CN105483410B

CN105483410B - 减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺

Info

Publication number: CN105483410B
Application number: CN201510912077.0A
Authority: CN
Inventors: 黄太文; 王博; 张军; 刘林; 苏海军; 郭敏; 李卓然; 潘雪娇
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Suzhou Gaojing New Material Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2018-08-10
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: CN105483410A

Abstract

本发明公开了一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，将熔炼镍基高温合金所需原料中的高熔点金属W、Re、Ta、Mo、Nb、Ru用中间合金代替，所述中间合金以Ni为基体，所述高熔点金属总量占中间合金总量的20~70%，杂质元素的总量小于等于中间合金总量的0.5%；其余低熔点金属Ni、Co、Cr、Al以纯度高于99.95%的纯金属形式加入；通过真空感应熔炼，熔炼前需按照顺序在坩埚内布料，依次加入部分Ni块，全部的Al块、Co块和Cr块，剩余Ni块，不含W的多元中间合金铸锭及Ni‑W中间合金块。本发明能够避免低熔点金属飞溅及高熔点中间合金熔化不充分，减少低熔点金属烧损，确保了铸锭化学成分的准确控制，有效减轻了元素偏析。

Description

减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺

技术领域

本发明涉及合金熔炼技术领域，具体涉及一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺。

背景技术

镍基高温合金由于具有较高的承温能力和良好的高温性能，被广泛应用于制造航空发动机高压涡轮叶片及地面燃气轮机叶片。

镍基高温合金是一种既含有W、Re、Ta、Mo、Ru等高熔点难熔元素，又含有Al、Ti等低熔点活性金属的多组元合金。高熔点金属能否均匀分布且完全溶入合金基体以及控制低熔点金属的挥发烧损是熔炼高温合金母合金的关键所在，熔炼难度很大，且过程十分复杂。

目前，国内熔炼高温合金母材时直接加入各合金组元的纯金属块或条，将难熔金属置于坩埚底部的高温区，通过感应加热熔化金属，利用电磁搅拌使各合金元素分布均匀。该方法存在以下问题：（1）难熔金属的熔点（例如W熔点3430℃，Re熔点3180℃，Ta熔点2996℃）远高于Ni的熔点（Ni熔点1453℃），且真空感应熔炼炉的使用温度最高为1600~1700℃，即使坩埚底部过热也达不到难熔金属的熔点，难熔元素在熔炼过程中不能完全熔化，造成金属夹杂；（2）难熔金属密度较大（Re密度21.04g/cm³，W密度19.35g/cm³，Ta的密度16.65g/cm³），在熔炼过程中，易沉于坩埚底部，减弱电磁搅拌的效果；（3）低熔点金属（Al熔点660℃）过早熔化，且密度（Al密度2.70 g/cm³）较小，熔炼过程浮于金属液表面，挥发烧损严重；（4）为使难熔元素充分熔化，需提高加热功率，延长加热时间，会大幅降低坩埚的使用寿命，且高温下坩埚容易分解，从而引入杂质。以上缺点将引起高温合金母材成分不均匀，难熔金属夹杂严重，低熔点金属挥发严重，合金实际成分与预期偏差较大等问题，严重制约了合金的后续使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺。

本发明实施例提供一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，将熔炼镍基高温合金所需原料中的高熔点金属W、Re、Ta、Mo、Nb、Ru用中间合金代替，所述中间合金以Ni为基体，所述高熔点金属总量占中间合金总量的20~70%，杂质元素的总量小于等于中间合金总量的0.5%；其余低熔点金属Ni、Co、Cr、Al以纯度高于99.95%的纯金属形式加入；通过真空感应熔炼，熔炼前需按照顺序在坩埚内布料，依次加入部分Ni块，全部的Al块、Co块和Cr块，剩余Ni块，不含W的多元中间合金铸锭及Ni-W中间合金块。

上述方案中，所述Ni、Co、Cr、Al均为小块状，尺寸为4~8mm；所述W采用块状Ni-W二元中间合金为原料，尺寸为8~12mm；所述高熔点金属Re、Ta、Mo、Nb、Ru根据所需种类采用圆盘状多元中间合金为原料，尺寸为Ø40×4mm~Ø50×8mm。

