CN104561664A - 一种新型镍铁基高温合金gh4169d的冶炼工艺 - Google Patents

一种新型镍铁基高温合金gh4169d的冶炼工艺 Download PDF

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吴贵林
潘慧君
李连鹏
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潘彦丰
张玉春
王志刚
赵长虹
杨玉军
陈庆新
朱洪涛
张晓磊
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Abstract

本发明公开一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺，目的在于在工业生产中冶炼出原材料成本较低、热加工性能较好、在高温下具有高稳定性的新型高温合金GH4169D自耗锭。冶炼工艺方案如下：在GH4169合金成分基础上降低Fe含量，调整Al、Ti含量之和以及比例，加入适当的P、B元素；采用三联（VIM+PESR+VAR）冶炼工艺，选取合适的渣料、工艺参数，控制保护气氛电渣冶炼过程中Al、Ti的烧损，得到精确的Al、Ti含量。本发明的有益效果是：提升了高温合金的冶金质量，填补650℃与750℃之间使用温度的高温合金空白；GH4169D合金兼备GH4169合金高强度，良好的热加工、焊接性能和GH4738合金使用温度高的综合性能；其性能在700℃具有长期稳定性。

Description

一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺
技术领域
本发明属于镍铁基高温合金材料领域,特别涉及一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺。
背景技术
高温合金由于具有优异的综合力学性能和抗氧化、耐腐蚀能力而成为石化、核能、航空、航天等工业领域中承受高温、腐蚀、长效载荷等恶劣使用环境关键部件不可或缺的材料。高温合金一般含有较高含量的合金元素，如Ni、Cr、Mo、W、Co等，此类合金元素大多是我国的战略合金资源，原材料价格较高；含有该类元素的合金冶炼和热加工难度很大，致使高温合金成材率低，以上是制约我国开发高稳定性高温合金的重要因素。GH4169D合金是一种新型镍基高温合金，与GH4169合金具有相同性能的同时，使用温度提高到700℃，而焊接性能远远优于GH4738合金，该合金能够填补我国最广泛应用的高温合金—650℃用GH4169和750℃用GH4738之间长期存在的空白。目前国外航空用高温合金的冶炼普遍采用三联冶炼工艺，即真空感应熔炼+保护气氛电渣重熔+真空自耗重熔;然而，保护气氛电渣重熔过程中，Al、Ti元素的烧损难以控制，渣料和冶炼参数的选择稍有不当，钢锭Al、Ti含量极易出现大的波动，甚至不合格，导致钢锭判废。
发明内容
本发明公开一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺，目的在于改进三联冶炼工艺，在工业化大生产中冶炼出原材料成本较低、热加工性能较好、在高温下具有高稳定性的新型高温合金GH4169D自耗锭。
为实现上述目的，采用以下冶炼工艺方案：
1.高温合金GH4169D的化学成分（%）应符合以下规定：
    C：0.01～0.05，Cr：17.0～21.0，Mo：2.50～3.10，Nb：5.20～5.80，Al：1.2～1.7，Ti：0.50～1.00，Co：8.0～20.0，Fe：8.0～10.0，W：0.80～1.40，B：0.003～0.008，P：0.003～0.02，S≤0.001，Si≤0.15，Ni：余量。
2.整体冶炼工艺路线为：
真空感应熔炼（VIM）→保护电渣重熔（PESR）→真空自耗重熔（VAR）Φ508mm合金铸锭。
3.具体冶炼工艺过程控制如下：
    ⑴真空感应熔炼（VIM）
锭型：Φ340mm，2000kg
原材料：采用零号Ni或一号Ni、金属Co、金属Cr、金属Ti、金属W、金属Al、金属Nb、金属Mo、B铁、P铁、低碳精钢材、碳电极；
全熔温度：1500℃～1560℃；
精炼温度：1500℃～1560℃；
出钢温度：1450℃～1500℃；
全熔期真空度：20Pa～40Pa；
精炼期真空度：小于5Pa，保持90min以上；
    ⑵保护气氛电渣重熔（PESR）
渣料：选用预熔渣，渣系及配比为CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=65%：15%：15%：5%；
熔速：控制范围（3.7～4.5）kg/min。
    ⑶真空自耗重熔（VAR）
熔速：控制范围（3.4～4.2）kg/min；
熔炼时充入氦气冷却，按照流量控制，压力氦气参考，氦气冷却开始阶段在30min内，流量从0ml/min升到120ml/min，热封顶阶段在30min内，流量从120ml/min降低到20ml/min；
浇注：Φ508mm合金铸锭。
对本技术方案的说明：
⑴合金成分设计：在GH4169合金成分基础上通过降低Fe含量，调整Al、
Ti含量之和以及比例，加入适当的P、B元素。
⑵冶炼工艺：冶炼采用三联（VIM+PESR+VAR）冶炼工艺，通过选取合适
的渣料、工艺参数，成功控制保护气氛电渣冶炼过程中Al、Ti的烧损，使Al、Ti含量得到精确控制。
    本发明的有益效果是：采用三联工艺冶炼GH4169D合金提升了高温合金的冶金质量，填补650℃与750℃之间使用温度的高温合金空白；GH4169D合金兼备GH4169合金高强度，良好的热加工、焊接性能和GH4738合金使用温度高的综合性能；其性能在700℃具有长期稳定性。
附图说明
图1是GH4169D合金Φ508mm自耗锭照片；
图2是GH4169D合金Φ508mm自耗锭锭冠纵低倍照片。
具体实施方式
实施例1
⑴真空感应熔炼
a）全熔温度：1535℃；
b）精炼温度：1535℃；
c）出钢温度：1475℃；
d）全熔期真空度：30Pa；
