石照夏，董建新，張麥倉

（北京科技大學高溫合金研究室，北京100083）

汽車增壓器渦輪用鑄造高溫合金熱裂研究進展

石照夏，董建新，張麥倉

（北京科技大學高溫合金研究室，北京100083）

采用高溫合金澆注汽車增壓器渦輪時，葉片極易產(chǎn)生熱裂，熱裂的存在嚴重影響了鑄造高溫合金在增壓渦輪上的使用。介紹了幾種目前國內(nèi)廣泛使用的汽車增壓器渦輪用鑄造高溫合金，對鑄件熱裂的形成機理進行了綜述，重點探討了鋁、鈦、碳、鋯和鉿等元素對鑄造高溫合金熱裂傾向性的影響。綜述了合金凝固方式和鑄型性質、澆注條件、鑄件結構、澆注系統(tǒng)等鑄造工藝參數(shù)對熱裂的影響，并提出了防止熱裂產(chǎn)生的措施。

汽車增壓器渦輪；鑄造高溫合金；熱裂

渦輪增壓器技術在汽車工業(yè)中的廣泛應用已成為提高發(fā)動機效率、降低燃油消耗、減少廢氣排放的有效手段［1，2］。增壓渦輪工作溫度高，轉速高，葉片上受到多種交變應力的作用，因此要求渦輪材料具有較好的高溫力學性能、屈服點和長期組織穩(wěn)定性以及良好的鑄造性能［3］。鑄造高溫合金因具有足夠的熱強性、熱穩(wěn)定性和良好的抗機械疲勞、熱疲勞性能等優(yōu)點，被大量用于制作汽車增壓器渦輪。然而增壓渦輪結構復雜，葉片截面變化大，有的葉稍最薄處甚至僅為0.3mm，因此采用鑄造高溫合金澆注渦輪時，葉片極易產(chǎn)生熱裂，這成為發(fā)展汽車渦輪增壓技術進程中亟待解決的問題之一。

由于鑄造高溫合金的結晶溫度范圍大，線收縮率大（2.0%～3.0%），其熱裂傾向也較大，嚴重時導致鑄造渦輪葉片毛坯報廢率達20%［4］。熱裂問題的存在始終制約著鑄件產(chǎn)品質量的提高，并嚴重影響到產(chǎn)品的安全使用性能，是科研工作者長期以來致力研究的熱點。同時，鑄造高溫合金鑄件向輕、薄、形狀復雜的方向發(fā)展，對減小鑄件的熱裂傾向提出了更高要求［5－8］。有關熱裂形成原因及防止措施的經(jīng)驗和成果在實際生產(chǎn)中已經(jīng)得到了應用，但迄今為止，在實際生產(chǎn)中鑄件的熱裂問題仍未得到徹底解決。

本文介紹了目前國內(nèi)用于制造汽車增壓器渦輪的鑄造高溫合金，通過綜述熱裂形成機理和影響因素等內(nèi)容，反映這方面的研究進展，并提出了防止熱裂產(chǎn)生的措施，詳細介紹了鑄造高溫合金熱裂的研究現(xiàn)狀，以期為解決汽車增壓器渦輪用高溫合金的熱裂問題提供參考。

1 汽車增壓渦輪用鑄造高溫合金簡介

為滿足不同工況條件對材料的要求，世界各國開發(fā)了多種增壓渦輪用高溫合金材料。目前國內(nèi)大量使用的增壓渦輪材料是自行研制的K213，K418，K419和K4002等鑄造高溫合金，國外用于增壓渦輪的材料有Inconel713C，GMR235，MAR－M247，MAR－M246，X40等［3］。表1和表2分別列舉了國內(nèi)增壓器渦輪用鑄造高溫合金的化學成分和主要用途［3，9］。

表1 國內(nèi)增壓器渦輪用鑄造高溫合金的化學成分Table 1 Chemical compositions of cast superalloys used in turbocharger turbine wheel in domestic

表2 國內(nèi)增壓器渦輪用鑄造高溫合金的主要用途Table 2 Application of cast superalloys used in turbocharger turbine wheel in domestic

K213合金是一種Fe－Ni－Cr基鑄造高溫合金，含Ni少，不含Co，主要通過加入Al，Ti形成γ′沉淀強化相，同時加入一定量的W進行固溶強化，微量的B進行晶界強化，少量的C形成碳化物起一定強化作用。該合金具有良好的鑄造工藝性能。

