提高铸造高温合金及其精铸件纯洁度的途径

    【慧聪表面处理网】铸造高温合金是制造航空发动机的关键零部件的关键材料，其质量直接影响航空发动机的寿命，关系到飞机的安全。为此成为所关注的热点问题。

    合金及其零件的材质主要表现在合金内在的气体和杂质含量，因为它是萌生裂纹的起源。为确保材质，许多国家都制定了相应的质量控制标准，如G.E.公司的P29TF-S7《高温合金中微量元素的允许极限》，英国R.R.公司斯贝发动机有关材料（包括所用原材料）和铸件的技术标准。随着航空发动机的发展，要求使用高性能水平的材料，如用定向、单晶合金制作为发动机的涡轮部件。其质量要求也提高了，如美国Cannon-Muskegon公司生产的CMSX-4第二代单晶合金其气体杂质含量是目前合金中最低的。

    在我国，由于设备和工艺条件限制，现有高温合金中气体和杂质含量一般高于国际标准。因此合金性能水平有限，且波动性较大，制造零件的合格率较低。国外著名发动机公司生产的涡轮、导向叶片合格率,实心叶片在90%左右，空心叶片（复杂型腔空心叶片）达70%，我国尚达不到这个水平。因此提高合金和精铸件的纯洁度是当前我国冶金工作者一项重要任务，具有较大的社会效益和经济效益。

    1、合金纯洁度的基本要求

    先进航空发动机不仅要求材料有较高的性能水平，而且对材料的气体夹杂含量也有较高的要求，以确保发动机的可靠性。就发动机涡轮叶片材料来看，随着发动机的发展，由变形高温合金发展到铸造高温合金；由等轴晶铸造高温合金发展到单晶高温合金；由第一代单晶合金发展到第二、三代单晶合金。就一般铸造高温合金来说，合金中气体含量一般在(5～10)×10－6,而单晶合金如CMSX-4气体含量(1～4)×10－6。

    合金中的杂质含量：关键性杂质元素Bi，Te和Tl小于0.5×10－6；Ag，As和Pb，Sn小于5×10－6；杂质元素的种类最多约达40种，除了关键性杂质元素外，其它杂质元素的总量小于400×10－6；单个杂质含量最大不超过25×10－6。这是美国G.E.公司的要求。当然不同材料、不同零件要求也有所区别，但是总的趋势是对合金中气体杂质限量越来越严，已经发展到要求制备高纯度合金，如已经制备了高纯度的In718合金发动机关键零件。

    2、提高纯洁度的途径

    只有弄清合金中气体和杂质的来源，采取措施以有效地去除合金中的气体和杂质，才能从根本上提高合金的纯洁度。

    2.1杂质的来源

    合金中气体和杂质一般是由以下几种原因引起的：用于熔炼合金的原材料带入气体和杂质，如镍、铬、钴等金属原材料，按一定标准选用的金属原材料，在合金熔炼中进入熔体，因此选用不同纯洁度的原材料炼制的合金就有性能上的差异。如用两种不同的镍炼制的ЖC6KΠ合金，其性能就有明显差异（见图1）。用不同品位的镍、钴、铬炼制ЖC6Φ合金其持久强度也不相同。因此选用较纯原材料，才能炼制优质的高温合金。

    2.2合金原材料清洁处理的影响

    炼制合金所用原材料是否清洁是极为重要的环节，由于原材料如镍、钴、铬等制备方法不同，残留在原材料上的外来物也不同。故使用金属原材料炼制合金时必须预先进行清洁处理。如铝块碱洗，镍块酸洗或滚砂等以除去不必要的外来杂质。某些原材料也可以通过熔炼先期预处理以提高纯度。如用某些原材料预先炼制低P低S的中间合金，再用来炼制合金。

    2.3冶金熔炼过程中杂质的控制

    合理的真空感应熔炼工艺，可以使合金中气体和杂质进一步去除，如采用真空感应炉熔炼工艺使合金中的Pb和Bi的总量降低40%。当然，真空感应熔炼不可能完全去除其杂质。真空感应熔炼通过蒸发排除熔融合金中具有较高蒸汽压的有色金属杂质。因为当熔融合金中杂质减少到一定浓度，即低于临界浓度时，则融熔合金表面杂质气体的压力将低于炉内真空度，杂质在此熔炼的热力学条件下停止蒸发，图2表明真空条件下融熔合金表面杂质蒸发条件。