e）精炼期真空度：2Pa，保持90min。
感应电极化学成分如表1所示;
                            表1                         %
C S Si Cr Al Ti Nb
0.031 0.001 0.02 19.01 1.50 0.78 5.52
Mo Co Fe W B P Ni
2.83 13.83 9.15 1.22 0.0055 0.0013 余量
   ⑵保护气氛电渣重熔
渣料配比为CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=65%：15%：15%：5%；
熔速： 4.0kg/min;
电渣锭化学成分如表2所示;
                            表2                         %
钢锭部位 C S Si Al Ti
头部 0.030 0.0008 0.05 1.43 0.79
中部 0.029 0.0007 0.05 1.47 0.78
尾部 0.031 0.0008 0.05 1.46 0.78
⑶真空自耗重熔
熔速：3.8kg/min；
熔炼时充入氦气冷却，按照流量控制，压力氦气参考，氦气冷却开始阶段在30min内，流量从0ml/min升到120ml/min，热封顶阶段在30min内，流量从120ml/min降低到20ml/min；浇注：Φ508mm合金铸锭。
真空自耗重熔钢锭化学成分如表3所示;
                             表3                       %
钢锭部位 C S Si Al Ti
头部 0.031 0.0007 0.05 1.45 0.78
中部 0.030 0.0007 0.05 1.46 0.77
尾部 0.030 0.0007 0.05 1.46 0.78
钢锭成分合格，控制精确、稳定。钢锭锭表面良好，如图1所示。钢锭结晶状态良好，如图2所示。
实施例2
⑴真空感应熔炼
a）全熔温度：1540℃；
b）精炼温度：1540℃；
c）出钢温度：1480℃；
d）全熔期真空度：30Pa；
e）精炼期真空度：2Pa，保持90 min。
感应电极化学成分如表4所示;
                            表4                       %
C S Si Cr Al Ti Nb
0.028 0.001 0.03 18.91 1.53 0.75 5.49
Mo Co Fe W B P Ni
2.81 13.79 9.18 1.20 0.0060 0.0012 余量
⑵保护气氛电渣重熔
渣料配比为CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=65%：15%：15%：5%；
熔速： 3.9kg/min;
电渣锭化学成分如表所5所示;
                            表5                       %
钢锭部位 C S Si Al Ti
头部 0.029 0.0007 0.05 1.47 0.76
中部 0.028 0.0007 0.04 1.48 0.77
尾部 0.028 0.0007 0.05 1.47 0.74
⑶真空自耗重熔
熔速：3.8kg/min；
熔炼时充入氦气冷却，按照流量控制，压力氦气参考，氦气冷却开始阶段在30min内，流量从0ml/min升到120ml/min，热封顶阶段在30min内，流量从120ml/min降低到20ml/min;
真空自耗重熔钢锭化学成分如表6所示;
                            表6                      %
钢锭部位 C S Si Al Ti
头部 0.028 0.0007 0.06 1.47 0.75
中部 0.028 0.0007 0.05 1.44 0.74
尾部 0.029 0.0007 0.05 1.46 0.77
钢锭成分合格，控制精确、稳定。
实施例3
⑴真空感应熔炼
a）全熔温度：1555℃；
b）精炼温度：1560℃；
c）出钢温度：1485℃；
d）全熔期真空度：30Pa；
e）精炼期真空度：2Pa，保持90 min。
感应电极化学成分如表7所示;
                            表7                      %
C S Si Cr Al Ti Nb
0.033 0.001 0.01 19.08 1.50 0.74 5.55
Mo Co Fe W B P Ni
2.80 13.75 9.20 1.21 0.0060 0.0013 余量
⑵保护气氛电渣重熔
渣料配比为CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=65%：15%：15%：5%；
熔速： 3.9kg/min。
电渣锭化学成分如表8所示;
                            表8                     %
钢锭部位 C S Si Al Ti
头部 0.032 0.0008 0.04 1.45 0.75
中部 0.031 0.0008 0.04 1.44 0.75
尾部 0.033 0.0008 0.04 1.44 0.74
⑶真空自耗重熔
熔速：3.7kg/min；
熔炼时充入氦气冷却，按照流量控制，压力氦气参考，氦气冷却开始阶段在30min内，流量从0ml/min升到120ml/min，热封顶阶段在30min内，流量从120ml/min降低到20ml/min。
真空自耗重熔钢锭化学成分如表9所示;
                            表9                    %
钢锭部位 C S Si Al Ti
头部 0.031 0.0007 0.04 1.43 0.74
中部 0.031 0.0007 0.04 1.45 0.73
尾部 0.032 0.0007 0.05 1.42 0.74
钢锭成分合格，控制精确、稳定。

