汽车增压器涡轮用铸造高温合金热裂研究进展

表２国内增压器涡轮用铸造高温合金的主要用途
Ｔａｂｌｅ ２ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
ｃａｓｔ
ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ
Ｋ２１３合金是一种Ｆｅ—Ｎｉ—Ｃｒ基铸造高温合金，含
Ｎｉ少，不含Ｃｏ，主要通过加入ＡＩ，Ｔｉ形成了’沉淀强化
ＳＨＩ Ｚｈａｏ—ｘｉａ，ＤＯＮＧ Ｊｉａｎ－ｘｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｍａｉ－ｃａｎｇ
（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ｋ４１８合金是一种不含Ｃｏ的镍基铸造高温合金，
在７基体上弥散分布７’沉淀相，它是合金的主要强化 相，约占合金总质量的５５％（质量分数）。在晶界和枝 晶问有（７＋７’）共晶相，约占合金体积的２％，ＭＣ型碳 化物占合金总质量的１％左右。另有极少量的Ｍ。Ｂ２ 硼化物。Ｋ４１８合金比重轻，具有良好的综合性能、长 期组织稳定性和铸造工艺性能。 Ｋ４１９是高Ｗ低Ｃｒ型镍基铸造高温合金，含有较 多的７’相形成元素Ａ１，Ｔｉ，Ｎｂ等，并含有较高的Ｂ，合 金在铸态下使用。合金具有高温强度高、综合性能好、 组织稳定、铸造工艺性能好等特点。其显微组织特征 是，丫基体上有弥散分布的７’相沉淀，在晶界和枝晶间 有占合金体积６％～７％的（７＋７’）共晶相，有块状和 条状ＭＣ型碳化物及肋骨状的Ｍ。Ｂ２硼化物。 Ｋ４００２是一种新型高强度镍基铸造合金。该合金 含有较多的Ｗ和一定量的Ｔａ和Ｈｆ，因而具有高温强
易产生热裂，这成为发展汽车涡轮增压技术进程中亟
的安全使用性能，是科研工作者长期以来致力研究的 热点。同时，铸造高温合金铸件向轻、薄、形状复杂的 方向发展，对减小铸件的热裂倾向提出了更高要 求［５＿８］。有关热裂形成原因及防止措施的经验和成果 在实际生产中已经得到了应用，但迄今为止，在实际生 产中铸件的热裂问题仍未得到彻底解决。 本文介绍了目前国内用于制造汽车增压器涡轮的 铸造高温合金。通过综述热裂形成机理和影响因素等
ｔｅｒｉｓｔｉｅｓ
ｃｈａｒａｃ—
ｔｅａｒｉｎｇ
ｏｆ ｍｏｕｌｄｓ，ｐｏｕｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃａｓｔｉｎｇｓ ａｎｄ ｐｏｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ｔｏ
ｏｎ
ｈｏｔ
ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｍｅａｓｕｒｅｓ
ｐｒｅｖｅｎｔ
ｈｏｔ ｔｅａｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．
度高，抗热腐蚀性能好、组织稳定等特点，特别是在中 温下兼有高的强度和韧性。零件性能与试棒性能较接 近，铸造性能好。铸态相组成有７，７’，（７＋７’）共晶、 ＭＣ碳化物、Ｍ。Ｂ２硼化物以及微量的碳硫化物，Ｍ。Ｃ 碳化物等。
相，同时加入一定量的ｗ进行固溶强化，微量的Ｂ进 行晶界强化，少量的Ｃ形成碳化物起一定强化作用。 该合金具有良好的铸造工艺性能。
万方数据
汽车增压器涡轮用铸造高温合金热裂研究进展
９３
合金在该温度下的强度极限和伸长率，铸件即发生热 裂。在有效结晶温度内，合金强度越低，线收缩率越 大，则越易形成热裂。 液膜理论口胡认为，凝固末期晶体周围少量未凝固 的液体构成一层液膜，此液膜的存在是导致热裂的根 本原因。随着温度接近固相线，液膜逐渐变薄，铸件全 部凝固时液膜消失。在液膜由厚变薄直到消失的液膜 期内，如果铸件收缩受阻，晶体周围的液膜就会受到பைடு நூலகம் 应力，应力足够大时，液膜被拉长。当应力超过一定限
内容，反映这方面的研究进展，并提出了防止热裂产生
的措施，详细介绍了铸造高温合金热裂的研究现状，以 期为解决汽车增压器涡轮用高温合金的热裂问题提供 参考。
待解决的问题之一。 由于铸造高温合金的结晶温度范围大，线收缩率 大（２．０％～３．０％），其热裂倾向也较大，严重时导致铸 造涡轮叶片毛坯报废率达２０％［４】。热裂问题的存在 始终制约着铸件产品质量的提高，并严重影响到产品
ａｕｔｏ
ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅａｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ ｃａｓｔｉｎｇｓ
ｏｎ
ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ
ｗｈｅｅｌ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，Ｔｈｅ ｈｏｔ ｍｅｎｔｓ，ｓｕｃｈ
ａｓ
ｗｅｒｅ
图３
Ｆｉｇ．３
Ｋ４１８合金增压器涡轮叶片热裂 ｏｆ