K418合金是一種不含Co的鎳基鑄造高溫合金，在γ基體上彌散分布γ′沉淀相，它是合金的主要強化相，約占合金總質量的55%（質量分數(shù)）。在晶界和枝晶間有（γ＋γ′）共晶相，約占合金體積的2%，MC型碳化物占合金總質量的1%左右。另有極少量的M3B2硼化物。K418合金比重輕，具有良好的綜合性能、長期組織穩(wěn)定性和鑄造工藝性能。

K419是高W低Cr型鎳基鑄造高溫合金，含有較多的γ′相形成元素Al，Ti，Nb等，并含有較高的B，合金在鑄態(tài)下使用。合金具有高溫強度高、綜合性能好、組織穩(wěn)定、鑄造工藝性能好等特點。其顯微組織特征是，γ基體上有彌散分布的γ′相沉淀，在晶界和枝晶間有占合金體積6%～7%的（γ＋γ′）共晶相，有塊狀和條狀MC型碳化物及肋骨狀的M3B2硼化物。

K4002是一種新型高強度鎳基鑄造合金。該合金含有較多的W和一定量的Ta和Hf，因而具有高溫強度高，抗熱腐蝕性能好、組織穩(wěn)定等特點，特別是在中溫下兼有高的強度和韌性。零件性能與試棒性能較接近，鑄造性能好。鑄態(tài)相組成有γ，γ′，（γ＋γ′）共晶、MC碳化物、M3B2硼化物以及微量的碳硫化物，M6C碳化物等。

2 鑄件的熱裂機理

熱裂是在非平衡的線收縮開始溫度到非平衡的固相線溫度范圍內(nèi)形成的，此時合金處于固液兩相區(qū)內(nèi)，該區(qū)間被稱為“有效結晶溫度區(qū)間”或“有效結晶溫度范圍”。圖1為采用熔模精鑄的某型號K418合金汽車增壓器渦輪的外形，圖2箭頭所指部位即為澆注后在渦輪葉片上產(chǎn)生的熱裂紋。從渦輪葉片上取樣、磨光、侵蝕后在顯微鏡下觀察裂紋，發(fā)現(xiàn)此裂紋為扭曲的、走向不規(guī)則的晶間裂紋，如圖3所示。

過去幾十年中，已有大量針對鑄件熱裂行為的研究［10－12］，科研工作者在大量研究的基礎上，已提出強度理論、液膜理論、形成功理論、凝固收縮補償理論、晶間搭橋理論等幾種不同的理論來闡述鑄件熱裂的形成機理［13－16］。雖然這幾種理論在解釋熱裂產(chǎn)生的細節(jié)上有所不同，但其實際的力學本質是一致的，即在有效結晶溫度范圍內(nèi)，當鑄件中薄弱環(huán)節(jié)（如熱節(jié)中的脆性區(qū)或液膜等）的收縮應力或者塑性變形超過某一臨界值時就會導致熱裂的產(chǎn)生。此處僅詳細介紹應用較為廣泛的強度理論和液膜理論。

強度理論［6，17］認為，鑄件在凝固末期時結晶骨架已經(jīng)形成，此時合金本身處于“脆性”階段。當溫度下降合金收縮時，由于鑄件固態(tài)線收縮受阻，鑄件局部形成收縮應力及塑性變形。若收縮應力或塑性變形超過合金在該溫度下的強度極限和伸長率，鑄件即發(fā)生熱裂。在有效結晶溫度內(nèi)，合金強度越低，線收縮率越大，則越易形成熱裂。

液膜理論［18］認為，凝固末期晶體周圍少量未凝固的液體構成一層液膜，此液膜的存在是導致熱裂的根本原因。隨著溫度接近固相線，液膜逐漸變薄，鑄件全部凝固時液膜消失。在液膜由厚變薄直到消失的液膜期內(nèi)，如果鑄件收縮受阻，晶體周圍的液膜就會受到拉應力，應力足夠大時，液膜被拉長。當應力超過一定限度，晶間就產(chǎn)生裂縫，由于此時鑄件凝固區(qū)域中其他部分晶粒間液相不可能填補這種裂縫，就形成了熱裂。

3 合金元素對熱裂的影響

合金在熱裂形成的溫度范圍內(nèi)凡能影響合金線收縮、收縮阻力、合金強度和塑性的因素，都將對合金熱裂傾向產(chǎn)生影響［18］。合金的有效結晶溫度范圍越大，鑄件形成熱裂的傾向越大，因此凡能擴大有效結晶溫度范圍、削弱合金高溫強度與伸長率的因素都會促進熱裂。多年以來，從事合金研究的人員總是習慣于通過調(diào)整鑄造工藝參數(shù)來減少熱裂，然而可鑄性差的合金很難通過工藝調(diào)整完全消除熱裂。長期的研究結果表明合金成分的微調(diào)都可有效避免熱裂，因此，研究某些合金元素對鑄造高溫合金凝固行為的影響，對減小鑄造高溫合金的熱裂傾向很有幫助［16，19］。

