高温合金母合金K418不同工艺的性能:金母木公
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目前中国工业中生产高温合金母合金的工艺为真空冶炼＋金属模铸造成型，该制备工艺能获得成分精确的高温合金母合金，可在夹杂物控制方面尚存在缺乏，由于该工艺采用顶铸方式成型，浮于钢液表面的夹杂物简单随钢流进入到母合金中，此外，浇注过程中还简单遭到浇流槽和保温冒的二次污染金母木公。全新料母合金的夹杂物水平大体为7~10mg/(10kg)。
真空水平连铸（ＶＨＣＣ）技能是出产高纯净、超洁净、致密均匀高温合金母合金的最佳技能途径金母木公，被国外冶金界称为创始高温合金出产新纪元的技能，
遭到世界范围内的广泛关注金母木公。国外从２０００年开始进行真空水平连铸技能的开发，于２００５年在英国的Ｒｏｓｓ＆Ｃａｔｈｅｒａｌｌ公司建成了一条８ｔ的真空水平连铸出产线。在国外对此技能进行严密封锁的情况下，钢铁研讨总院立足于自主研制，完成了真空水平连铸成套设备及技术的研制，目前已开发出直径３０～５０ｍｍ规格Ｋ４１８合金真空连铸工艺。
Ｋ４１８合金是用量最大的铸造高温合金，已广泛应用于制造航空、地面和海上燃气轮机涡轮作业叶片、导向叶片和整铸涡轮，航天弹用发动机的整铸涡轮转子和导向器，以及柴油机和汽油机增压涡轮金母木公。该合金的Ａｌ、Ｔｉ质量分数总和高达７％左右，属生动元素含量较高的高温合金，在铸造高温合金中极具典型性，本文选择Ｋ４１８合金为研讨对象，从夹杂物含量、微观安排及其对力学性能的影响３个方面系统分析了真空水平连铸技能出产高温合金母合金的技能优势。
１实验材料及办法
Ｋ４１８铸造高温合金的化学成分如表１所示金母木公。采用ＶＨＣＣ－８００真空水平连铸设备出产Ｋ４１８合金棒，单炉装入７００ｋｇ原材料，合金冶炼的精粹后期的真空度小于１Ｐａ，铸坯直径为３２ｍｍ，连铸速度为０．５～３ｍ／ｍｉｎ。选用大样电解的办法进行棒坯的夹杂物定量分析，并在连铸坯纵向１／２半径处本体取样测验力学性能、调查微观安排。显示微观安排的电解腐蚀剂为（体积分数）Ｈ３ＰＯ４∶Ｈ２ＳＯ４∶ＨＮＯ３＝３∶１２∶１０，腐蚀电压为５Ｖ，腐蚀时刻约为７ｓ，利用ＪＳＭ－６４８０ＬＶ扫描电镜进行微观安排分析。
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２ 实验成果及剖析
２．１真空连铸母合金的洁净度真空连铸和传统模铸Ｋ４１８母合金的大样电解实验成果如表２所示，为了便利对比，表中同时列出了真空连铸前期试制工艺出产的Ｋ４１８合金棒坯的夹杂物含量及对应的疲劳性能金母木公。由表２可知，传统模铸工艺出产的Ｋ４１８母合金，每１０ｋｇ母合金中含有大于５０μｍ的夹杂物９．９ｍｇ，７５％的夹杂物尺寸集中于１４０～３６５μｍ，而采用真空连铸工艺出产的。
Ｋ４１８母合金金母木公，在试制初期工艺不安稳时，每１０ｋｇ母合金中含有大于５０μｍ的夹杂物５．８８ｍｇ，大颗粒夹杂物含量降低４０％，可夹杂物尺寸仍较大，８０％的夹杂物尺寸会集于１４０～３６５μｍ，待工艺成熟安稳之后，每１０ｋｇ母合金中含有大于５０μｍ的夹杂物仅为１．３０～１．９１ｍｇ，大颗粒夹杂物含量降