ａ
不同ＡＩ含量的ＩＣＩＯ合金进行了凝固特性研究。研究 发现，当Ａｌ含量提高了０．４％以后，由于高Ａｌ合金的
７’形成因子∑（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｈｆ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｔａ＋
Ｈｏｔ ｔｅａｒｉｎｇ
Ｋ４１８ ａｌｌｏｙ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ
ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ
ｃａｓｔ
ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅ— ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｗｅｒｅ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ
ａｓ
Ａ１，Ｔｉ，Ｃ，Ｚｒ ａｎｄ Ｈｆ
ｈｏｔ ｔｅａｒｉｎｇ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈ
２铸件的热裂机理
热裂是在非平衡的线收缩开始温度到非平衡的固 相线温度范围内形成的，此时合金处于固液两相区内， 该区间被称为“有效结晶温度区间”或“有效结晶温度
范围”。图１为采用熔模精铸的某型号Ｋ４１８合金汽
车增压器涡轮的外形，图２箭头所指部位即为浇注后 在涡轮叶片上产生的热裂纹。从涡轮叶片上取样、磨 光、侵蚀后在显微镜下观察裂纹，发现此裂纹为扭曲 的、走向不规则的晶间裂纹．如图３所示。 过去几十年中，已有大量针对铸件热裂行为的研 究［１”１２］，科研工作者在大量研究的基础上，已提出强 度理论、液膜理论、形成功理论、凝固收缩补偿理论、晶 间搭桥理论等几种不同的理论来阐述铸件热裂的形成 机理ｎ”“］。虽然这几种理论在解释热裂产生的细节
上有所不同，但其实际的力学本质是一致的，即在有效 结晶温度范围内，当铸件中薄弱环节（如热节中的脆性 区或液膜等）的收缩应力或者塑性变形超过某一临界 值时就会导致热裂的产生。此处仅详细介绍应用较为 广泛的强度理论和液膜理论。 强度理论［６“７］认为，铸件在凝固末期时结晶骨架 已经形成，此时合金本身处于“脆性”阶段。当温度下 降合金收缩时，由于铸件固态线收缩受阻，铸件局部形 成收缩应力及塑性变形。若收缩应力或塑性变形超过
浇注系统等铸造工艺参数对热裂的影响，并提出了防止热裂产生的措施。
关键词：汽车增压器涡轮；铸造高温合金；热裂 中围分类号：ＴＧｌ３２．３２ 文献标识码：Ａ
ｔｏ ｏｃｃｕｒ
文章编号：１００１－４３８１（２０１２）０６－００９１－０６ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ ｂｌａｄｅ ｗｈｅｎ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ
ｃａｓｔ ａｕｔｏ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｔ ｔｅａｒｉｎｇ ｔｅｎｄｅｄ
ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ，ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ．ＳｅｖｅｒａＩ
ｃａｓｔ
ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｕｒｂｏｅｈａｒｇｅｒ
Ａｌ。Ｔｉ元素对热裂的影响
众所周知，增加铸造高温合金中７’含量可以有效 提高铸造高温合金的耐温能力，而增加Ａｌ，Ｔｉ含量是 提高铸造高温合金中７ ７含量的有效途径，但在铸造高 温合金研制过程中，曾出现Ａｌ，Ｔｉ含量的微量变化导 致铸件出现热裂的问题。 范映伟等瞳叩为了探明高Ａｌ定向凝固柱晶铸造高 温合金ＩＣＩＯ铸造涡轮导向叶片时开裂的原因，对两种
万方数据
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材料Ｔ程／２０１２年６期
铸造高温合金中的沉淀强化元素Ｔｉ属于强正偏 析元素，在凝固过程中强烈偏析于液相，因此对合金的 热裂倾向影响很大。对Ｔｉ含量不同的定向凝固镍基 铸造高温合金１Ｎ７９２的热裂行为研究表明【２“，降低合 金的Ｔｉ含量后，铸件的热裂倾向明显降低。在杨政 等［２“２３］的研究中同样发现由于铸造高温合金中的Ｔｉ 元素含量偏高，提高了合金的有效结晶温度上限，扩大 了有效结晶温度区间，导致合金在凝固过程中出现热 裂的倾向增加。 由此可知，通过降低合金中Ａｌ，Ｔｉ元素的含量，从 而缩小铸造高温合金的有效结晶温度区间，是解决定 向空心叶片热裂的有效手段之一。 ３．２微量合金元素对热裂的影响 由于微量合金化调整对降低合金热裂倾向所起的 作用显著，研究某些微量元素对铸造高温合金凝固过程 的影响对于评定铸造高温合金的热裂倾向很有帮助。
