鑄造高溫合金是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件的關(guān)鍵材料，其質(zhì)量直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，關(guān)系到飛機(jī)的安全。為此成為所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
　　合金及其零件的材質(zhì)主要表現(xiàn)在合金內(nèi)在的氣體和雜質(zhì)含量，因?yàn)樗�是萌生裂紋的起源。為確保材質(zhì)，許多國(guó)家都制定了相應(yīng)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，如G.E.公司的 P29TF-S7《高溫合金中微量元素的允許極限》，英國(guó)R.R.公司斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)材料（包括所用原材料）和鑄件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，要求使用高性能水平的材料，如用定向、單晶合金制作為發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部件。其質(zhì)量要求也提高了，如美國(guó)Cannon-Muskegon公司生產(chǎn)的CMSX-4 第二代單晶合金其氣體雜質(zhì)含量是目前合金中最低的。
　　在我國(guó)，由于設(shè)備和工藝條件限制，現(xiàn)有高溫合金中氣體和雜質(zhì)含量一般高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此合金性能水平有限，且波動(dòng)性較大，制造零件的合格率較低。國(guó)外著名發(fā)動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的渦輪、導(dǎo)向葉片合格率,實(shí)心葉片在90%左右，空心葉片（復(fù)雜型腔空心葉片）達(dá)70%，我國(guó)尚達(dá)不到這個(gè)水平。因此提高合金和精鑄件的純潔度是當(dāng)前我國(guó)冶金工作者一項(xiàng)重要任務(wù)，具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
1　合金純潔度的基本要求
　　先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要求材料有較高的性能水平，而且對(duì)材料的氣體夾雜含量也有較高的要求，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。就發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料來(lái)看，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，由變形高溫合金發(fā)展到鑄造高溫合金；由等軸晶鑄造高溫合金發(fā)展到單晶高溫合金；由第一代單晶合金發(fā)展到第二、三代單晶合金。就一般鑄造高溫合金來(lái)說(shuō)，合金中氣體含量一般在(5～10)×10^－6,而單晶合金如CMSX-4氣體含量(1～4)×10^－6。
　　合金中的雜質(zhì)含量：關(guān)鍵性雜質(zhì)元素Bi，Te和Tl小于 0.5×10^－6；Ag，As和Pb，Sn小于5×10^－6；雜質(zhì)元素的種類最多約達(dá)40種，除了關(guān)鍵性雜質(zhì)元素外，其它雜質(zhì)元素的總量小于400×10^－6；單個(gè)雜質(zhì)含量最大不超過25×10^－6。這是美國(guó)G.E.公司的要求。當(dāng)然不同材料、不同零件要求也有所區(qū)別，但是總的趨勢(shì)是對(duì)合金中氣體雜質(zhì)限量越來(lái)越嚴(yán)，已經(jīng)發(fā)展到要求制備高純度合金，如已經(jīng)制備了高純度的In718合金發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件。
2　提高純潔度的途徑
　　只有弄清合金中氣體和雜質(zhì)的來(lái)源，采取措施以有效地去除合金中的氣體和雜質(zhì)，才能從根本上提高合金的純潔度。

2.1.雜質(zhì)的來(lái)源
　　合金中氣體和雜質(zhì)一般是由以下幾種原因引起的：用于熔煉合金的原材料帶入氣體和雜質(zhì)，如鎳、鉻、鈷等金屬原材料，按一定標(biāo)準(zhǔn)選用的金屬原材料，在合金熔煉中進(jìn)入熔體，因此選用不同純潔度的原材料煉制的合金就有性能上的差異。如用兩種不同的鎳煉制的ЖC6KΠ合金，其性能就有明顯差異（見圖1）。用不同品位的鎳、鈷、鉻煉制 ЖC6Φ合金其持久強(qiáng)度也不相同。因此選用較純?cè)�材料，才能煉制�?yōu)質(zhì)的高溫合金。

Fig.1　Effect of Ni purity on stress rupture of
ЖC6KΠ(a)and ЖC6Φ(b) alloy

圖1　鎳的純度對(duì)ЖC6KΠ(a)和ЖC6Φ(b)合金持久強(qiáng)度的影響

2.2　合金原材料清潔處理的影響
　　煉制合金所用原材料是否清潔是極為重要的環(huán)節(jié)，由于原材料如鎳、鈷、鉻等制備方法不同，殘留在原材料上的外來(lái)物也不同。故使用金屬原材料煉制合金時(shí)必須預(yù)先進(jìn)行清潔處理。如鋁塊堿洗，鎳塊酸洗或滾砂等以除去不必要的外來(lái)雜質(zhì)。某些原材料也可以通過熔煉先期預(yù)處理以提高純度。如用某些原材料預(yù)先煉制低P低 S的中間合金，再用來(lái)煉制合金。

