[发明专利]制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法及定向凝固装置

说明书

本申请为申请号为200780014587.x、申请日为2007年4月24日的名称为《铸造方法及装置》的申请的分案申请。 

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，涉及含有由多晶颗粒生成柱状枝晶组织(称为DS材)以及由单一颗粒生成枝状组织(称为Mono-crystal或SX材)的定向凝固铸造物，并涉及通过电渣重熔法(ESR)、真空电弧重熔法(VAR)等重熔法制备铸锭时主要用于改善宏观偏析的铸造技术。 

背景技术

定向凝固铸造物 

作为本发明技术领域的定向凝固铸造物的例子，可举出用于飞机用喷气引擎、发电用燃气轮机的涡轮叶片材料。图1(a)表示现在使用的典型的定向凝固装置的概要。向设置在水冷台上的陶瓷铸模(实际铸模为复杂的3维形状)内浇铸熔融金属后，将铸模由使其保持高温的加热炉沿重力方向拉引而使依次凝固，得到含有多晶柱状枝晶组织(称为DS材)或单一枝状组织(称为SX材)的铸造物。图中表示在拉引过程中的液相、固液共存相(Mushy zone，共存区域)以及固相。未给出详细的浇铸装置、真空容器等实际装置。由于涡轮叶片在极其严酷的条件下使用，使用高温强度等耐热性优越的Ni基合金作为主要材料。然而，在这些涡轮叶片上产生称作线状偏析的管道偏析、不定向结晶缺陷(misoriented grain defects)、微观气孔等铸造缺陷，成为制品成品率低的主要原因(例如参照文献1的321页)。 

关于线状偏析的形成原因，现在可定性的参考以下。Ni基超合金的特征之一是在合金基体的γ相整齐析出的γ’相(被称为“伽马撇”相的以Ni3(Al，Ti)为基本组成的金属间化合物)，通常随γ’相体积率的增加高温强度提高。但是，在含有比Ni轻的Al、Ti、W等的合金中，随着凝固的进行，这些元素偏聚的枝晶间的液相的密度减小。因此，这样的合金在沿与重力相反方向凝固的情况下，固液共存相的底部即枝晶的根部的液相密度相对于液相即枝晶的先端部的密度为小(本说明书中将这样的合金称之为相对 于对流“溶质不稳定”)。另一方面，由于枝晶根部的温度分布比先端部低，密度也较大，因此不产生对流。即，成为“热稳定”。溶质不稳定度大于热稳定度时，在形成密度逆转层的固液共存相中，液相以此密度差为原因产生上升流，容易产生称为线状偏析(freckle)的管道偏析。此外，容易产生枝晶的成长被破坏的不定向结晶(本说明书将此类合金称为“浮上型合金(upward type of buoyancy)”)。在Ni基超合金叶片中生成的线状偏析，理解为是由基于这样的密度差的上升流而产生的。 

现在，为了降低这些铸造缺陷，改善加热、保持温度、拉引速度、辐射冷却能等铸造条件，或添加比Ni重的Ta等元素而调节成分等，做出很多试验错误的改良努力，但仍然不够。因此，急需一种能消除这样的铸造缺陷的技术。 

通过重熔法制备铸锭 

在电渣重熔法(ESR)、真空电弧重熔法(VAR)等重熔法制备铸锭中，具有液相池及固液共存相的深度相对较浅的特征。虽然在上述定向凝固法中抑制了从侧面开始的凝固，但这些重熔法由于铸模(通常使用水冷铜铸模)散热从侧面开始的凝固也进行的点上不一样。由ESR或VAR制造Ni基超合金，生成以线状偏析(管道偏析)为首的宏观偏析广为人知(参照文献2)。上述的重熔法，浮上型合金是当然的，而其相反的沉降型合金(即随着凝固的进行枝间溶质偏聚液相的密度增大的合金)也产生上述的偏析缺陷。为降低这样的铸造物缺陷，虽然设定冷却条件、熔化速度等铸造条件或调整化学成分来尽可能地降低液相池的深度(特别是对沉降型合金有效)或能增加冷却速度，但随着铸锭的断面面积的增大，上述偏析缺陷的生成无可避免。因此，在用于上述Ni基超合金涡轮叶片、铁基合金发电用涡轮转子等的铸锭的制造中，急需一种尽可能增大尺寸而偏析较少的铸锭的稳定制造技术。 

发明内容

本发明提供定向凝固铸造物及由ESR、VAR等重熔法制备高品质铸造物的铸造技术，在铸造物中没有生成主要由固液共存相中的液相的流动产生的线状偏析等宏观偏析。 

本发明率先阐明了在上述铸造工艺中，特别着眼于固液共存相中的液相流动现象，针对上述固液共存相全体施加强磁场，使该相内枝晶间极低速流 动的液相得以抑制，由此消除线状偏析等宏观偏析。 

附图说明

图1表示具体例1中的定向凝固法的概要，图1(a)表示现有制造方法的概要，图1(b)表示本发明涉及的制造方法的概要； 

图2表示Ni-10wt％Al合金以及IN718合金在凝固过程中温度和固相体积率的关系(关于IN718参考文献10的图1)；