CN106319255B

CN106319255B - 镍基高温合金的纯净化冶炼工艺

Info

Publication number: CN106319255B
Application number: CN201510395609.8A
Authority: CN
Inventors: 董加胜; 楼琅洪; 张健; 王尧
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2035-07-06
Also published as: CN106319255A

Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金的纯净化冶炼工艺，属于真空冶金技术领域。该工艺采用尖晶石坩埚，对镍基高温合金进行纯净化冶炼，冶炼过程包括慢速熔化期、超高温精炼期、冷冻期、终脱氧期和浇注期，经纯净化冶炼后使合金的O、N含量降低到8ppm以下。本发明工艺适用于需要降低O、N含量的镍基高温合金纯净化冶炼需要。

Description

镍基高温合金的纯净化冶炼工艺

技术领域

本发明涉及真空冶金技术领域，具体涉及一种镍基高温合金的纯净化冶炼工艺，该工艺适用于需要降低O、N含量的镍基高温合金纯净化冶炼需要。

背景技术

真空感应熔炼(Vacuum induction melting，简称VIM)是一种在真空条件下利用电磁感应加热原理来熔炼金属的金属工艺制程。在电磁感应过程中会产生涡电流，使金属熔化。此制程可用来提炼高纯度的金属及合金。

作为真空冶金的耐火材料有很多种，目前大家所熟知的为CaO、纯MgO、以及尖晶石(MgO：Al₂O₃＝2.5:1)类真空感应炉用熔炼坩埚，此类耐火材料都具有较低的蒸气压、高碱度以及良好的热力学稳定性，但是由于CaO大型坩埚粉化问题一直无法彻底解决，因此现在大型真空感应坩埚广泛使用的依然是氧化镁或尖晶石坩埚。

GH3535镍基高温合金具有优良的室温塑性、高温组织稳定性和较高的高温力学性能，同时具有良好的抗熔盐腐蚀性能，可以满足有较高使用温度和性能要求的熔盐、辐照环境使用需要，适用于熔盐核反应堆的高温结构材料。由于其使用环境要求苛刻，因此对该合金的纯净度要求较高。

尖晶石坩埚中由于含有Al₂O₃，能和炉渣中的游离CaO和SiO₂结合使炉衬受到侵蚀，因此，选用尖晶石坩埚为实验坩埚，应选择低碱度炉渣，同时配合适合的纯净化冶炼工艺，将镍基高温合金(GH3535)的O、N含量降低，拓展其在对O、N含量要求低的领域的应用极为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍基高温合金的纯净化冶炼工艺，该工艺选用尖晶石坩埚为实验坩埚，配合正确的纯净化冶炼工艺，经纯净化冶炼后镍基高温合金的O、N含量降低到8ppm以下。该工艺适用的镍基高温合金(GH3535合金)化学成分为(wt.％)：C≤0.08％，Fe 0.5～5％，Cr 6.0～8.0％，Mo 12～18％，Ta≤2.0％，Ti≤2.0％，Nb≤2.0％，Ni余量；Co＜0.15％；B＜0.002％；W＜0.15％；Al＜0.2％；S≤0.01％，P≤0.005％，Si≤0.8％，Mn≤0.8％，V≤0.1％，Cu≤0.1％；其中：1％≤Ti+Nb+Ta≤2％，C元素含量优选为0.03～0.06％。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种镍基高温合金的纯净化冶炼工艺：该工艺采用尖晶石(MgO：Al₂O₃＝2.5:1)坩埚，对GH3535镍基高温合金进行真空感应熔炼，使合金的O、N含量降低到8ppm以下。该工艺包括慢速熔化期、超高温精炼期、冷冻期、终脱氧期和浇注期，具体过程如下：

(1)慢速熔化期：在坩埚底部加入占合金总量0.04～0.05wt.％的碳，然后加入炉料，抽真空至真空度低于2Pa后小功率送电(为电源额定功率的20％)，直至坩埚内的金属料变红后并在坩埚底部出现钢液时，加大送电功率至60-80千瓦，直至炉料熔化完毕(真空度保持在3Pa以内)。慢速熔化期加炉料时，需要按比例加入合金各组成元素，按顺序将镍、铬、钼及其他元素(除锰、硅外)自然的加入坩埚中，注意不要人为的码料，避免架桥；慢速熔化期小功率送电的目的是可以使坩埚内金属炉料充分排气，并能使C和O充分反应，生成的CO在真空条件下排除，有利于O的脱除。

