CN104988356A

CN104988356A - 一种高纯净度镍基合金大型锻件制备方法

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Publication number: CN104988356A
Application number: CN201510279050.2A
Authority: CN
Inventors: 王立民; 刘正东; 杨钢; 包汉生; 赵吉庆; 何西扣; 李�权; 程杰锋; 唐广波
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN104988356B

Abstract

一种高纯净度镍基合金大型锻件制备方法，属于大型锻件制备领域。镍基合金成分按重量百分比为：C：0.03～1.00％，Si：≤0.5％，Mn：0.5～0.8％，P：≤0.008％，S：≤0.010％，Cr：12.0～18.0％，Ti：2.0～3.0％，Al：0.4～1.5％，Nb：0.50～1.50％，Fe：5.0～9.0％，Co：≤0.08％，Cu：≤0.02％，Pb：≤0.001％，Bi：≤0.001％，Sn：≤0.0025％，Sb：≤0.0025％，As：≤0.0025％，其余为Ni和不可避免的杂质。冶炼时采用纯金属作为原材料，采用真空感应+电渣重熔冶炼，电渣锭开坯，形成饼状锻件，线切割形成Ф1200mm外圆/Ф650mm内圆×280mm环形锻件。优点是获得的镍基合金锻件纯净度高，避免边角部位出现裂纹，提高锻件合格率。

Description

一种高纯净度镍基合金大型锻件制备方法

技术领域

本发明属于大型锻件制造技术领域，特别涉及一种高纯净度镍基合金大型锻件制备方法，主要适用于核电、能源、冶金、机械、化工等领域。

背景技术

大型锻件是大型装备中不可缺少的零部件，如航空发动机中的机匣、涡轮盘，燃气轮机中的压气机盘，火电设备中的汽轮机叶片、转子，核电设备中的压力容器、蒸发器主管道以及压紧弹簧等，这些锻件由于尺寸大，性能要求高，因而制造难度大，尤其是核电用大型锻件。核电站是利用核分裂或核融合反应所释放的的能量产生电能的发电厂。目前商业运转中的核能发电厂都是利用核分裂反应而发电。根据反应堆的类型，核电站可以分为压水堆核电站、沸水堆核电站、重水堆核电站和快中子增殖反应堆，目前世界上和国内应用最多的是压水堆核电站。压水型核电站反应堆的结构基本由以下几个部分组成，反应堆堆芯、堆内构件、反应堆压力容器和顶盖以及控制棒驱动机构。其中的堆内构件在整个核电站的运行过程中起着很重要的作用，如起着支承和固定堆芯组件作用，并使驱动线对中，控制棒运动导向，同时又是冷却剂通道，对流量进行合理分配，减少无效流量，为压力容器提供热屏蔽，减少中子γ射线照射，还能为堆内测量提供安装和固定条件，为压力容器用材辐照监督试验提供存放试样场所。堆内构件在结构上由堆芯下部支承构件和堆芯上部支承构件组成，堆芯下部支承构件又由吊篮、堆芯支承板、围板和辐板组件、堆芯下栅格板、热屏蔽、辐照样品管以及二次支承组件组成。堆芯上部支承构件由导向筒支承板、堆芯上栅格板、控制棒导向筒、支承柱、热电偶和压紧弹簧组成。

