【技术实现步骤摘要】
一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法
[0001]本专利技术涉及先进材料制备及加工
，具体涉及一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法。
技术介绍
[0002]高温合金通常用于现代航空、舰艇燃气轮机、地面涡轮以及航天发动机等动力机械中的热端部件。目前，世界上使用量最大的高温合金是IN718合金，占全部高温合金总产量的35％。铸态IN718合金的显微组织由富镍固溶体基体(γ)、不连续的MC粒子、圆岛状的Laves相组成。IN718合金的凝固顺序为：L
→
γ(1350℃)，L
→
γ+MC(1290℃)，L
→
Laves(1250℃)。目前，铸造IN718合金存在的主要问题为：
①
初生γ相枝晶粗大；
②
大块共晶Laves和包晶MC相析出。这两方面的组织缺陷导致合金强度、塑性、抗蠕变和抗冲击性等力学性能显著恶化。
[0003]在金属或合金凝固过程中施加振动是改善其组织结构、提高性能最有效...
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种基于三维壁振式可控超声场装置的IN718合金组织优化方法，包括以下步骤：三维壁振式可控超声场装置包括熔炼装置、凝固装置和检测部件；所述熔炼装置设置在凝固装置的上方；所述熔炼装置包括依次连通的上坩埚(2)和下坩埚(4)；所述凝固装置包括铸模(7)以及设置在所述铸模(7)侧壁的X轴反推杆(8
‑
1)、Y轴反推杆(8
‑
2)、X轴超声杆(16)和Y轴超声杆(17)；所述铸模(7)为中空槽型结构；所述X轴超声杆(16)和X轴反推杆(8
‑
1)相对设置；所述Y轴超声杆(17)和Y轴反推杆(8
‑
2)相对设置；所述凝固装置还包括设置在所述铸模(7)顶部的压板(6)和设置在所述铸模(7)底部的Z轴超声杆(10)；所述X轴超声杆(16)、Y轴超声杆(17)和Z轴超声杆(10)由气缸(18)驱动；所述铸模(7)的内部设置有内预热块(5)和控温器(15)；所述铸模(7)的外壁设置有外加热
‑
冷却套(9)；所述检测部件包括声信号传感器(14)、热电偶(13)、信号采集卡(12)和计算机(11)；所述声信号传感器(14)和热电偶(13)均与信号采集卡(12)电连接；所述信号采集卡(12)和计算机(11)电连接；步骤一、将Fe、Ni、Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti置于下坩埚(4)中进行熔炼；将Cr、Nb、Mo和C置于上坩埚(2)中进行熔炼，将上坩埚(2)熔炼完成的原料浇入下坩埚(4)中继续熔炼，得到合金熔体；步骤二、根据所述三维壁振式可控超声场装置安装铸模及超声系统；步骤三、通过内预热块(5)、外加热
‑
冷却套(9)和控温器(15)对铸模(7)进行预热，得到预热铸模；步骤四、取出内预热块(5)，将声信号传感器(14)和热电偶(13)设于铸模(7)的正中央；步骤五、将所述合金熔体浇注至所述预热铸模中；步骤六、开启X轴超声杆(16)、Y轴超声杆(17)和Z轴超声杆(10)的超声振动电源及信号采集卡(12)的开关，对所述合金熔体施加频率为17～25kHz的超声振动，并进行声谱信号和温度信息采集；步骤七、通过计算机(11)调整超声振动的电源输出功率，改变X轴超声杆(16)、Y轴超声杆(17)和Z轴超声杆(10)的输出振幅A，进行振幅参数扫描，由计算机(11)检测和记录不同振幅条件下的声谱信号，得到不同振幅条件下的总空化声压级SPL；步骤八、由计算机(11)检测当SPL取得最大值SPL
max
时的振幅A
F
，保持A＝A
F
施加超声振动，直至温度降低至1120℃结束超声振动；步骤九、向外加热
‑
冷却套(9)中注入恒温制冷剂进行循环制冷，通过控温器(15)监测合金温度，控制冷却速率；步骤十、待合金冷却至室温后，从铸模(7)中取出，得到IN718合金。2.根据权利要求1所述的IN718合金组织优化方法，其特征在于，所述步骤一中，上坩埚(2)的装料顺序为：先装Cr、Nb和Mo，完全熔化后再加入C；下坩埚(4)的装料顺序为：先装Ni和Fe，在Ni和Fe完全熔化后再依次装入Al、Cu、Mn、Co、Si和Ti。3.根据权利要求1所述的IN718合金组织优化方法，其特征在于，所述三维壁振式可控超声场装置还包括设置在所述上坩埚(2)内部的上塞杆(1)和设置在所述下坩埚(4)内部的下塞杆(3)；当所述上坩埚(2)中熔体完全熔化且温度达到1600℃时，拔起上塞杆(1)将熔体浇入下
坩埚(4)中；所述上塞杆(1)由电机驱动提起一定高度h，所述h满足：10mm＜h＜15mm；当所述下坩埚(4)中的合金原料完全熔化后，继续加热至1400℃，保温3～5min后，拔起下塞杆(3)将所得合金熔体浇注至预热铸模中。4.根据权利要求1所述的IN718合金组织优化方法，其特征在于，所述铸模(7)的材质为高温金属或陶瓷材料；所述铸模(7)的物理参数满足：2πf
c
＝k
c
[E
c
/(1+v)ρ
c
]
1/2
，f
c
为超声振动的频率，E
c
为铸模弹性模量，v为泊松比，ρ
c
为铸模密度，k
c
为形状因子，其中17kHz＜f
c
＜30kHz，k
c
＝{0.5/[d3+(h+a+b)d2+(h2‑
ab
‑
ah
‑
bh)d+δ0abh]}
1/2
，d＞5
×
10
‑3m，a为铸模内腔的长，b为铸模内腔的宽，h为铸模内腔的高，d为铸模的壁厚，δ0为修正因子，与铸模材质有关，δ0的取值范围为5～10。5.根据权利要求1所述的IN718合金组织优化方法，其特征在于，所述X轴反推杆(8
‑
1)和Y轴反推杆(8
‑
2)由在1400℃时弹性模量不低于铸模(7)的金属材料制成；所述X轴反推杆(8
‑
1)和Y轴反推杆(8
‑
2)的形状为圆柱；所述X轴反推杆(8
‑
1)或Y轴反推杆(8
‑
2)的截面半径r与长度l满足公式：2πf
c
＝S0×
k
s
(E
s
/ρ
s
)
1/2
，f
c
为超声振动的频率，E
s
为X轴反推杆(8
‑
1)或Y轴反推杆(8
‑
2)的弹性模量，ρ
s
为X轴反推杆(8
‑
1)和Y轴反推杆(8
‑
2)的密度，k
s
技术研发人员：翟薇，胡慧琴，王建元，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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