镍基高温合金定向凝固用陶瓷型壳粘砂反应

doi:10.11901/1005.3093.2020.244

材料研究学报

2021, Vol. 35

Issue (4): 251-258 DOI: 10.11901/1005.3093.2020.244

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镍基高温合金定向凝固用陶瓷型壳粘砂反应

石振威¹^,²(

), 郑伟¹, 卢玉章¹, 张功¹, 申健¹(

)

^1.中国科学院金属研究所沈阳 110016
^2.中国科学技术大学纳米科学技术学院苏州 215123

Sand-burning Reaction of Ceramic Shell for Directional Solidification of Nickel-based Superalloy

SHI Zhenwei¹^,²(

), ZHENG Wei¹, LU Yuzhang¹, ZHANG Gong¹, SHEN Jian¹(

)

^1.Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
^2.Nano Science and Technology Institute, University of Science and Technology of China, Suzhou 215123, China

引用本文:

石振威, 郑伟, 卢玉章, 张功, 申健. 镍基高温合金定向凝固用陶瓷型壳粘砂反应[J]. 材料研究学报, 2021, 35(4): 251-258.
Zhenwei SHI, Wei ZHENG, Yuzhang LU, Gong ZHANG, Jian SHEN. Sand-burning Reaction of Ceramic Shell for Directional Solidification of Nickel-based Superalloy[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2021, 35(4): 251-258.

全文: PDF(19184 KB) HTML

摘要:

以合金表面粘砂比例和粗糙度为优化指标，采用多指标正交实验设计方法，通过极差分析研究了定向凝固用陶瓷型壳面层粒度配比和Cr₂O₃添加剂对铸件表面质量的影响。结果表明，铸件表面粘砂层的主要成分为Al₂O₃以及少量Cr、Ni等合金元素；调整陶瓷型壳面层的粒度级配能降低陶瓷型壳面层的孔隙率，使型壳面层形成致密的结构，从而减少在定向凝固过程中合金液向陶瓷型壳面层的渗入、减少铸件表面的物理粘砂；Cr₂O₃添加剂与型壳中的Al₂O₃反应生成的二元化合物Al₂O₃-Cr₂O₃或Al₂O₃-SiO₂-Cr₂O₃三元系产物，抑制了合金中的活性元素(Ni、Ti、Al等)与型壳中游离的SiO₂反应，从而减少铸件表面的化学粘砂、提高铸件的表面质量。

关键词 ：金属材料, 粘砂反应, 陶瓷型壳, 正交实验, 高温合金

Abstract：

The influence of the particle size ratio of the ceramic shell for directional solidification of superalloy and the Cr₂O₃ additive on the surface quality of castings was investigated by means of multi-index orthogonal experiment and the range analysis while taking the sand-burning on the surface quality and roughness of the resulted castings as the calibration. The results show that the main components of the sand-burning layer on the casting surface includes Al₂O₃and elements Cr, Ni of the alloy. Adjusting the particle size gradation can reduce the porosity of the ceramic shell surface layer and then yield a dense shell surface layer, thereby reducing the penetration of the molten alloy into the ceramic shell surface layer during the directional solidification process and reducing the physical adhering sand on the surface of the casting. The addition of Cr₂O₃ additive can induce the reaction of Cr₂O₃ with Al₂O₃in the shell resulting in the formation of the binary compound Al₂O₃-Cr₂O₃ or ternary compound Al₂O₃-SiO₂-Cr₂O₃, which can inhibit the active elements (Ni, Ti, Al, etc.) in the casting react with free SiO₂ in the ceramic shell to reduce the formation of Al₂O₃ on the casting surface, thereby reducing the chemical adhering sand on the casting surface and improving the casting surface quality.

Key words： metallic materials sand-burning reactions ceramic shell orthogonal experiment superalloy

收稿日期: 2020-06-19

ZTFLH:

TG245

基金资助:国家自然科学基金(51631008);国家重大科技专项(2017-Ⅶ-0008-0101),中国科学院重点部署项目(ZDRW-CN-2019-01)

作者简介: 申健，研究员，shenjian@imr.ac.cn，研究方向为镍基单晶高温合金
石振威，男，1989年生，硕士生

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表1 镍基高温合金的名义成分

表2 EC95粉化学成分

表3 型壳面层粉料的粒度分布

表4 因素水平表

表5 实验计划和实验结果

表6 各指标的极差结果

图1 型壳面层的孔隙率

图2 优化组和常规组型壳面层的显微形貌

图3 优化组和常规组铸件的表面

图4 铸件表面粘砂层的SEM和EDS分析

图5 常规型壳浇注铸件粘砂层表面、优化型壳浇注铸件粘砂层表面、常规型壳浇注铸件光滑区域表面的SEM照片以及常规型壳浇注铸件光滑区域的EDS面扫图和优化型壳浇注铸件光滑区域表面的SEM照片

图6 型壳面层和型壳的XRD谱

图7 粘砂层的EDS线扫描图

表7 相关界面反应的吉布斯自由能

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