3.1 Al，Ti元素對熱裂的影響

眾所周知，增加鑄造高溫合金中γ′含量可以有效提高鑄造高溫合金的耐溫能力，而增加Al，Ti含量是提高鑄造高溫合金中γ′含量的有效途徑，但在鑄造高溫合金研制過程中，曾出現(xiàn)Al，Ti含量的微量變化導致鑄件出現(xiàn)熱裂的問題。

范映偉等［20］為了探明高Al定向凝固柱晶鑄造高溫合金IC10鑄造渦輪導向葉片時開裂的原因，對兩種不同Al含量的IC10合金進行了凝固特性研究。研究發(fā)現(xiàn)，當Al含量提高了0.4%以后，由于高Al合金的γ′形成因子∑（Al＋Ti＋Nb＋Hf＋V＋Zr＋Ta＋0.5W）較高，合金中（γ＋γ′）共晶的析出溫度提高了20℃。合金Al含量提高后，枝晶間（γ＋γ′）共晶的大量析出，使液相流動的通路被堵塞，較早失去了補縮能力。由于合金中存在大量不可補縮的液相區(qū)，導致強度和塑性變差，在澆鑄截面復雜的空心導向渦輪葉片時，如果凝固造成的熱應力超過合金在此溫度下的強度，就容易產(chǎn)生開裂。王艷麗等［21］的研究表明，IC10合金中的Al含量提高后，盡管微觀組織無明顯變化，但由于合金熔化溫度范圍擴大，熱裂傾向性增大。

鑄造高溫合金中的沉淀強化元素Ti屬于強正偏析元素，在凝固過程中強烈偏析于液相，因此對合金的熱裂傾向影響很大。對Ti含量不同的定向凝固鎳基鑄造高溫合金IN792的熱裂行為研究表明［22］，降低合金的Ti含量后，鑄件的熱裂傾向明顯降低。在楊政等［21，23］的研究中同樣發(fā)現(xiàn)由于鑄造高溫合金中的Ti元素含量偏高，提高了合金的有效結晶溫度上限，擴大了有效結晶溫度區(qū)間，導致合金在凝固過程中出現(xiàn)熱裂的傾向增加。

由此可知，通過降低合金中Al，Ti元素的含量，從而縮小鑄造高溫合金的有效結晶溫度區(qū)間，是解決定向空心葉片熱裂的有效手段之一。

3.2 微量合金元素對熱裂的影響

由于微量合金化調(diào)整對降低合金熱裂傾向所起的作用顯著，研究某些微量元素對鑄造高溫合金凝固過程的影響對于評定鑄造高溫合金的熱裂傾向很有幫助。

Y.Z.Zhou［24］分析了C對鎳基鑄造高溫合金CMSX－4熱裂傾向的影響。結果表明，添加微量C以后，CMSX－4合金的熱裂傾向降低。這是由于添加C以后，碳化物的析出使（γ＋γ′）共晶的數(shù)量和分布發(fā)生改變。C不僅降低了合金的液相線溫度，同時降低了（γ＋γ′）共晶析出溫度以及（γ＋γ′）共晶的體積分數(shù)［25］。熱裂與連續(xù)共晶的形成有關。當共晶形成于枝晶間的孤立液池中時，合金中避免了連續(xù)共晶的形成，枝晶臂的搭接使固相骨架的強度提高，從而降低了合金的熱裂傾向。

J.Zhang［26］的研究結果表明，控制適當?shù)腡i/Ta比可以顯著提高IN792的可鑄性。這是由于適當?shù)腡i/Ta比可以提高凝固末期剩余液相的凝固溫度，從而降低了枝晶間液膜形成的可能性，使熱裂傾向降低。

Zr對鑄造高溫合金熱裂敏感性的影響較為復雜。去除合金中的Zr或合金中Zr含量高于1%時，DZ3鑄造高溫合金的熱裂傾向都會可以顯著減低［27］。Zr元素含量增加，促成共晶形成，使合金熔化溫度范圍增大，增加合金熱裂傾向性［21］。鄭運榮［4］的研究也表明，去除K403中的Zr可以使合金的抗熱裂性能明顯提高。J.Zhang［28］通過研究Zr和B對定向凝固鎳基鑄造高溫合金IN792熱裂傾向的影響，發(fā)現(xiàn)向合金中單獨加入Zr或B都不影響合金的可鑄性，但當同時加入Zr和B以后，合金的熱裂傾向增加，且這一影響當加入Zr含量高時更為顯著。