低起伏超过８０％，洁净化作用非常明显，并且夹杂物尺寸变小，全部会集于８０～１４０μｍ金母木公。夹杂物形貌如图１所示，能谱分析结果表明，夹杂物主要是Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ的氧化物。
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剖析以为金母木公，２种工艺出产高温合金母合金洁净度差异较大的主要原因在于铸造成形方式不同：现有模铸工艺中，熔炼好的钢液通过浇流槽，选用顶铸的方
式浇注进入钢模中金母木公。由于搀杂物主要是Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ的氧化物，密度比钢液小，在冶炼过程中浮于熔池表面，在浇铸过程中，不可避免地会和浇流槽中的非金属资料一起带入铸锭，造成母合金的污染（图２（ａ））；而真空连铸工艺选用底铸充型（图２（ｂ）），能够有效将搀杂物上浮至熔池顶面，远离充型区，尤其是大尺寸搀杂物的上浮作用更好。铸坯是在真空条件下直接连续铸造成形的，避免了传统工艺所有必要的浇流槽、保温棉等非金属资料的二次污染，从而可显著降低铸坯中的搀杂物数量，并且因为水冷铜模的强制冷却，可使搀杂物的尺寸进一步降低。
对于高温合金而言，洁净度控制非常重要金母木公。一方面，对于叶片、机匣、调节片等复杂薄壁件而言，如果母合金中的夹杂物含量增多，将会增加钢液的黏度，下降其流动性，铸造工艺控制不当很容易产生浇缺乏和热裂等冶金缺点，另外，夹杂物被带入到铸件中，还会造成Ｘ光检验的夹杂物超支，导致铸件报废，降低铸件的成品率；另一方面，夹杂物的存在对高温合金部件的执役性能也会产生重大影响。众所周知，高温合金是在交变温度下执役，而夹杂物的热膨胀系数仅有基体的一半，很简单诱发应力集中而萌生裂纹，最终导致部件失效。遍及认为，高温合金的疲劳性能对夹杂物比较敏感，夹杂物含量的降低和尺寸的减小均能够使高温合金的疲惫性能大幅进步。Ｄｅｎｄａ等人的研讨表明，关于１０级晶粒度的Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８合金而言，当夹杂物含量由６ ０００个／ｋｇ下降为１２９个／ｋｇ时，５３８℃时的低周疲惫寿数能够进步１个数量级；当夹杂物尺寸由４０μｍ减小至１０μｍ时，低周疲惫寿数提高７５％。另外，关于铸造高温合金而言，母合金中的夹杂物含量的降低会显著提升铸件的执役寿数。比如在Ｋ４１７合金中，将夹杂物含量较高的叶片回来料（夹杂物含量为２０．２４ｍｇ／（１０ｋｇ））浇注成疲惫试样时，重熔试棒的疲惫性能差，开裂周次仅为８７２次；而采用夹杂物含量为７．３５ｍｇ／（１０ｋｇ）的全新料母合金浇注的疲劳试样，疲惫开裂周次达到１ ８４１次，疲惫性能增加超过１倍。
关于真空连铸Ｋ４１８合金而言，为了扫除安排、晶粒度的影响，更直接地反映夹杂物含量与疲惫寿命之间的联系，本文挑选在真空连铸Ｋ４１８合金铸坯上本体取样进行疲惫性能测试金母木公。结果表明，在真空连铸工艺开发的初期，由于工艺尚不成熟，夹杂物含量略高，为５．８８ｍｇ／（１０ｋｇ），而且８０％的夹杂物尺度较大，为１４０～３６５μｍ，对应的疲劳寿命仅有２ ８７９周次；而在工艺成熟稳定之后，夹杂物含量降
