CN106636757A - 一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法 - Google Patents

一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，具体为：将镍基高温合金的原材料进行分类，分类标准为原材料中氧元素含量的高低、原材料中主体元素对氧元素的亲和力强弱以及主体元素对碳元素在熔体中活度的影响；按照原料分类分别对原料依次进行三级脱氧熔炼和精炼；三次精炼后，对炉室充氩气至≥10000Pa并加入低熔点合金元素，然后进行电磁搅拌一定时间后将温度调到浇注温度设定范围内浇注。本发明为镍基高温合金在冶炼过程中降低氧含量提供了一种新工艺，可以有效去除镍基高温合金中的氧元素，并且本发明操作简单，可行性高，应用范围广。

Description

一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法
技术领域
本发明属于高温合金冶炼技术领域，具体涉及一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法。
背景技术
氧作为镍基高温合金中有害杂质元素，易与亲氧的金属元素形成氧化物夹杂。这些高熔点的氧化物夹杂不仅消耗了一部分合金元素，而且在以后的熔炼或热处理过程中很难消除并且在镍基高温合金服役过程中易成为裂纹的萌生源和裂纹的扩展通道，降低高温合金的持久、疲劳和蠕变性能。研究表明，当氧含量降低到50ppm以下时，高温合金的断裂寿命显著提高。因此，需要对高温合金液进行脱氧处理，以降低镍基高温合金的氧含量，从而提高高温合金的性能。而真空感应熔炼作为镍基高温合金的第一道熔炼工序，对脱氧有着至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，用以降低镍基高温合金注定中的氧含量。
本发明所采用的技术方案是：一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将镍基高温合金的原材料进行分类，分类标准为原材料中氧元素含量的高低、原材料中主体元素对氧元素的亲和力强弱以及主体元素对碳元素在熔体中活度的影响；
步骤2，按照原料分类分别对原料依次进行三级脱氧熔炼和精炼；
步骤3，三次精炼后，对炉室充氩气至≥10000Pa并加入微量元素和低熔点合金元素，然后进行电磁搅拌一定时间后将温度调到浇注温度设定范围内浇注。
本发明的特点还在于，
步骤2具体为：将碳与氧元素含量较低以及主体元素对氧的亲和力不强的原材料优先装炉熔炼和精炼；然后将含有的主体元素能够提高熔体中碳元素活度的原材料进行装炉熔炼和精炼；最后加入对氧元素亲和力较强且在熔炼过程中其氧化物能够形成渣的原材料，对其进行熔炼和精炼。
对氧元素亲和力较强且在熔炼过程中其氧化物能够形成渣的原材料为Al和Ti。
一级精炼温度为1490-1510℃，精炼时间为30-40分钟。
二级精炼温度为1480-1500℃，精炼时间为20-30分钟。
三级精炼温度为1460-1480℃，精炼时间为20-30分钟。
熔炼和精炼过程中真空度小于0.1Pa。
精炼过程中施加电磁搅拌，以促进熔体的脱气过程。
本发明的有益效果是，
1.本发明为镍基高温合金在冶炼过程中降低氧含量提供了一种新工艺，可以有效去除镍基高温合金中的氧元素。
2.本发明操作简单，可行性高，应用范围广。
3.本发明为镍基高温合金冶炼过程中其他杂质元素的去除提供了一个可行且高效的方法。基于本发明可以有效提高镍基高温合金的纯净度，可以有效提高镍基高温合金的性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，第一级脱氧主要是将与氧元素亲和力较低的原材料中的氧元素通过碳与氧反应形成一氧化碳而去除，第二级脱氧主要是添加能够提高碳元素在高温合金熔体中活度的原材料进一步促进碳的脱氧反应，第三级脱氧主要是添加易于氧元素在熔体中形成渣的原材料进行深度脱氧。本发明的脱氧过程在精炼过程中进行，在此过程中通过电磁搅拌的方法促进脱氧剂与氧元素的反应。具体包括以下步骤：
