中空结构高温合金铸件的精密铸造工艺研究

中空结构高温合金铸件的精密铸造工艺研究

李帅北

河北钢研德凯科技有限公司 100094

摘要：本文简单的介绍了中空结构高温合金熔模铸件的生产过程，从多个方面分析了中空结构高温合金熔模铸件制造工艺中存在的薄弱环节，有针对性的提出了几点解决的思路和对策，以期本研究能够为做好中空结构高温合金熔模铸件的生产铸造提供借鉴意见。

关键词：中空结构；高温合金；熔模铸件

一、引言

中空结构高温合金铸件是指在高温环境下使用的一种铸造件，其结构中包含空腔或空穴。这种铸件通常由高温合金材料制成，具有优异的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能[1]。中空结构高温合金铸件广泛应用于航空航天、能源、化工等领域，如航空发动机涡轮叶片、燃烧室壁板、石油化工装置中的管道和阀门等。由于其具有较低的密度和优异的力学性能，中空结构高温合金铸件能够减轻设备重量，提高工作效率和可靠性。中空结构高温合金铸件的制造过程通常包括模具设计、合金材料选择、熔炼、铸造和热处理等步骤。其中，模具设计和合金材料选择对于保证铸件的精度和性能至关重要。熔炼过程需要控制合金的成分和温度，以确保铸件具有所需的化学成分和显微组织。

二、中空结构高温合金熔模铸件的铸造过程

中空结构高温合金熔模铸件的铸造一般采用真空熔模铸造，主要的工艺流程如下图1所示。

图1 中空结构高温合金熔模铸件的铸造流程

简单来说就是根据铸件的形状和尺寸要求，制作相应的模具。模具可以采用砂型、金属型或陶瓷型等材料制作。然后根据铸件的材料要求，选择相应的高温合金材料，并将其加入到熔炉中进行熔炼。在熔炼过程中，需要控制合金的成分和温度，以确保合金的质量。将熔融的高温合金倒入预先准备好的模具中。在浇注过程中，需要控制浇注速度和温度，以避免产生气孔和缺陷。待铸件完全浇注后，将其放置在自然环境中进行冷却固化。在冷却过程中，合金会逐渐凝固，形成所需的铸件形状[2]。待铸件完全冷却后，将其从模具中取出。脱模过程需要小心操作，以避免损坏铸件。最后对铸件进行去毛刺、修整、热处理等工艺处理，以提高铸件的性能和质量。后处理过程可以根据具体要求进行，例如进行表面处理、机械加工等。

三、铸件制造过程的薄弱环节

（一）熔化和浇注

在中空结构高温合金铸件的铸造过程中，熔化和浇注是容易出现问题缺陷的关键环节。比如，在熔化过程中，由于高温合金的特殊性，容易出现熔化不充分、温度不均匀等问题，导致铸件的成分不稳定或含有夹杂物。另外，在浇注过程中，由于高温合金的液态流动性较差，容易出现浇注不均匀、气孔、缩孔等缺陷。这些问题缺陷可能会导致铸件的强度降低、疲劳寿命减少甚至失效，严重影响铸件的质量和使用性能。因此，在中空结构高温合金铸件的铸造过程中，需要严格控制熔化和浇注过程的工艺参数，采取适当的熔炼和浇注设备，以及合理的操作方法，以确保铸件的质量和性能

（二）模具设计和制造

在中空结构高温合金铸件的铸造过程中，模具设计和制造过程可能会出现一些问题和缺陷。比如，模具设计不合理可能导致铸件的形状和尺寸不准确，甚至出现裂纹和缺陷。此外，模具材料的选择和加工工艺也会影响铸件的质量。如果选择的模具材料强度不够或者加工工艺不当，可能会导致模具变形、磨损或者破裂，进而影响铸件的精度和表面质量。另外，模具的冷却系统设计不合理也会导致铸件的质量问题。如果冷却系统设计不良，可能会导致铸件局部过热或者冷却不均匀，从而引起铸件内部应力集中和变形。此外，模具制造过程中的工艺控制也是容易出现问题的地方。如果制造过程中的温度、压力、速度等参数控制不当，可能会导致模具表面粗糙度不符合要求，甚至出现气孔、夹杂物等缺陷。因此，在中空结构高温合金铸件的铸造过程中，需要严格控制模具设计和制造过程，以确保铸件的质量和性能。