镍基合金是指在650～1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照主要性能又细分为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。高温合金按照基体的不同，分为：铁基高温合金，镍基高温合金与钴基高温合金。其中镍基高温合金简称镍基合金。镍基高温合金是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。镍基高温合金中应用最为广泛。主要原因在于，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。镍基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。由于镍基合金具有优良的热强性、抗氧化性以及耐腐蚀性等特点，因而被广泛应用于核电领域，如用来制造管材、锻件等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高纯净度镍基合金大型锻件制备方法，采用该方法可以获得高纯净度镍基合金大型锻件，减少热加工工序时间，节省能源，避免锻件角部开裂，提高工件的成品率；该方法具有操作简单，易于掌握等特点。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明的镍基合金采用真空感应炉冶炼，再经过电渣重熔，形成钢锭。其化学成分组成重量百分比为：C：0.03～1.00％，Si：≤0.5％，Mn：0.5～0.8％，P：≤0.008％，S：≤0.010％，Cr：12.0～18.0％，Ti：2.0～3.0％，Al：0.4～1.5％，Nb：0.50～1.50％，Fe：5.0～9.0％，Co：≤0.08％，Cu：≤0.02％，Pb：≤0.001％，Bi：≤0.001％，Sn：≤0.0025％，Sb：≤0.0025％，As：≤0.0025％，其余为Ni和不可避免的杂质。采用容量为6吨的真空感应炉，冶炼炉在升温过程中，在功率为250KW、600KW和800KW时各保温25～35min。冶炼过程中先添加金属铬、金属镍、硅铁、纯铁、纯碳棒，这些原料不分先后；待结膜后再熔清(通常指炉料熔化成均质液态的工艺过程)时再添加铝、钛和铌，同样不分先后；取炉前分析后充入氩气，当气压达到20～25托时添加锆和锰，待取样分析成分合格后，继续充入氩气，保证气压达到240～260托，加入镍-镁合金，3～5分钟后出钢，带电浇注，浇注时温度保证1510℃～1530℃。电渣重熔冶炼采用的结晶器直径为430mm，渣量为54～58Kg，保证重熔后渣冠厚度为100mm～120mm，熔速控制在4Kg～5Kg/min，重熔过程中充入氩气保护。电渣锭经过表面打磨、修整后在2000吨快锻机上开坯，开坯温度为1190℃～1200℃，保温时间为4～5个小时。钢锭经过锻造，形成Ф1200mm×280mm饼状锻件，在钢饼距中心320mm～330mm处用钻床钻出一个Ф2～3mm通孔，在通孔处通入钼丝，以钢饼中心为圆心进行线切割，切出Ф650mm一个圆形通孔，形成Ф1200mm(外圆)/Ф650mm(内圆)×280mm环形锻件。

本发明的关键在于：首先通过采用纯金属作为原材料，并采用合适的冶炼工艺参数，获得高纯净度的钢锭。其次在钢锭锻造成饼状后，采用线切割对环形锻件中间通孔进行加工，减少了热加工火次，同时避免了锻件角部开裂，提高了工件的合格率。

核电站用钢对材料的纯净度要求较高，尤其对堆内构件材料的杂质元素要求更高如Co、Cu、P、Pb、Sn、Bi、Sb、As等，其中的杂质元素在长期的中子辐照过程中会导致材料脆化，严重降低材料的使用性能。在冶炼过程中采用纯金属作为原材料，大大减少了这些杂质元素的混入，同时采用真空感应冶炼可以有效降低气体元素含量，提高钢材的冶金质量。采用电渣重熔技术可以获得结晶状态理想的钢锭，有利于提高锻造过程的成材率和改善钢的塑韧性；环形锻件的热加工过程通常为压饼，冲孔、扩孔、滚圆以及修整等工艺，即将钢锭锻成饼状后，用冲头在钢饼中心部位冲出中心孔，然后将锻件放入马架，进行扩孔，再对外圆进行滚圆以及修整，形成环形锻件。这种环形锻件加工过程有一个明显缺点，那就是在冲孔过程中，由于外圆部位承受拉应力，容易造成外圆边角形成裂纹，同时在扩孔、滚圆以及修整过程中，由于锻件边角部位冷却较快，往往形成裂纹，在后面的锻造过程中，裂纹向锻件内部扩展，造成锻件尺寸不合格，形成废品。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在冶炼过程中采用纯金属做原料料，避免了有害元素的掺入，通过采用合适的真空感应以及电渣重熔冶炼工艺参数，获得了高纯净度的钢锭。采用合理的锻造工艺参数，将钢锭锻成饼状，再经过线切割在饼部中心位置加工出通孔，制成环形锻件，减少了后续热加工过程中的冲孔、扩孔、滚圆以及修整等工序，节约了能源，同时减少了由于环形锻件边角部位冷却过快在锻造过程中出现裂纹，提高了工件的合格率。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中，镍基合金采用真空感应炉冶炼，再经过电渣重熔，形成钢锭。采用容量为6吨的真空感应炉，冶炼炉在升温过程中，在功率为250KW、600KW和800KW时各保温30min。冶炼过程中先添加金属铬、金属镍、硅铁、纯铁、纯碳棒，这些原料不分先后；待结膜后再熔清时再添加铝、钛和铌，同样不分先后；取炉前分析后充入氩气，当气压达到20～25托时添加锆和锰，待取样分析成分合格后，继续充入氩气，保证气压达到240～260托，加入镍-镁合金，3～5分钟后出钢，带电浇注，浇注时温度保证1510℃～1530℃。电渣重熔冶炼采用的结晶器直径为430mm，渣量为54～58Kg，保证重熔后渣冠厚度为100mm～120mm，熔速控制在4Kg～5Kg/min，重熔过程中充入氩气保护。真空感应冶炼和电渣重熔冶炼工艺参数见表1。获得的电渣锭的化学成分见表2，从中可见获得的钢锭杂质元素较少，纯净度较高。电渣锭经过表面打磨、修整后在2000吨快锻机上开坯，开坯温度为1190℃～1200℃，保温时间为4～5个小时。钢锭经过锻造，形成Ф1200mm×280mm饼状锻件，在钢饼距中心325mm处用钻床钻出一个Ф3mm通孔，在通孔处通入钼丝，以钢饼中心为圆心进行线切割，切出Ф650mm一个圆形通孔，形成Ф1200mm(外圆)/Ф650mm(内圆)×280mm环形锻件。6炉镍基合金，其中有2炉采用的是传统的冲孔、扩孔、滚圆和修整工艺，4炉采用的是本发明的线切割方式，最终锻件质量对比见表3，从中可以看出，采用本发明中的工艺制造的环形锻件合格率明显提高。