(2)超高温精炼期：精炼期真空度在1Pa以下，精炼温度1614～1626℃，精炼时间5-8min；超高温精炼目的是使合金中的氧化物、氮化物在超高真空下、超高温度下分解，一部分真空条件下排除，另一部分溶解在合金中，在随后的冷冻期中析出排除。500公斤的真空感应炉精练时间一般为8分钟，而小于500公斤的真空感应炉精炼时间一般在6分钟。精炼期保持高真空是为碳脱氧创造良好条件，并可使合金料中的氧化物、氮化物夹杂充分的上浮去除。精炼时间不宜过长是因为在合金中有大量的活泼元素，在高温下易与坩埚的耐火材料发生置换反应，使合金液中增加氧含量，以50公斤炉为例6左右分钟为宜。

(3)冷冻期：超高温精炼期完成后，电源停止送电，使合金自然冷却直至完全凝固(一般需要1～1.5小时)，冷冻期真空度在1Pa以下。该过程的目的是使溶解于合金中的氧化物、氮化物以及游离态的氧、氮随着温度的下降在溶解度降低的情况下，析出并排走。

(4)终脱氧期：合金完全凝固后，送电使合金重新熔化，加入锰和硅元素后，此时送电功率为电源额定功率的15％，在刚化清时加入占合金重量的0.03-0.08％(以Mg计)Mg-Ni合金(Mg含量为25-30wt.％)作为金属脱氧剂，搅拌条件下进行脱氧。采用脱氧剂对合金熔体进行脱氧时，脱氧剂分为3-5次加入合金中，脱氧剂首次加入时，送电功率为电源额定功率的15％，加入后送电功率提高至电源额定功率的30％进行搅拌，保持时间30秒；之后将送电功率降至电源额定功率的15％后，再进行下一次脱氧剂的加入，如此反复直至金属脱氧剂加入完毕；

(5)浇注期：金属脱氧剂脱氧完毕后，再将温度提升至1550℃精炼3～8分钟，然后降温至1400℃进行浇注；浇注过程中送电功率为额定功率的10％。

本发明纯净化冶炼工艺的优点如下：

1、本发明为镍基高温合金的纯净化冶炼工艺，选用尖晶石坩埚(MgO：Al₂O₃＝2.5:1)为实验坩埚，配合适合的真空感应熔炼工艺，经冶炼后合金中O、N含量都降低到8ppm以下。

2、本发明工艺适用于GH3535镍基高温合金纯净化冶炼，拓展其在对O、N含量要求低的领域的应用。

附图说明

图1是GH3535高温合金的冶炼工艺曲线。

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明。

以下实施例是对GH3535合金进行纯净化冶炼，该合金化学成分为(wt.％)：C≤0.08％，Fe 0.5～5％，Cr 6.0～8.0％，Mo 12～18％，Ta≤2.0％，Ti≤2.0％，Nb≤2.0％，Ni余量；其中：1％≤Ti+Nb+Ta≤2％；C的优选范围为0.03～0.06％，Co＜0.15％；B＜0.002％；W＜0.15％；Al＜0.2％；S≤0.01％，P≤0.005％，Si≤0.8％，Mn≤0.8％，V≤0.1％，Cu≤0.1％。

如图1所示，选用尖晶石坩埚(MgO：Al₂O₃＝2.5:1)，进行真空感应熔炼GH3535合金的工艺流程为：装料→慢速熔化期→超高温精炼期→冷冻期→终脱氧期→浇注，具体操作步骤如下：

1、炉料的加入：先把坩埚清理干净，在坩埚底部加入占炉料重量比的0.045wt.％的碳，然后按顺序把镍、铬、钼、自然的加入坩埚中，再加入除锰、硅外的其他合金元素，注意不要人为的码料，避免架桥。

2、慢速熔化期：加料完毕，抽真空，真空度至2帕以内时小功率送电(占额定功率的20％)，待坩埚中的炉料完全变红，并在坩埚底部出现钢液时，加大送电功率至60-80千瓦，同时保持较高的真空状态(3Pa以内)，直至炉料完全熔化。