（三）凝固过程和热处理

首先，在凝固过程中，由于高温合金的特殊性，容易出现凝固收缩缺陷。这是因为高温合金在凝固过程中会发生体积收缩，如果凝固不均匀或凝固速度过快，就会导致铸件内部产生缺陷，如气孔、疏松等。其次，凝固过程中还容易出现晶粒过大或过小的问题[3]。晶粒过大会影响铸件的力学性能和耐热性能，而晶粒过小则容易导致铸件的脆性增加。此外，凝固过程中还可能出现金属液流动不畅的问题，导致铸件内部存在夹杂物或夹渣等缺陷。在热处理过程中，容易出现的问题缺陷主要包括热处理温度不当、保温时间不足等。如果热处理温度过高或保温时间不足，会导致铸件的组织结构不稳定，影响其力学性能和耐热性能。此外，热处理过程中还可能出现氧化、变形等问题，进一步影响铸件的质量。因此，在中空结构高温合金铸件的铸造和热处理过程中，需要严格控制凝固和热处理参数，以避免出现上述问题缺陷，确保铸件的质量和性能。

四、中空结构高温合金铸件的过程质量控制对策

（一）加强材料管控，规范铸件流程

为了控制在铸造过程中熔化和浇注问题的发生，首先需要在之前的工艺设计阶段进行充分的准备工作。比如，选择合适的高温合金材料，具有良好的熔化性能和流动性，能够满足铸件的要求。严格控制熔炼过程中的温度、时间和气氛等参数，确保合金的熔化彻底，避免熔化不完全的情况发生。另外，根据铸件的形状和尺寸，合理控制浇注温度，避免过高或过低的温度对铸件质量造成不良影响，控制浇注速度，避免过快或过慢的浇注速度导致气孔或夹杂物的产生；在浇注前对熔体进行过滤处理，去除其中的杂质和固体颗粒，减少夹杂物的产生；通过合理的工艺设计和严格的工艺控制，可以有效地控制中空结构高温合金铸件在熔化和浇注过程中出现的问题，确保铸件的质量和性能。

（二）合理设计模具，优化制造过程

为了避免模具设计和制造过程问题的出现，首先需要进行充分的模具设计和制造前的工艺分析和评估，确保模具结构合理、材料适用，并且制定详细的制造工艺流程。在模具设计阶段，应根据铸件的形状、尺寸和结构特点，合理设计模具的结构，确保模具能够满足高温合金铸件的形状和尺寸要求，并且能够顺利脱模。同时，还需要考虑到模具的冷却系统设计，以确保铸件能够均匀冷却，避免产生热应力和变形。在模具制造过程中，应选择合适的模具材料，如高温合金钢、耐热合金等，以确保模具能够承受高温合金铸件的铸造温度和压力。同时，还需要严格控制模具的制造工艺，包括模具加工精度、热处理工艺、表面处理等，以确保模具的质量和使用寿命。通过合理的模具设计和制造工艺控制，以及及时的问题分析和解决，可以有效避免中空结构高温合金铸件铸造中模具设计和制造过程出现问题，确保铸件的质量和生产效率。

（三）科学工艺措施，优化制造参数

在铸造过程中应采取合适的工艺措施，如控制铸件的冷却速度、采用适当的浇注温度和浇注速度，以确保凝固过程的均匀性和稳定性。此外，还可以通过添加合适的合金元素和调整合金成分，来改善凝固过程中的晶粒细化和组织均匀性。对于热处理过程中出现的问题，可以通过控制热处理温度、时间和冷却速度等参数来解决。例如，采用适当的退火温度和时间，可以消除铸件中的应力和缺陷，并提高材料的力学性能。此外，还可以采用淬火、固溶处理等热处理方法，来调整铸件的组织结构和性能。另外，在设计阶段就考虑到材料的特性和工艺要求。合理选择合金材料和合金成分，以满足高温环境下的要求。同时，还需要对铸造工艺进行优化，确保铸件的凝固过程和热处理过程的稳定性和一致性。此外，还可以通过合理的模具设计和铸造参数控制，来减少铸件中的缺陷和变形，提高铸件的质量和性能。

五、总结

综上所述，传统的铸造工艺存在一些问题，如晶粒粗大、气孔、夹杂物等缺陷，导致铸件的力学性能和耐腐蚀性能下降。而中空结构高温合金铸件的复杂形状和薄壁结构更容易产生这些缺陷，因此需要研究一种能够有效控制这些缺陷的精密铸造工艺。我们要加强对工艺的改进，通过优化工艺参数和改进模具设计，可以实现铸件的高精度、高质量和高可靠性，满足高温、高压和腐蚀环境下的工作要求。

参考文献：

［１］孙长波，尚伟，周君华，等．高温合金扩压器整体精铸过程的数值模拟及工艺优化［Ｊ］．材料科学与工艺，２０１４，２２（１）：１００．

［２］车顺强，景宗梁．熔模精密铸造实践［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１５．

［３］张立同，曹腊梅，刘国利．近净形熔模精密铸造理论与实践［Ｍ］．北京：国防工艺出版社，２００７：１．

作者简介：李帅北  1987年11月28日  男  山东省莱阳市  汉族  研究生  助理工程师  河北钢研德凯科技有限公司  研究方向:主要从事高温合金材料研发及熔模精密铸造工艺研究