Claims (4)

1.一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺，其特征在于：所述冶
炼工艺在GH4169合金成分基础上通过降低Fe含量，调整Al、Ti含量之和以及比例，加入适当的P、B元素；冶炼采用三联冶炼工艺，通过选取合适的渣料、工艺参数，成功控制保护气氛电渣冶炼过程中Al、Ti的烧损，使Al、Ti含量得到精确控制；
所述高温合金GH4169D的化学成分（%）如下：
    C：0.01～0.05，Cr：17.0～21.0，Mo：2.50～3.10，Nb：5.20～5.80，Al：1.2～1.7，Ti：0.50～1.00，Co：8.0～20.0，Fe：8.0～10.0，W：0.80～1.40，B：0.003～0.008，P：0.003～0.02，S≤0.001，Si≤0.15，Ni：余量;
所述三联冶炼工艺为真空感应熔炼（VIM）→保护电渣重熔（PESR）→真空自耗重熔（VAR）Φ508mm合金铸锭；
所述真空感应熔炼
锭型：Φ340mm，2000kg
原材料：采用零号Ni或一号Ni、金属Co、金属Cr、金属Ti、金属W、金属Al、金属Nb、金属Mo、B铁、P铁、低碳精钢材、碳电极；
全熔温度：1500℃～1560℃；
精炼温度：1500℃～1560℃；
出钢温度：1450℃～1500℃；
全熔期真空度：20Pa～40Pa；
精炼期真空度：小于5Pa，保持90min以上；
 所述保护气氛电渣重熔
渣料：选用预熔渣，渣系及配比为CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=65%：15%：15%：5%；
熔速：控制范围（3.7～4.5）kg/min；
 所述真空自耗重熔
熔速：控制范围（3.4～4.2）kg/min；
熔炼时充入氦气冷却，按照流量控制，压力氦气参考，氦气冷却开始阶段在30min内，流量从0ml/min升到120ml/min，热封顶阶段在30min内，流量从120ml/min降低到20ml/min；
浇注：Φ508mm合金铸锭。
2. 根据权利要求1所述一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺，其特征在于：
所述真空感应熔炼
全熔温度：1535℃；
精炼温度：1535℃；
出钢温度：1475℃；
全熔期真空度：30Pa；
精炼期真空度：2Pa，保持90min；
感应电极化学成分如表1所示；
      表1                               %
所述保护气氛电渣重熔
熔速：4.0kg/min；
电渣锭化学成分如表2所示；
                            表2                         %
 所述真空自耗重熔
熔速：3.8kg/min；
真空自耗重熔钢锭化学成分如表3所示；
                             表3                       %
钢锭锭表面良好，钢锭结晶状态良好。
3. 根据权利要求1所述一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺，其特征在于：
所述真空感应熔炼
全熔温度：1540℃；
精炼温度：1540℃；
出钢温度：1480℃；
全熔期真空度：30Pa；
精炼期真空度：2Pa，保持90分钟；
感应电极化学成分如表4所示；
                            表4                       %
所述保护气氛电渣重熔
熔速： 3.9kg/min；
电渣锭化学成分如表所5所示；
                            表5                       %
所述真空自耗重熔
熔速：3.8kg/min；
真空自耗重熔钢锭化学成分如表6所示；
                            表6                      %
钢锭成分合格，控制精确、稳定。
4. 根据权利要求1所述一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺，其特征在于：
所述真空感应熔炼
全熔温度：1555℃；
精炼温度：1560℃；
出钢温度：1485℃；
全熔期真空度：30Pa；
精炼期真空度：2Pa，保持90分钟；
感应电极化学成分如表7所示；
                            表7                      %
C S Si Cr Al Ti Nb 0.033 0.001 0.01 19.08 1.50 0.74 5.55 Mo Co Fe W B P Ni 2.80 13.75 9.20 1.21 0.0060 0.0013 余量
所述保护气氛电渣重熔
熔速：3.9kg/min；
电渣锭化学成分如表8所示；
                            表8                     %
钢锭部位 C S Si Al Ti 头部 0.032 0.0008 0.04 1.45 0.75 中部 0.031 0.0008 0.04 1.44 0.75 尾部 0.033 0.0008 0.04 1.44 0.74
所述真空自耗重熔
熔速：3.7kg/min；
真空自耗重熔钢锭化学成分如表9所示；
                            表9                    %
钢锭部位 C S Si Al Ti 头部 0.031 0.0007 0.04 1.43 0.74 中部 0.031 0.0007 0.04 1.45 0.73 尾部 0.032 0.0007 0.05 1.42 0.74
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