2.3　冶金熔煉過程中雜質(zhì)的控制
　　合理的真空感應(yīng)熔煉工藝，可以使合金中氣體和雜質(zhì)進(jìn)一步去除，如采用真空感應(yīng)爐熔煉工藝使合金中的Pb和Bi的總量降低40%。當(dāng)然，真空感應(yīng)熔煉不可能完全去除其雜質(zhì)。真空感應(yīng)熔煉通過蒸發(fā)排除熔融合金中具有較高蒸汽壓的有色金屬雜質(zhì)。因?yàn)楫?dāng)熔融合金中雜質(zhì)減少到一定濃度，即低于臨界濃度時(shí)，則融熔合金表面雜質(zhì)氣體的壓力將低于爐內(nèi)真空度，雜質(zhì)在此熔煉的熱力學(xué)條件下停止蒸發(fā)，圖2表明真空條件下融熔合金表面雜質(zhì)蒸發(fā)條件。

Fig.2　Vapor condition of melt alloy surface impurity

圖2　真空條件下熔融合金表面雜質(zhì)蒸發(fā)條件

　　合金中氣體也是由熔煉所用的原材料帶入的，析氣質(zhì)譜研究以及熔煉時(shí)氣體成分和分壓的研究表明：在爐子氣氛中氫和水蒸氣的分壓均超過爐內(nèi)氣氛的成分，達(dá)總量的90%。所以水蒸氣和氫氧峰值強(qiáng)度的增加與爐料完全融化攪拌和添加碳時(shí)析氣強(qiáng)度的增加相符。而在加入Ti，Al這些元素和攪拌時(shí)特別強(qiáng)烈。所以添加合金元素進(jìn)行電磁攪拌時(shí)有利于氣體的析出。但氮的析出強(qiáng)度不大。氧在碳脫氧反應(yīng)中去除，真空感應(yīng)熔煉有利于C-O反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)加快合金中脫氧。俄國(guó)對(duì) ЖC26-BИ合金的實(shí)驗(yàn)，提高含碳融熔合金的溫度，即從1500～1550℃提高到1600℃，使ЖC26-BИ合金中氧濃度降低50%，強(qiáng)烈攪拌也有利于氣體的析出。
　　氮?jiǎng)恿�學(xué)研究表明，真空感應(yīng)熔煉中溶化時(shí)可排除隨爐料加入的50%的氮，在真空熔融合金的高溫精煉的影響較大。在真空下合金中碳有較大的活性，與氧化硅、氧化鈉、氧化鉀等易還原的陶瓷發(fā)生強(qiáng)烈的作用，導(dǎo)致這些元素在融熔合金中積聚。采用在真空中高溫等溫保溫，可有效地排除融熔合金中Na，K。高溫等溫保溫時(shí)，可增強(qiáng)呈復(fù)雜化合物形式的這些元素的蒸發(fā)過程，例如在合金熔體中鉻的損失，Pb，Bi等元素的蒸發(fā)。
　　在真空感應(yīng)熔煉采用爐渣混料是排除硫的有效方法。而且隨著爐渣堿度提高，除硫效果也增強(qiáng)，在容積10kg真空感應(yīng)爐中用不同堿度即不同CaO含量的爐渣混料煉制ЖC26-BИ合金時(shí)，合金中硫濃度隨之變化。

2.4　提高母合金錠表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量
　　母合金錠表面和內(nèi)部質(zhì)量控制主要是對(duì)母合金錠表面狀態(tài)嚴(yán)格檢查，同時(shí)，切取料錠進(jìn)行熔渣檢驗(yàn)。按美國(guó)、英國(guó)著名航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的標(biāo)準(zhǔn)，母合金錠不允許有一次縮孔和二次縮孔不得大于9mm(有的公司規(guī)定二次縮孔也必須切除)。在切除一次縮孔和二次縮孔時(shí)，不允許一次切斷，應(yīng)沿圓周切，中心部位用沖擊錘沖斷以避免切割時(shí)砂輪的砂粒進(jìn)入縮孔中，污染合金。錠子表面磨光，不允許有黑皮和黑斑。
　　料錠須經(jīng)過熔渣檢查，目前有兩種方法：一是按R.R.公司的方法切取爐料，再真空感應(yīng)爐中重熔，在1480℃下應(yīng)見熔池表面的浮渣量，并不得超過總表面（熔池液面）的1%～2%；否則須再處理。另一種是用電子束爐進(jìn)行EB鈕扣試驗(yàn)，檢查熔渣面積。因此為確保鑄錠內(nèi)部質(zhì)量，一般都采用保溫帽口，擋渣過濾澆注，以減少鑄錠中的夾雜。我國(guó)目前在母合金錠技術(shù)條件中也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，且制定了適合我國(guó)的航標(biāo)浮渣檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)HB5406—88。但執(zhí)行情況不佳，因此對(duì)錠子質(zhì)量要求有所放松。