Hf作為鑄造高溫合金中的微量添加元素，其對合金的熱裂也有一定影響。元素Hf不僅縮小了枝晶間失去毛細管補縮能力和固相線之間的溫度范圍，還降低了枝晶間液池溝通所需的液體量。在凝固后期枝晶間的富Hf熔體具有很好的流動性、浸潤性和趨膚效應，這些有利因素都有利于降低合金的熱裂傾向［29］。據(jù)王艷麗等［21］的研究結果，降低Hf含量使得合金熔化溫度范圍變小，合金的鑄造性能提高；增加Hf含量使得熔化溫度范圍增大，但由于富Hf熔體流動性好，液相能滲透過枝晶間隙補縮，故Hf含量提高也不會影響合金的鑄造性能。

4 凝固方式對熱裂的影響

熱裂是合金在凝固過程中收縮受到外界阻礙而產(chǎn)生的一種晶界缺陷，因此其形成與合金凝固過程的自身特點密切相關。根據(jù)鑄件凝固時期液固并存時不同的組織結構形式，可將鑄件的凝固方式分為逐層凝固、糊狀凝固及中間凝固三種。

當鑄造合金的凝固方式為逐層凝固時，金屬液澆入鑄型后，結晶從鑄型型壁開始，在型壁上形成凝固層，產(chǎn)生凝固前沿，即固、液界面。隨著液相不斷降溫，凝固前沿逐層向鑄件中心推進。逐層凝固方式具有良好的補縮特性，凝固時由于收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時，其他晶粒間的液相能實現(xiàn)滲流流動來填補裂紋，使裂紋愈合，所以熱裂傾向較小。

當鑄造合金的凝固方式為糊狀凝固時，晶體在熔液內(nèi)部形核和生長，易發(fā)展成樹枝發(fā)達的等軸晶，晶粒在型腔金屬液整個容積內(nèi)生長?？拷捅诘木Я＜?，鑄件中心的粗。由于此時固相與液相的混合體猶如糊粥，謂之糊狀凝固方式。隨著凝固的進行，固相與液相的混合體很快就形成結晶骨架。由于糊狀凝固時無補縮通道，使鑄件的補縮特性變差。結晶骨架的形成，使固態(tài)線收縮提早開始，出現(xiàn)晶間裂紋時得不到熔液的補充，所以熱裂傾向較大［30］。

5 鑄造工藝參數(shù)對熱裂的影響

在鑄件生產(chǎn)中，鑄件熱裂的形成還受到鑄造工藝參數(shù)如鑄型性質、澆注條件、鑄件結構和澆注系統(tǒng)設計等因素的影響。

5.1 鑄型性質

鑄件凝固收縮時受到鑄型的阻力，阻力越大，鑄件內(nèi)產(chǎn)生的收縮應力越大，鑄件越容易開裂。因此，為使鑄件凝固外殼能自由線收縮，減小外殼中的收縮應力，造型材料在鑄件凝固時期的溫度下應有最低的熱強度，即具有良好的高溫退讓性［18］。

5.2 澆注條件

澆注溫度對鑄件形成熱裂的影響極為復雜。澆注溫度高時，提高了液相的流動性，降低了金屬的凝固速度，有利于非金屬夾雜物的排除，但又增加了鋼水中的氣體含量。這些因素同時影響鑄件的熱裂傾向，因此在生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件壁厚來選定澆注溫度。薄壁鑄件要求較高的澆注溫度，使凝固速率緩慢均勻，從而減少熱裂的傾向；厚壁鑄件則不宜采用過高的澆注溫度，以避免增加縮孔的容積，減緩冷卻速率，從而降低熱裂傾向［18］。

在鑄造過程中，需要綜合考慮澆注溫度和模殼溫度對鑄件質量的影響。盡管較高的澆注溫度和模殼溫度能保證合金液的充型能力，基本能消除冷隔、澆不足等鑄造缺陷，但過高的澆溫和模溫會使凝固時間增加，導致熱裂傾向增大；較低的澆溫和模溫能減少熱裂，但過低的澆溫和模溫會導致葉片充型困難［31］。此外，澆注速率對熱裂也有一定的影響。澆注薄壁件，應采用較高的澆注速率，以防止局部過熱，而厚壁件則要求澆注速率盡可能慢一些。