上述方案中，该熔炼工艺具体通过以下步骤实现：

（1）装炉：熔炼前需按照顺序在坩埚内布料，依次加入1/2的Ni块，全部的Al块、Co块、Cr块，剩余Ni块、多元中间合金圆盘铸锭及Ni-W中间合金块；所述多元中间合金圆盘铸锭平放在坩埚内；

（2）合金熔化：采用真空感应炉进行熔炼，当炉内真空度达到4×10^-2Pa时，开始小功率送电加热排除附着气体；当真空度达到1×10^-2Pa时，逐步加大功率，在所有金属组元全部熔化后，快速升温至1650℃左右，精炼2~3分钟，停电待合金液完全凝固；重新送电升温至1550℃左右，低温精炼3~5分钟，停电待合金液完全凝固；低温精炼过程重复3次后浇铸，待炉内温度降到50℃以下，合金液完全凝固，放气开炉，取出制得的合金锭，打磨清洗。

上述方案中，所述步骤（1）之前，打磨去掉材料表面氧化物和附着物，放入酒精或丙酮溶液利用超声波清洗后烘干待用。

上述方案中，所述步骤（1）中，将密度低的Ni、Al、Co、Cr布于坩埚底部，密度高的中间合金锭布于坩埚中部和上端。

上述方案中，所述步骤（1）中，将尺寸为Ø40×4mm~Ø50×8mm圆盘状多元中间合金平放于坩埚中上部。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

（1）本发明能够避免高温合金铸锭中出现成分不均匀及高熔点金属夹杂等缺陷；

（2）本发明降低熔炼镍基高温合金的温度，实现了快速熔化，缩短熔炼时间；

（3）熔炼时所需合金种类少，使用方便，易于管理；

（4）本发明的合金原料按照其熔点依次熔化，能够避免低熔点金属飞溅及高熔点金属熔化不充分，减少低熔点金属烧损，确保了铸锭化学成分的准确控制，有效减轻了元素偏析。

附图说明

图1为本发明熔炼工艺中所采用的布料顺序示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明实施例提供一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，将熔炼镍基高温合金所需原料中的高熔点金属W、Re、Ta、Mo、Nb、Ru用中间合金代替，所述中间合金以Ni为基体，所述高熔点金属总量占中间合金总量20~70%（质量分数），杂质元素的总量小于等于中间合金总量的0.5%（质量分数），其中每种杂质元素含量不超过0.05%；其余低熔点金属Ni、Co、Cr、Al以纯度高于99.95%的纯金属形式加入；通过真空感应熔炼，熔炼前需按照特定的顺序在坩埚内布料，依次加入部分Ni块，全部的Al块、Co块和Cr块，剩余Ni块，不含W的多元中间合金铸锭及Ni-W中间合金块。

所述Ni、Co、Cr、Al均为小块状，尺寸为4~8mm，这样，既可以保证其快速熔化，混合均匀，又能避免采用小颗粒状原料熔炼时飞溅严重的问题；所述W采用块状Ni-W二元中间合金为原料，尺寸为8~12mm；所述高熔点金属Re、Ta、Mo、Nb、Ru根据所需种类采用圆盘状多元中间合金为原料，尺寸为Ø40×4mm~Ø50×8mm。

本发明实施例提供一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，具体通过以下步骤实现：

（1）装炉：熔炼前需按照顺序在坩埚内布料，依次加入1/2的Ni块，全部的Al块、Co块、Cr块，剩余Ni块、多元中间合金圆盘铸锭及Ni-W中间合金块；所述多元中间合金圆盘铸锭平放在坩埚内；如图1所示。