摘要：采用高温合金浇注汽车增压器涡轮时，叶片极易产生热裂，热裂的存在严重影响了铸造高温合金在增压涡轮上的 使用。介绍了几种目前国内广泛使用的汽车增压器涡轮用铸造高温合金．对铸件热裂的形成机理进行了综述。重点探讨
了铝、钛、碳、锫和铪等元索对铸造高温合金热裂倾向性的影响。综述了合金凝固方式和铸型性质、浇注条件、铸件结构、
０．５Ｗ）较高，合金中（丫＋＾ｙ ７）共晶的析出温度提高了 ２０℃。合金Ａ１含量提高后，枝晶间（７＋７’）共晶的大 量析出，使液相流动的通路被堵塞，较早失去了补缩能 力。由于合金中存在大量不可补缩的液相区，导致强 度和塑性变差，在浇铸截面复杂的空心导向涡轮叶片 时，如果凝固造成的热应力超过合金在此温度下的强 度，就容易产生开裂。王艳丽等［２¨的研究表明，ＩＣＩＯ 合金中的Ａｌ含量提高后，尽管微观组织无明显变化， 但由于合金熔化温度范围扩大，热裂倾向性增大。
图１
Ｆｉｇ．１
Ｋ４１８合金增压器涡轮外形
ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ
ａ
Ｅｘｔｅｒｎａｌ
度，晶间就产生裂缝，由于此时铸件凝固区域中其他部
ａｌｌｏｙ
Ｋ４ １ ８
ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ
ｗｈｅｅｌ
分晶粒间液相不可能填补这种裂缝，就形成了热裂。
３
合金元素对热裂的影响
合金在热裂形成的温度范围内凡能影响合金线收
１汽车增压涡轮用铸造高温合金简介
为满足不同工况条件对材料的要求，世界各国开
万方数据
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材料工程／２０１２年６期
发了多种增压涡轮用高温合金材料。目前国内大量使 用的增压涡轮材料是自行研制的Ｋ２１３，Ｋ４１８，Ｋ４１９ 和Ｋ４００２等铸造高温合金，国外用于增压涡轮的材料
表１
Ｔａｂｌｅ １
有Ｉｎｃｏｎｅｌ７ １ ３Ｃ，ＧＭＲ２３５，ＭＡＲ—Ｍ２４７，ＭＡＲ—Ｍ２４６，
缩、收缩阻力、合金强度和塑性的因素，都将对合金热 裂倾向产生影响［１“。合金的有效结晶温度范围越大， 铸件形成热裂的倾向越大，因此凡能扩大有效结晶温 度范围、削弱合金高温强度与伸长率的因素都会促进 热裂。多年以来，从事合金研究的人员总是习惯于通 过调整铸造工艺参数来减少热裂，然而可铸性差的合
图２
Ｆｉｇ．２
Ｋ４１８合金增压器涡轮叶片热裂部位
Ｈｏｔ ｔｅａｒｉｎｇ
ａｒｅａ
金很难通过工艺调整完全消除热裂。长期的研究结果 表明合金成分的微调都可有效避免热裂，因此，研究某 些合金元素对铸造高温合金凝固行为的影响，对减小 铸造高温合金的热裂倾向很有帮助ｎ“１…。
３．１
ｏｆ
ａ
Ｋ４１８
ａｌｌｏｙ
ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ
Ｘ４０等‘”。表１和表２分别列举了国内增压器涡轮用 铸造高温合金的化学成分和主要用途ｍ“。
国内增压器涡轮用铸造高温合金的化学成分
ｃａｓｔ
ＣｈｅｍｉｃａＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ
ｓｏｐｅｒａｌｌｏｙｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ；ｃａｓｔ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ；ｈｏｔ ｔｅａｒｉｎｇ
涡轮增压器技术在汽车工业中的广泛应用已成为 提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效 手段［１。］。增压涡轮工作温度高，转速高，叶片上受到 多种交变应力的作用，因此要求涡轮材料具有较好的 高温力学性能、屈服点和长期组织稳定性以及良好的 铸造性能［３］。铸造高温合金因具有足够的热强性、热 稳定性和良好的抗机械疲劳，热疲劳性能等优点，被大 量用于制作汽车增压器涡轮。然而增压涡轮结构复 杂，叶片截面变化大，有的叶稍最薄处甚至仅为 ０．３ｒａｍ，因此采用铸造高温合金浇注涡轮时，叶片极
汽车增压器涡轮用铸造高温合金热裂研究进展
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汽车增压器涡轮用铸造高温
合金热裂研究进展
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｏｔ Ｔｅａｒｉｎｇ
ｏｎ
Ｃａｓｔ Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ
Ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ａｕｔｏ Ｔｕｒｂｏｅｈａｒｇｅｒ Ｔｕｒｂｉｎｅ
Ｗｈｅｅｌ
石照夏，董建新，张麦仓 （北京科技大学高温合金研究室，北京１０００８３）