5.3 鑄件結構

鑄件結構是產(chǎn)生熱裂的一個重要影響因素，通常形狀復雜、薄壁長零件以及截面尺寸多變的鑄件容易產(chǎn)生熱裂。在鑄件較厚的部位、拐角處、截面厚度有突變或局部冷凝慢以及其他產(chǎn)生應力集中的地方常產(chǎn)生短而彎曲的熱裂紋。

5.4 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)作為鑄型中液態(tài)金屬流入型的通道，其設計的成功與否對鑄件質量影響很大，大約30%的鑄件廢品是由于澆注系統(tǒng)設計不當引起的。澆注系統(tǒng)的設置使金屬液集中從冒口中或經(jīng)過冒口從鑄件厚實處流向細薄處，會顯著增大熱裂傾向；澆注系統(tǒng)設置使金屬液從鑄件薄處分散引入型腔，最后進入冒口，再在冒口中補澆或點冒口等措施補救冒口金屬液溫度過低的問題，即可避免嚴重熱裂［18］。

此外，生產(chǎn)者可在生產(chǎn)之前利用計算機數(shù)值模擬技術對鑄造工藝方案及凝固過程進行模擬，可預測鑄造過程中各種鑄造缺陷，如熱裂、縮孔、氣孔、疏松等的發(fā)生情況，這不僅縮短了實驗周期，而且為制定最佳鑄造工藝方案提供了極大幫助。

6 熱裂的防止措施

通過對國內(nèi)外學者關于鑄造高溫合金熱裂的形成原因與解決措施的大量研究發(fā)現(xiàn)，解決熱裂的措施主要分為以下五類［18］：

（1）在合金成分和熔煉工藝方面，要嚴格控制合金的化學成分以防止熱裂；

（2）在造型材料方面，選擇具有良好的高溫退讓性的造型材料；

（3）在澆注工藝方面，在保證金屬液充型，不發(fā)生其他充填缺陷（冷隔、澆不到等）的前提下，應使?jié)沧囟鹊托?。對厚壁件和易產(chǎn)生熱裂的鑄件，通過提高冷卻速率來減小熱裂傾向；

（4）在鑄件結構設計方面，應盡量做到使鑄件壁厚均勻，兩壁相交的凹角應有足夠大的內(nèi)圓角半徑，避免有十字交叉的熱節(jié)等；

（5）在設置澆注系統(tǒng)方面，通過將最后凝固部位分散，或將收縮應力分散作用于各部位，或將兩者交錯開，以避免鑄件最后凝固或熱節(jié)處因線收縮受阻而產(chǎn)生拉應力，從而減小鑄件熱裂傾向。

7 結束語

熱裂的形成機理和防止措施一直備受各國鑄造高溫合金研究人員的重視，經(jīng)過科研工作者的大量努力，在減少和防止鑄造高溫合金熱裂的產(chǎn)生方面取得了一定進展，但現(xiàn)有的研究成果仍不足以解決實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的所有問題。目前廣泛使用的汽車增壓渦輪材料只能滿足950℃以下條件使用，而對于適用于更高使用溫度增壓渦輪用材的研究較少。與此同時，汽車渦輪增壓技術的迅速發(fā)展，對增壓渦輪用鑄造高溫合金的抗熱裂性能提出了更高的要求。因此，開發(fā)可滿足更高使用溫度的鑄造高溫合金、合金成分的優(yōu)化和鑄造技術的改進已成為發(fā)展高性能鑄造高溫合金鑄件的迫切要求。

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Development of Hot Tearing on Cast Superalloys Used for Auto Turbocharger Turbine Wheel

SHI Zhao－xia，DONG Jian－xin，ZHANG Mai－cang
（High Temperature Materials Research Laboratories，University of Science ＆Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Hot tearing tended to occur in the turbine wheel blade when superalloys were used for auto turbocharger turbine wheel，which affected the application of cast superalloys used in turbocharger turbine wheel.Several cast superalloys which were currently widely used in auto turbocharger turbine wheel were introduced.The hot tearing mechanisms for castings were reviewed.Effects of the elements，such as Al，Ti，C，Zr and Hf on hot tearing susceptibility of cast superalloys were emphatically analyzed.Effects of solidification mode of superalloys and casting process parameters，such as characteristics of moulds，pouring conditions，constructions of castings and pouring system on hot tearing were also reviewed.In addition，measures to prevent hot tearing were proposed.

auto turbocharger turbine wheel；cast superalloy；hot tearing

TG132.32

A

1001－4381（2012）06－0091－06

2011－03－22；

2011－07－29

石照夏（1985－），女，博士研究生，研究方向為鑄造高溫合金的性能及應用，聯(lián)系地址：北京科技大學材料科學與工程學院252信箱（100083），E－mail：zxshiustb＠163.com。