所述步骤（1）之前，打磨去掉材料表面氧化物和附着物，放入酒精或丙酮溶液利用超声波清洗后烘干待用。

本发明制得的难熔金属中间合金的熔点小于1600℃，代替其纯组元能够大大降低熔炼合金的温度，缩短熔炼时间，避免高熔点金属夹杂和成分不均匀等冶金缺陷。

本发明选用高纯度的金属原料和杂质含量很低的中间合金可以降低高温合金铸锭中的杂质含量，避免杂质元素对合金性能的影响。

所述步骤（1）中，将密度低的Ni、Al、Cr、Co布于坩埚底部，密度高的中间合金锭布于坩埚中部和上端，在合金熔化后Al、 Cr等金属原子会自发上浮，而W、Re、Ta、Mo、Nb、Ru自发下沉，加之电磁搅拌的作用，能够避免高密度金属沉于坩埚底部，低密度金属浮于金属液表面，铸锭成分不均匀的问题。

所述步骤（1）中，将尺寸为Ø40×4mm~Ø50×8mm圆盘状多元中间合金平放于坩埚中上部，由于其直径略小于所使用的坩埚直径，在底部低熔点金属Al、Co、Ni、Cr首先熔化的情况下，能够起到阻碍其挥发的作用。

所述步骤（2）中，在熔炼过程开始后，需根据金属熔化情况逐步缓慢加大功率，确保坩埚底部的Ni、Al、Co、Cr依次熔化后，圆盘状多元中间合金随后熔进已熔化的金属液，最后Ni-W中间合金熔入已熔化金属液。按照此顺序可以有效避免高熔点的中间合金锭残留在金属液中，熔化不充分的问题。

实施例1

本发明实施例1提供一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，该镍基高温合金的化学成分（质量分数）为：5.7%Al，8.5%Co，4.5%Cr，1.4%Mo，8%Ta，6%Re，6%W，余量为Ni，单炉熔炼467.5g合金。

具体步骤如下：

原料选配：W用尺寸为6~12mm的块状Ni-W中间合金（W质量分数为20%）代替，杂质元素的总量小于等于中间合金总量的0.5%，其中每种杂质元素含量不超过0.05%，称取该Ni-W中间合金140.2g；Re、Ta、Mo用Ni-Re-Ta-Mo四元中间合金代替，称取纯度高于99.95%的Re：28g，Ta：37.9g，Mo：6.5g，Ni：44.2g，在电弧炉中熔炼成尺寸为Ø46×5mm圆盘状四元中间合金铸锭，铸锭中杂质元素的总量小于等于中间合金总量的0.5%，其中每种杂质元素含量小于等于中间合金总量的0.05%；其余Ni、Co、Cr、Al等低熔点组元选用纯度高于99.95%尺寸在4~8mm的小块状纯金属，称取Co：39.7g，Cr：21g，Al：27.1g，Ni：122.7g。

原料处理：打磨掉所需原料表面的氧化物及附着的杂物，放入酒精或者丙酮溶液并利用超声波清洗，清洗结束后放入60~80℃的烘箱进行6~8小时的烘干。

熔炼前装炉：熔炼前需按照特定的顺序在坩埚内布料，依次加入62.7g Ni块，全部的Al块、Co块和Cr块，剩余60g Ni块，多元中间合金圆盘铸锭（平放）及Ni-W中间合金块。

合金熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，当炉内真空度达到4×10^-2Pa时，开始以3KW功率送电加热排除附着气体，当真空度达到1×10^-2Pa时，调功率至5KW保持5分钟，调功率至8KW保持5分钟，继续加大功率至10KW，此时Al块开始熔化，随后Ni、Co、Cr依次熔化，加大功率至12KW，此时圆盘状多元中间合金开始熔进已熔化的金属液，待其完全熔化后继续加大功率至13KW，Ni-W中间合金开始熔化进入已熔化金属液，待其完全熔化后加大功率至14KW，快速升温至1650℃，精炼2~3分钟，破膜化清后停止送电。等合金液完全凝固后以5KW送电加热保持3分钟，调整至8KW保持3分钟，继续加大功率至11KW，此时合金开始熔化，1~2分钟后熔体温度达到1550℃，精炼3~5分钟，破膜化清后停止送电，待合金液完全凝固；低温精炼过程重复3次后浇铸。

