偏析和微觀偏析均得到明顯改善;線性電磁攪拌和旋轉(zhuǎn)電磁攪拌分別

6、迫使熔體作縱向的大環(huán)流和周向圓周運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致線性電磁攪拌作用下Incoloy800合金錠縱截面內(nèi)的柱狀晶發(fā)生上下方向上的傾斜，旋轉(zhuǎn)電磁攪拌作用下Incoloy800合金錠橫截面內(nèi)的柱狀晶發(fā)生水平圓周方向上的傾斜;未施加電磁攪拌時(shí)，鑄錠微觀組織由激冷層細(xì)小等軸晶、內(nèi)表面單向樹枝晶、中心附近單向樹枝晶、中心交叉樹枝晶組成;施加線性電磁攪拌和旋轉(zhuǎn)電磁攪拌時(shí)，微觀組織均由激冷層細(xì)小等軸晶、內(nèi)表面單向樹枝晶、交叉樹枝晶、中心細(xì)小的等軸晶、中心帶有晶

7、軸的樹枝晶組成;枝晶發(fā)生斷裂游離過(guò)程是熔斷機(jī)制和機(jī)械折斷機(jī)制共同作用的結(jié)果，并根據(jù)枝晶形貌和枝晶干成分變化證實(shí)了枝晶的斷裂游離過(guò)程。枝晶的斷裂游離過(guò)程和成分過(guò)冷共同引起的中心等軸晶數(shù)量的增加是晶粒組織細(xì)化的根本原因。
　　電磁攪拌參數(shù)對(duì)高溫合金Incoloy800合金錠質(zhì)量的影響表明，合金錠斷面等軸晶平均晶粒尺寸隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，等軸晶比例呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.73kG時(shí)合金錠的質(zhì)量最

8、佳;磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，鑄錠內(nèi)部的Ti(CN)數(shù)量減少;反之，磁場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，鑄錠內(nèi)部的Ti(CN)數(shù)量較多，這說(shuō)明電磁攪拌具有促進(jìn)Ti(CN)上浮去除的作用;基于立式電磁連鑄實(shí)驗(yàn)機(jī)，成功制備出Incoloy800鎳基耐腐蝕高溫合金矩形連鑄坯，鑄坯表面無(wú)縱裂紋和偏角凹陷等缺陷。施加線性電磁攪拌，可有效抑制Incoloy800連鑄坯的穿晶現(xiàn)象;在本實(shí)驗(yàn)連鑄機(jī)條件下，提高拉坯速度，使得鋼液受電磁攪拌作用的起始時(shí)間提前，鑄坯內(nèi)部等軸晶比率增加，等