低为１．９１ｍｇ／（１０ｋｇ）左右，降低了６７％，而且尺度全部集中在８０～１４０μｍ，疲惫寿命得到极大进步，升高至１０ ２４５周次，进步２５５％（表２）金母木公。
Ｋ４１８合金主要用于制作增压涡轮等转动部件，疲劳功能是衡量其执役寿数的关键指标之一金母木公。对于真空连铸Ｋ４１８母合金而言，因为１０ｋｇ母合金中含有大于５０μｍ的夹杂物含量较传统模铸工艺降低超过８０％，并且夹杂物尺度较小，可以推断，若用真空连铸替代模铸工艺制备Ｋ４１８母合金，无疑可提高增压涡轮等部件的成品率以及执役寿数，确保其长期、安稳牢靠执役。
2． ２ 真空连铸Ｋ４１８母合金铸坯的组织及力学功能Ｋ４１８合金的微观组织由γ相、二次γ′相、碳化物和极少量的γ－
γ′共晶组成金母木公。图３给出了不同工艺出产的３２ｍｍ的Ｋ４１８铸棒１／２半径处的微观组织。由于真空连铸Ｋ４１８合金是在水冷铜模中凝结成形，冷却速率较快，因此，其二次γ′相和碳化物的尺寸均较小。
经丈量计算，模铸Ｋ４１８合金中的二次γ′相的直径约为０．４３μｍ，真空连铸Ｋ４１８合金中的二次γ′相的直径约为０．３２μｍ，并且尺度更加均匀金母木公。在统计不同工艺出产的３２ｍｍ的Ｋ４１８铸棒的碳化物尺度时，选取１／２半径处２０个视场内的最大碳化物尺度作为统计目标，选取碳化物的１／２（长度＋宽度）作为碳化物的直径，每个视场内选取３个直径最大的碳化物，然后取均匀值。计算结果表明，模铸Ｋ４１８合金中最大碳化物的直径散布在１３μｍ附近，而真空连铸Ｋ４１８合金中最大碳化物的直径散布在６μｍ附近，仅为模铸的一半。
由于真空连铸Ｋ４１８合金棒坯中二次γ′相细小、均匀，更有利于合金强度的提高，而且真空连铸的碳化物尺寸较小、弥散散布，降低了作为硬质点产生的应力集中，推迟裂纹的萌发和扩展，因此，其微观组织对合金棒坯的强耐性十分有利，加之真空连铸棒坯微观组织致密、洁净度高，导致真空连铸棒坯的本体取样性能十分好，乃至远高于规范成型试样的性能（表３）金母木公。与规范成型试棒相比，真空连铸母合金本体取样在室温和８００℃的抗拉强度提高了１３％（１００ＭＰａ）以上、伸长率提高了３３％以上，８００℃、４９０ＭＰａ的耐久寿数提高了８０％以上。
铸造高温合金的规范成型试样代表了该合金的理想功能，一般而言，铸件由于补缩和安排控制问题，其本体取样功能要低于成型试样金母木公。而真空连铸
棒坯由于洁净度、宏观冶金质量、微观安排等多方面控制合理，其力学功能远高于规范成型试样的水平，进一步挖掘了合金的功能潜力金母木公。
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３结论
（１）真空连铸Ｋ４１８母合金合金的１／５，且夹杂物尺度悉数集中于８０～１４０μｍ，而模铸Ｋ４１８母合金中，７５％的夹杂物尺度为１４０～３６５μｍ金母木公。（２）夹杂物含量的下降和尺度的减小使真空连铸Ｋ４１８合金的疲劳功能大幅进步。当夹杂物含量由５．８８ｍｇ／（１０ｋｇ）、８０％的夹杂物尺寸集中于１４０～３６５μｍ变为１．９１ｍｇ／（１０ｋｇ）、并且尺度悉数会集在８０～１４０μｍ时，疲劳寿命进步２５５％。（３）真空连铸技能进一步发掘了合金的功能潜力，其力学功能远高于规范成型试样的水平。
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