后续处理：熔炼结束后，为避免高温开炉时合金表面出现氧化，15~20分钟后，待炉内温度降到50℃以下，铸锭完全凝固，放气开炉，取出合金锭，打磨清洗。

表1

合金元素	Al	Ta	W	Re	Cr	Mo	Co	Ni
									合金成分	5.7	8	6	6	4.5	1.4	8.5	Bal
实测成分	5.67	7.97	5.98	6.07	4.44	1.42	8.36	Bal

如表1可知，通过本发明熔炼的合金成分与设计成分的误差在1.6%以内，表明本发明能准确控制合金成分。

实施例2

本发明实施例2提供一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，该镍基高温合金的化学成分（质量分数）为：5.7%Al，11.5%Co，2.5%Cr，1.4%Mo，8%Ta，4%Re，2%Ru，7%W，余量为Ni，单炉熔炼468g合金。

具体步骤如下：

原料选配：W用尺寸为6~12mm的块状Ni-W中间合金（W质量分数为20%）代替，其中单一杂质元素含量不超过中间合金总量的0.05%，杂质元素的总量不超过中间合金总量的0.5%，称取该Ni-W中间合金163.8g；Re、Ru、Ta、Mo用Ni-Re-Ru-Ta-Mo五元中间合金代替，称取纯度高于99.95%的Re：18.7g，Ru：9.4g，Ta：37.9g，Mo：6.5g，Ni：53.4g，在电弧炉中熔炼成尺寸为Ø46×5.5mm圆盘状五元中间合金铸锭，铸锭中单一杂质元素含量不超过0.05%，总和不超过0.5%；其余Ni、Co、Cr、Al等低熔点组元选用纯度高于99.95%尺寸在4~8mm的小块状纯金属，称取Co：53.8g，Cr：11.7g，Al：27.1g，Ni：85.7g。

熔炼前装炉：熔炼前需按照特定的顺序在坩埚内布料，依次加入45.7g Ni块，全部的Al块、Co块和Cr块，剩余40g Ni块，多元中间合金圆盘铸锭（平放）及Ni-W中间合金块。

合金熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，当炉内真空度达到4×10^-2Pa时，开始以3KW功率送电加热排除附着气体，当真空度达到1×10^-2Pa时，调功率至5KW保持5分钟，调功率至8KW保持5分钟，继续加大功率至10KW，此时Al块开始熔化，随后Ni、Co、Cr依次熔化，加大功率至11.5KW，此时圆盘状多元中间合金开始熔进已熔化的金属液，待其完全熔化后继续加大功率至13KW，Ni-W中间合金开始熔化进入已熔化金属液，待其完全熔化后加大功率至14KW，快速升温至1650℃，精炼2~3分钟，破膜化清后停止送电。等合金液完全凝固后以5KW送电加热保持3分钟，调整至8KW保持3分钟，继续加大功率至11KW，此时合金开始熔化，1~2分钟后熔体温度达到1550℃，精炼3~5分钟，破膜化清后停止送电，待合金液完全凝固；低温精炼过程重复3次后浇铸。

表2

合金元素	Al	Ta	W	Re	Ru	Cr	Mo	Co	Ni
										合金成分	5.7	8	7	4	2	2.5	1.4	11.5	Bal
实测成分	5.72	8.00	7.1	4.02	1.98	2.41	1.45	11.46	Bal

如表2可知，通过本发明熔炼的合金成分与设计成分的最大误差为3.6%，表明本发明能准确控制合金成分。

实施例3

本发明实施例3提供一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，该镍基高温合金的化学成分（质量分数）为：5.7%Al，2%Nb，8.5%Co，4.5%Cr，1.8%Mo，6%Ta，3%Re，9%W，余量为Ni，单炉熔炼467.5g合金。

