径、切双向复合剪切流优化镍钨合金铸态组织性能的方法

本发明涉及镍钨合金铸造，特别是指一种径、切双向复合剪切流优化镍钨合金铸态组织性能的方法。

背景技术：

1、钨重合金因其密度大、机械强度高、切削性能好、抗腐蚀性能好、经济性能好等特点，被广泛地用于航空航天、军事、核能等领域。比如niw750合金，作为新型高密度合金，具有相对高密度、高强性、优异的冲击韧性及良好的动态性能，但不容忽视的是，由于w含量过高会引起其在锻造加工过程中容易开裂[文章一：cai w d , li y , dowding r j, etal. a review of tungsten-based alloys as kinetic energy penetrator materials.reviews in particulate materials 3,71-131(1995).]。

2、传统合金铸造过程中形成典型的三晶区，主要包括表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区，晶粒尺寸粗大且分布不均匀[文章二：j. hu et al. grain boundarystability governs hardening and softening in extremely fine nanograinedmetals. science 355,1292-1296(2017).]，诱发合金铸锭缺陷的形成以及性能的不均匀，不利于铸坯后期锻造过程中的协调变形。其中，三晶区的形成是由熔体凝固过程中温度梯度的存在引起的[文章三：n. balasubramani et al. a review of the origin ofequiaxed grains during solidification under mechanical stirring, vibration,electromagnetic, electric-current, and ultrasonic treatments. journal ofmaterials science & technology 144,243-265(2023).]。对于镍钨合金，由于元素分布的不均匀往往引起粗大的高钨含量化合物在合金铸造过程中不均匀析出[文章四：李明宇,杨树峰,刘威,等.真空自耗熔炼钛合金的偏析缺陷及控制研究进展[j].中国冶金,2023,33(09):1-10+18.]。这种粗大金属间化合物相增大了后续均质化和固溶处理过程中重溶的难度，不利于时效阶段ni4w第二相的高密度析出，降低了纳米弥散强韧化效果，更为关键的是，未能充分溶解的微米级和亚微米级的粗大高钨含量化合物相（尤其是晶界处偏聚的粗大相）易加剧微裂纹的萌生和扩展，对材料塑性的恶化尤为明显[文章五：ke hu,xiaoqiang li, mo guan, shengguan qu, xinyu yang, et al. dynamic deformationbehavior of 93w-5.6ni-1.4fe heavy alloy prepared by spark plasmasintering.international journal of refractory metals & hard materials 58,117-124(2016).]。因此，传统铸造条件所导致的凝固组织（晶粒和高钨含量化合物第二相）粗大、铸造缺陷多、成分组织不均匀等瓶颈问题严重限制了镍钨合金的变形加工能力和终态性能[文章六：王镐,李成刚.真空自耗电弧炉熔炼钛锭偏析缺陷的分析与改进[j].钛工业进展,2000(4):16-18.]。

3、为解决上述问题，本发明提出了基于剪切流铸造技术的高品质镍钨合金铸锭制备新思路，通过施加径、切双向复合剪切流场优化镍钨合金凝固组织结构和力学性能，解决铸态镍钨合金组织粗大不均匀、溶质偏析严重、铸造缺陷多等问题，为合金铸态组织优化、协调变形能力提高和终态性能提升提供技术支撑。

技术实现思路

1、为了解决现有上述技术问题，本发明实施例提供了一种径、切双向复合剪切流优化镍钨合金铸态组织性能的方法。该方法能够优化镍钨合金铸态组织、减弱偏析。该方法是在合金熔体凝固过程中施加径、切双向复合剪切流场来减小三晶区的形成，使组织更加的均匀，晶粒更加细小，减弱偏析，减少晶界处的粗大相的一种铸造技术。

2、一种径、切双向复合剪切流优化镍钨合金铸态组织性能的方法，所述方法包括：

3、s1、在真空感应熔炼炉内放置氧化镁坩埚，烘烤预热，并用纯镍熔化的熔体清洗坩埚、浇道和铸型；

4、s2、取原料，按比例称重配料，放入清洗好的氧化镁坩埚中；

5、s3、将真空感应熔炼炉抽成真空状态并缓慢升温，观察原料的熔化状态，通过控制真空感应熔炼炉的功率，保持电磁搅拌；

6、s4、当原料全部熔清后，将全部熔清的熔体浇注到能够同时发生自转和公转的已提前预热好的铸型中，且所述铸型位于复合剪切流装置中；

7、s5、通电使复合剪切流装置按照设定的转速比转动，使铸型中的熔体形成径向和切向的复合流场，其中径向为横截面上的直径方向，切向为横截面上的圆周方向，熔体在双向复合剪切流作用下降温，直至镍钨合金完全凝固后取出。