2.5　返回爐料的合理使用
　　鑄造高溫合金由于含有較多貴重金屬元素，所以返回料的使用問題是函待解決的普遍問題。雖然不同合金返回料的使用和熔煉工藝有所區(qū)別，但一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)國(guó)外許多公司的試驗(yàn)結(jié)果，返回料使用比例在50%～80%范圍。
　　返回料使用中最為關(guān)鍵的是氮濃度增高。鑄造合金返回料中的氮基本上是鑄造階段帶入的，一般集中在鑄件表面上。研究表明：在澆口表面深度在400μm處氮含量大于0.01。因此在返回料熔煉時(shí)，必須注意爐料表面的清潔處理，一般用滾筒滾砂，由于滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)塊料互相碰撞磨擦達(dá)4.5h，使其表面清潔后再入爐熔煉。
　　返回料和新料配制工藝，一般是先將返回料在真空重熔成錠，化學(xué)成分合格后再按比例 與新料錠重熔澆注成母合金錠。同樣應(yīng)成分合格，性能合格，氣體和雜質(zhì)符合要求后作爐料使用。一般要求返回料錠中N₂, O₂含量為(5～10)×10^－6; H₂(1～2)×10^－6。

2.6　改善鑄造條件，減少鑄錠過程中的雜質(zhì)
　　純潔的母合金料在精練零件中，由于坩堝和殼型材料，型芯材料的污染也會(huì)影響到合金的純潔度，影響鑄件合格率。定向、單晶空心葉片，合金液在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，較高溫度下順序凝固易與殼型、型芯材料作用而污染合金。因此在精鑄零件時(shí)應(yīng)特別注意熔煉坩堝、型芯、殼型的質(zhì)量。就坩堝而言，一般使用等靜壓氧化鎂預(yù)成型坩堝，當(dāng)然在國(guó)外曾用Al₂O₃，ZrO₂坩堝，其價(jià)格相對(duì)貴些。由于有豐富的資源，我國(guó)廣泛使用氧化鎂坩堝。使用時(shí)應(yīng)注意避免合金錠與坩堝的機(jī)械碰傷。國(guó)外一些工廠在進(jìn)行二次重熔澆注零件前，料塊必須100%倒角后才能入爐重熔。一般一個(gè)預(yù)制坩堝使用10次，10爐后合金中雜質(zhì)含量增加。重要零件規(guī)定控制坩堝使用的最大壽命為5次。殼型強(qiáng)度，尤其是內(nèi)表面一二層質(zhì)量直接影響到鑄件質(zhì)量，由于殼型內(nèi)表面一二層質(zhì)量不好，鑄件合格率僅為35%，經(jīng)過工藝改進(jìn)后，提高了殼型內(nèi)表面的光潔度和一、二層強(qiáng)度，鑄件合格率提高到55%。應(yīng)該說(shuō)影響精鑄零件的質(zhì)量因素很多。由于無(wú)余量精鑄過程較為復(fù)雜，尤其是空心葉片，應(yīng)從各工序采取有效措施防止可能產(chǎn)生的雜質(zhì)污染合金。
3　先進(jìn)的熔鑄技術(shù)
　　目前正在采用一種新的熔鑄技術(shù)，這就是冷壁坩堝熔鑄。由于采用常規(guī)的方法熔鑄高溫合金時(shí)將受到熔煉坩堝耐火材料的污染，即使使用的母合金純潔度很高，在高溫下易與陶瓷發(fā)生反應(yīng)而污染合金。這降低了合金鑄件的純潔度，影響鑄件合格率。因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外采用冷壁坩堝熔鑄合金，如采用冷壁坩堝熔鑄定向、單晶合金零件。據(jù)報(bào)道，一種適用于高溫合金的冷壁坩堝熔鑄爐ISP2/IICC是較為先進(jìn)的容量較大的冷壁坩堝爐。由于冷壁坩堝熔煉爐造價(jià)昂貴，一般用于高純單晶定向合金澆注零件。