3、超高温精炼期：当合金完全熔化后，使合金液的温度升至1620℃转入精炼期，精炼期的真空度必须在1Pa以下，精炼时间5-8min。

4、冷冻期：合金经过超高温精炼期后停电，使合金在超高真空状态(真空度在1Pa以下)自然凝固。

5、终脱氧期：经过冷冻后送电使合金熔化再进行大功率搅拌30秒。当合金完全熔化后，加入金属锰、硅元素，立即把送电功率降至额定功率15％，将金属脱氧剂(Mg-Ni合金)分3-5次加入钢液中，并在每次加入后都要提高功率(每次加入后送电功率提高到电源额定功率的30％)搅拌钢液使脱氧产物上浮脱除，每次脱氧剂都加入后保持30秒，然后将送电功率降至电源额定功率的15％，再进行下一次的脱氧剂加入，如此反复直至脱氧剂加入完毕；金属脱氧剂的总加入量(以Mg计算)为合金重量0.05％，Mg-Ni合金中Mg元素含量为30wt.％。

6、合金的浇注：经过终脱氧后的钢液，将温度提升至1550℃精炼5分钟，然后温度降至1400℃进行浇注，浇注时功率调整至额定功率的10％带电浇注。

实施例

采用本发明工艺冶炼了GH3535合金，容量从10公斤至500公斤的O、N含量都降至8个ppm以下，结果见表1，现该技术可以批量冶炼GH3535合金，实现了GH3535合金采用此工艺冶炼后O、N超低含量的目标。

表1.采用高温合金返回料纯净化冶炼工艺处理的实验数据

Claims

1.一种镍基高温合金的纯净化冶炼工艺，其特征在于：该工艺采用尖晶石坩埚，对镍基高温合金进行真空感应熔炼，使合金的O、N含量降低到8ppm以下；该工艺包括慢速熔化期、超高温精炼期、冷冻期、终脱氧期和浇注期，具体过程如下：

(1)慢速熔化期：在坩埚底部加入占合金总量0.04～0.05wt.％的碳，然后加入炉料，抽真空至真空度低于2Pa后送电，送电功率为电源额定功率的20％；直至坩埚内的金属料变红后并在坩埚底部出现钢液时，加大送电功率至60-80千瓦，直至炉料熔化完毕；加入炉料过程中，先依次加入镍、铬和钼，再加入除锰、硅外的其他合金元素；锰和硅元素在步骤(4)终脱氧期合金重新熔化后加入；

(2)超高温精炼期：精炼期真空度在1Pa以下，精炼温度1614～1626℃，精炼时间5-8min；

(3)冷冻期：超高温精炼期完成后，电源停止送电，使合金自然冷却直至完全凝固，冷冻期真空度在1Pa以下；

(4)终脱氧期：合金完全凝固后，送电使合金重新熔化，加入金属锰、硅元素，在刚化清时加入占合金重量0.03-0.08％的Mg-Ni合金作为金属脱氧剂，搅拌条件下进行脱氧；采用脱氧剂对合金熔体进行脱氧时，脱氧剂分为3-5次加入合金熔体中，脱氧剂每次加入时，送电功率为电源额定功率的15％，脱氧剂每次加入后提高送电功率至电源额定功率的30％进行搅拌，每次脱氧时间20-30秒；

(5)浇注期：金属脱氧剂脱氧完毕后，再将温度提升至1550℃精炼3～8分钟，然后降温至1400℃进行浇注；浇注过程中送电功率为电源额定功率的10％。

2.根据权利要求1所述的镍基高温合金的纯净化冶炼工艺：其特征在于：所述尖晶石坩埚的化学成分为MgO和Al₂O₃，MgO与Al₂O₃的原子比例为2.5:1。

3.根据权利要求1所述的镍基高温合金的纯净化冶炼工艺：其特征在于：所述Mg-Ni合金中Mg含量为25-30wt.％。

4.根据权利要求1所述的镍基高温合金的纯净化冶炼工艺：其特征在于：按重量百分比计，所述镍基高温合金化学成分为：C≤0.08％，Fe 0.5～5％，Cr 6.0～8.0％，Mo 12～18％，Ta≤2.0％，Ti≤2.0％，Nb≤2.0％，Ni余量；其中：1％≤Ti+Nb+Ta≤2％。

5.根据权利要求4所述的镍基高温合金的纯净化冶炼工艺：其特征在于：所述镍基高温合金中，C元素含量为0.03～0.06％；Co＜0.15％；B＜0.002％；W＜0.15％；Al＜0.2％；S≤0.01％，P≤0.005％，Si≤0.8％，Mn≤0.8％，V≤0.1％，Cu≤0.1％。