导读：采用数值模拟方法并结合试验研究了型壳材料对高温合金叶片组织和性能的影响。结果表明，无陶瓷保温棉时，氧化铝型壳铸件的冷却速率大于莫来石型壳，氧化铝型壳铸件组织及性能较优；有陶瓷保温棉时，氧化铝型壳铸件叶根处冷却速率略低于莫来石型壳铸件，叶身处冷却速率高于莫来石型壳铸件，莫来石型壳铸件叶根处组织及性能比氧化铝型壳铸件略优，叶身组织及性能比氧化铝型壳铸件略差。有陶瓷保温棉时的铸件叶根组织数值模拟结果和试验结果吻合较好。

高温透平叶片作为重型燃机最核心的热端部件之一，质量要求高，结构复杂，制造难度大，其材料一般采用镍基高温合金。基高温合金作为沉淀强化型合金，其γ’相体积分数、尺寸、形状以及共晶尺寸、碳化物形貌严重影响高温合金的强度和高温性能。陶瓷型壳通过热传导控制高温合金冷却速率，进而影响凝固相成分及组成。因此，陶瓷型壳对铸件组织及性能的影响很大。

陶瓷型壳是由粘结剂、耐火材料和附加物组成的，其中耐火材料占总质量的90%以上，对型壳的性能影响很大。硅溶胶型壳是生产精铸件的最常见方案，精铸件的品质很大程度上取决于型壳的质量。针对不同的保温棉包裹方式，研究了莫来石型壳材料和氧化铝型壳材料对IN738LC镍基铸造高温合金高温透平叶片组织及性能的影响，以期为高温透平叶片陶瓷型壳选材提供参考。

试验合金为IN738LC镍基高温合金，陶瓷型壳材料分别为莫来石和氧化铝。莫来石和氧化铝材料的密度分别为3.15、4.0 g/cm3。由两种型壳材料的热物性参数可以大概计算出，假设型壳体积相同，在型壳预热至一定温度时，氧化铝型壳整体蓄热量约为莫来石型壳整体蓄热量的1.5倍；氧化铝型壳高温段(800~1 200℃)的热传导速率约为莫来石型壳的2倍。由此可推断出，未包裹保温棉的型壳，在预热后的转运过程中，每降低1 K，氧化铝型壳所用时间约为莫来石型壳的3/4，即氧化铝型壳的冷却速率约为莫来石型壳的4/3倍，氧化铝型壳冷却更快。

1 数值模拟

（a）冷却速率（b）枝晶晶粒半径（c）二次枝晶间距

图2 无陶瓷保温棉时氧化铝型壳（左）和莫来石型壳（右）铸件冷却速率及组织分布

自叶顶到叶根，两种型壳材料的铸件冷却速率逐渐降低，枝晶晶粒半径逐渐增大，二次枝晶间距逐渐增大。这是因为铸件叶顶壁薄，蓄热量少，相同散热条件下，冷却速率更快；相反，叶根壁厚，蓄热量多，相同散热条件下，冷却速率慢。冷却速率越快，晶粒形核数越多，枝晶生长越快，晶粒尺寸越小，二次枝晶间距越小。还可以看出，氧化铝型壳的铸件冷却速率比莫来石型壳的铸件冷却速率大，越靠近叶顶，冷却速率差距越大；氧化铝型壳铸件的枝晶晶粒半径和二次枝晶间距比莫来石型壳铸件的小。由此也可推断出，无陶瓷保温棉，氧化铝型壳铸件的力学性能要优于莫来石型壳。

（a）冷却速率 （b）枝晶晶粒半径（c）二次枝晶间距

图4 有陶瓷保温棉时氧化铝型壳（左）和莫来石型壳（右）铸件冷却速率及组织分布

为了更好的比较评估铸件力学性能，从铸件自下而上（叶顶到叶根）等距离选取5点，量化研究两种型壳材料下铸件的冷却速率、枝晶晶粒半径和二次枝晶间距在铸件各部位的变化，见图5。可以看出，和无陶瓷保温棉时结果相似，整体上氧化铝型壳铸件冷却速率大于莫来石型壳铸件；氧化铝型壳铸件枝晶晶粒半径和二次枝晶间距小于莫来石型壳铸件。但是不同点在于，莫来石型壳铸件叶根部位的冷却速率稍大于氧化铝型壳铸件；莫来石型壳铸件叶根部位的枝晶晶粒半径和二次枝晶间距稍小于氧化铝型壳铸件。这说明莫来石型壳铸件叶根部位的力学性能要优于氧化铝型壳铸件的。

图6 型壳温度变化

型壳温度变化见图6。可以看出，相同时间内，莫来石型壳叶根处温度增加值为181 K，叶身温度增加值为105 K；氧化铝型壳叶根处温度增加值为168 K，叶身温度增加值为101 K。根据图2，两种型壳材料的比热容在1 200 ℃时比为1.2：1.3，由此可推断出，铸件叶根处型壳蓄热量的比值约为1，而叶身处约为1.04。说明两种型壳材料的叶根处型壳吸收铸件的热量几乎相等，而在叶身处氧化铝型壳吸收铸件的热量大于莫来石型壳。根据前文所述，莫来石型壳叶根处和氧化铝型壳叶根处温度差达到13 K，在同样的蓄热量下，莫来石型壳铸件叶根处通过陶瓷保温棉热传导量大，冷却速率快，此时型壳保温棉温度差是制约铸件叶根冷却的主要方式；莫来石型壳铸件叶身处和氧化铝型壳铸件叶身处温度差仅为4 K，型壳保温棉间热量传导速率小于型壳从铸件的吸热速率，导致氧化铝型壳冷却速率快，此时型壳比热是制约铸件叶身冷却的主要方式。

3 试验验证

（a）氧化铝，低倍 （b）氧化铝，高倍

（c）莫来石，低倍 （d）莫来石，高倍

图8 两种型壳材料金相组织

对室温拉伸试样的螺纹端部进行取样分析，结果见图8。可以看出，氧化铝型壳和莫来石型壳铸件的叶根处二次枝晶臂间距，碳化物和γ’相尺寸、形貌相差不大，也间接证明了数值模拟结果的相对准确性。

对比有陶瓷保温棉的数值模拟结果，可以看出模拟数据和试验数据均表明，莫来石型壳叶根处的性能略优于氧化铝型壳，模拟数据和试验数据比较吻合。

总结：无陶瓷保温棉时，氧化铝型壳铸件的冷却速率大于莫来石型壳，此时氧化铝型壳铸件的组织较优。有陶瓷保温棉时，氧化铝型壳铸件叶根处冷却速率略低于莫来石型壳，而叶身处冷却速率却高于莫来石型壳，此时莫来石型壳叶根处组织略优于氧化铝型壳，叶身组织略差于氧化铝型壳。无陶瓷保温棉时，型壳热导率是制约铸件冷却的主要方式；有陶瓷保温棉时，型壳比热和型壳保温棉间温度差是制约铸件冷却的主要方式。有陶瓷保温棉时的叶根组织及性能的数值模拟结果和试验结果吻合较好。

来源：李海松，张琼元，伍林，等. 型壳材料对高温合金叶片组织和性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2021，41（1）：103-107.