具体步骤如下：

原料选配：W用尺寸为6~12mm的块状Ni-W中间合金（W质量分数为20%）代替，其中单一杂质元素含量不超过中间合金总量的0.05%，杂质元素的总量不超过中间合金总量的0.5%，称取该Ni-W中间合金210.4g；Re、Ta、Mo、Nb用Ni-Re-Ta-Mo-Nb五元中间合金代替，称取纯度高于99.95%的Re：14g，Ta：28g，Mo：8.4g，Nb：9.4g，Ni：50.1g，在电弧炉中熔炼成尺寸为Ø46×4.6mm圆盘状五元中间合金铸锭，铸锭中单一杂质元素含量不超过0.05%，总和不超过0.5%；其余Ni、Co、Cr、Al等低熔点组元选用纯度高于99.95%尺寸在4~8mm的小块状纯金属，称取Co：40g，Cr：21g，Al：27.1g，Ni：109g。

熔炼前装炉：熔炼前需按照特定的顺序在坩埚内布料，依次加入59g Ni块，全部的Al块、Co块和Cr块，剩余50g Ni块，多元中间合金圆盘铸锭（平放）及Ni-W中间合金块。

合金熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，当炉内真空度达到4×10^-2Pa时，开始以3KW功率送电加热排除附着气体，当真空度达到1×10^-2Pa时，调功率至5KW保持5分钟，调功率至8KW保持5分钟，继续加大功率至10KW，此时Al块开始熔化，随后Ni、Co、Cr依次熔化，加大功率至11.5KW，此时圆盘状多元中间合金开始熔进已熔化的金属液，待其完全熔化后继续加大功率至13.5KW，Ni-W中间合金开始熔化进入已熔化金属液，待其完全熔化后加大功率至14.5KW，快速升温至1650℃，精炼2~3分钟，破膜化清后停止送电。等合金液完全凝固后以5KW送电加热保持3分钟，调整至8KW保持3分钟，继续加大功率至11KW，此时合金开始熔化，1~2分钟后熔体温度达到1550℃，精炼3~5分钟，破膜化清后停止送电，待合金液完全凝固；低温精炼过程重复3次后浇铸。

后续处理：熔炼结束后，为避免高温开炉时合金表面出现氧化，15~20分钟后，炉内温度降到50℃以下，铸锭完全凝固，放气开炉，取出合金锭，打磨清洗。

表3

合金元素	Al	Ta	W	Re	Nb	Cr	Mo	Co	Ni
										合金成分	5.7	6	9	3	2	4.5	1.8	8.5	Bal
实测成分	5.71	5.95	8.97	3.02	1.98	4.6	1.75	8.56	Bal

如表3可知，通过本发明熔炼的合金成分与设计成分的误差在2.7%以内，表明本发明能准确控制合金成分。

Claims

1.一种减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，其特征在于：将熔炼镍基高温合金所需原料中的高熔点金属W、Re、Ta、Mo、Nb、Ru用中间合金代替，所述中间合金以Ni为基体，所述高熔点金属总量占中间合金总量的20~70%，杂质元素的总量小于等于中间合金总量的0.5%；其余低熔点金属Ni、Co、Cr、Al以纯度高于99.95%的纯金属形式加入；通过真空感应熔炼，熔炼前需按照顺序在坩埚内布料，依次加入部分Ni块，全部的Al块、Co块和Cr块，剩余Ni块，不含W的多元中间合金铸锭及Ni-W中间合金块；

所述Ni、Co、Cr、Al均为小块状，尺寸为4~8mm；所述W采用块状Ni-W二元中间合金为原料，尺寸为8~12mm；所述高熔点金属Re、Ta、Mo、Nb、Ru根据所需种类采用圆盘状多元中间合金为原料，尺寸为Ø40×4mm~Ø50×8mm；

该熔炼工艺具体通过以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，其特征在于：所述步骤（1）之前，打磨去掉材料表面氧化物和附着物，放入酒精或丙酮溶液利用超声波清洗后烘干待用。

3.根据权利要求1或2所述的减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，将密度低的Ni、Al、Co、Cr布于坩埚底部，密度高的中间合金锭布于坩埚中部和上端。

4.根据权利要求3所述的减轻镍基高温合金中元素偏析的熔炼工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，将尺寸为Ø40×4mm~Ø50×8mm圆盘状多元中间合金平放于坩埚中上部。