8、所述步骤s1中烘烤预热温度为200～400℃，时间为3小时；预热过程是为了将坩埚内的水汽等蒸发性物质清除，防止在熔炼过程中蒸发而影响炉内的真空度，确保真空度维持稳定。

9、所述步骤s3中升温速率为800℃/h，升温时真空感应熔炼炉功率为10~20kw，真空感应熔炼炉内升温至1500℃-1600℃。

10、所述步骤s3中原料全部熔化期间保持5pa以下的真空度，且步骤s3中达到目标温度后保温时，真空感应熔炼炉功率为30kw。将真空感应熔炼炉抽成真空状态是为了防止原料在熔化的过程中与空气接触而被氧化，保证炉内的纯净度；一直保持电磁搅拌是为了使熔体充分流动混合，确保了熔体中合金元素的均匀性。

11、所述步骤s4中铸型预热至200～400℃。

12、所述步骤s4中铸型嵌入电驱动自转的容器，自转容器安放在公转转盘上，且自转容器和铸型之间装填耐火保温材料。耐火保温材料确保倒入的熔体不会产生较大的过冷度，防止熔体凝固太快。

13、所述步骤s5中公转与自转的转速比为6:10。不同合金熔体的转速比有一定的出入，可通过调控剪切流量以及控制剪切流的方向和分布来调控材料的组织性能。通过实验或模拟方法可以优化剪切的流量参数，从而确定最佳的剪切流量范围；剪切流量过小，可能无法有效细化晶粒；剪切流量过大，可能导致材料过度变形或产生其他不良效果。通过控制剪切流的方向和分布可以确保剪切流在整个材料或铸件中均匀分布，避免局部区域剪切流过大或过小；调整剪切流的方向，使其与材料的纹理或晶粒生长方向相适应，以提高晶粒细化的效果。复合剪切流铸造可以与其他细化晶粒的方法相结合，如热处理、添加微合金元素等，这些方法可以达到进一步提高晶粒细化、改善偏析的效果，并且可以为后期的锻造过程做准备。

14、所述方法适用于niw750合金铸锭的铸造。

15、针对不同的合金，需要采用不同的铸造工艺参数，比如熔炼温度、浇注温度、铸型的转速比（公转:自转）和转动时间、铸型预热温度（影响凝固过程的过冷度）、合金类型和合金铸锭的形状尺寸（影响公转和自转过程中引起的流场状态）。在复合剪切流施加阶段需要控制其参数稳定，确保熔体的流动过程正常进行。

16、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

17、1.本发明利用径、切双向复合剪切流技术使镍钨合金铸锭的晶粒组织细化，极大的改善了组织中的偏析现象，并减少了晶界处的粗大相。首先，在真空感应熔炼的过程中保持一定的真空环境，将熔体熔化时要维持稳定的真空度，得到纯净的熔炼环境，从而得到均匀的熔体。随后将初步熔化后的熔体倒入可同时发生自转和公转的铸型中，其所引起的径、切双向复合剪切流一方面可以均匀化温度场，减小温度梯度，阻碍三晶区的形成，提高晶粒组织的均匀性；同时可以使熔体中合金元素均匀分布，避免了偏析现象的发生，即均匀浓度场，减少粗大相形成；另一方面会给予熔体剪切力的作用，使凝固过程中的粗大的柱状和等轴枝晶破碎，增加了晶核数目从而细化晶粒；晶粒细化的同时，晶粒产生的大量晶界能够分割晶界中的粗大相，从而进一步减少晶界处的粗大相。

18、2.径、切双向复合剪切流的工艺操作过程简单，成本很小的同时效果提升显著，可以制备出晶粒细小、偏析弱化且粗大相减少的镍钨合金铸锭，这种组织均匀细小、成分分布均匀的镍钨合金铸锭对于后期锻造过程中的协调变形以及终态性能提升具有重要意义。