本发明实施例最终的环形锻件的非金属夹杂物级别见表4，由于本发明中采用真空感应冶炼+电渣重熔冶炼，合金中非金属夹杂物水平较低，合金纯净度较高。

表1本发明实施例冶炼工艺参数

表2本发明实施例化学成分(wt％)

表3本发明实施例锻件表面质量

表4本发明实施例夹杂物级别

表5本发明实施例合格锻件的室温力学性能

本发明实施例合格后的环形锻件经过热处理后，其室温拉伸性能见表5。

Claims

1.一种高纯净度镍基合金大型锻件制备方法，其特征在于，镍基合金成分按重量百分比为：C：0.03～1.00％，Si：≤0.5％，Mn：0.5～0.8％，P：≤0.008％，S：≤0.010％，Cr：12.0～18.0％，Ti：2.0～3.0％，Al：0.4～1.5％，Nb：0.50～1.50％，Fe：5.0～9.0％，Co：≤0.08％，Cu：≤0.02％，Pb：≤0.001％，Bi：≤0.001％，Sn：≤0.0025％，Sb：≤0.0025％，As：≤0.0025％，其余为Ni和不可避免的杂质；工艺步骤包括：

(1)冶炼采用真空感应+电渣重熔冶炼，采用容量为6吨的真空感应炉，冶炼炉在升温过程中，在功率为250KW、600KW和800KW时各保温25～35min；冶炼过程中先添加金属铬、金属镍、硅铁、纯铁、纯碳棒，这些原料不分先后；待结膜后再熔清时再添加铝、钛和铌，同样不分先后；取炉前分析后充入氩气，当气压达到20～25托时添加锆和锰，待取样分析成分合格后，继续充入氩气，保证气压达到240～260托，加入镍-镁合金，3～5分钟后出钢，带电浇注，浇注时温度保证1510℃～1530℃；

(2)电渣重熔冶炼采用的结晶器直径为430mm，渣量为54～58Kg，保证重熔后渣冠厚度为100mm～120mm，熔速控制在4Kg～5Kg/min，重熔过程中充入氩气保护；

(3)电渣锭经过表面打磨、修整后在2000吨快锻机上开坯，开坯温度为1190℃～1200℃，保温时间为4～5个小时；钢锭经过锻造，形成Ф1200mm×280mm饼状锻件，在钢饼距中心320mm～330mm处用钻床钻出一个Ф2～3mm通孔，在通孔处通入钼丝，以钢饼中心为圆心进行线切割，切出Ф650mm一个圆形通孔，形成Ф1200mm外圆/Ф650mm内圆×280mm环形锻件。