步骤1，将镍基高温合金的原材料进行分类，分类标准为原材料中氧元素含量的高低、原材料中主体元素对氧元素的亲和力强弱以及主体元素对碳元素在熔体中活度的影响；
步骤2，将碳与氧元素含量较低以及主体元素对氧的亲和力不强的原材料优先装炉熔炼和精炼；然后将含有的主体元素能够提高熔体中碳元素活度的原材料进行装炉熔炼和精炼；最后加入对氧元素亲和力较强且在熔炼过程中其氧化物能够形成渣的原材料，对其进行熔炼和精炼；
一级精炼温度为1490-1510℃，精炼时间为30-40分钟。
二级精炼温度为1480-1500℃，精炼时间为20-30分钟。
三级精炼温度为1460-1480℃，精炼时间为20-30分钟。
熔炼和精炼过程中真空度小于0.1Pa。
精炼过程中施加电磁搅拌，以促进熔体的脱气过程。
步骤3，三次精炼后，对炉室充氩气(≥10000Pa)并加入微量元素和低熔点元素，然后进行电磁搅拌约5-15分钟后将温度调到浇注温度设定范围内浇注。
本发明在冶炼过程中，真空度维持在0.1Pa以下，并且在合适的精炼温度下施加电磁搅拌使不同熔炼阶段的脱氧剂与氧元素充分接触反应除氧并且有利于渣聚集上浮，使得氧元素逐级减少。本发明在不需要加入非高温合金组成元素的前提下，能够有效降低高温合金中的氧元素，操作简单，方法适用范围广。
本发明设计原理如下：
为了减少合金元素与氧反应生成氧化物而消耗并且增加氧的脱除率，根据原材料中氧元素高低，合金元素对氧元素的亲和力强弱和以及主体元素对碳元素在熔体中活度的影响，本发明采用分批次加料并且在较低的真空度下(小于0.1Pa)进行真空感应熔炼和精炼，对高温合金液进行分级脱氧处理，在精炼过程中通过电磁搅拌作用促进氧元素的扩散、增大脱气面积以及增加与脱氧剂的反应，从而促进氧元素含量的降低。
在高温合金熔炼过程中氧元素的脱除效率不仅与炉室的真空度，原材料中的含氧量和脱氧剂的浓度有关，还与熔体中脱氧剂和氧的活度存在直接关系。高温合金熔炼过程中的脱氧剂主要有碳和铝。在一定真空度下，碳的初始脱氧效果较好，并且其氧化产物为一氧化碳，不会污染高温合金，而铝和原材料中的其他易氧化金属元素与氧反应可能产生夹杂物对高温合金性能不利。因此，需要对氧元素进行分级脱除，避免有利的亲氧金属元素形成氧化物夹杂而过度消耗。然而，当碳脱氧时高温合金液中氧含量降低到约20ppm时，氧含量不能继续降低，此时氧的脱除主要受控于动力学过程，一些金属元素能够提高碳或氧的活度促进碳的脱氧反应进行，比如铬能够提高碳在高温合金熔体中的活度，此时加铬能够促进碳脱氧。在脱氧后期碳和氧反应达到平衡后，通过添加与氧亲和力较大并且其氧化产物易形成渣并富集在坩锅壁和熔体表面而去除的主体元素，比如铝与氧反应以渣的形式脱除。因此，根据高温合金熔炼过程中氧元素的含量高低，脱氧剂与氧的亲和力强弱以及脱氧剂在高温合金熔体中的活度大小，在高温合金冶炼过程中实行多级脱氧。
实施例1
GH4720Li合金的真空感应熔炼。
步骤1，第一次装炉
1.1将重量较多的原材料按照含氧元素高低以及主体元素与氧的亲和力强弱分类：真空脱气铬(含氧330ppm)、NiW合金(含氧280ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、其他原材料含氧元素较低。由于真空脱气铬含氧元素最多，与氧的亲和力较强，并且铬元素能够增加碳元素在熔体中的活度。因此先对NiMo和NiW合金进行冶炼脱氧，然后再加入真空脱气Cr冶炼脱氧。
1.2将电解镍、电解钴、真空脱气铬等表面进行滚磨处理，处理完后表面呈金属金属亮色，然后与镍钼合金、镍钨合金、海绵钛和纯铝原材料在100℃下进行48小时干燥。
1.3在坩埚中从下到上依次装入80％Ni、全部Co、全部C、全部NiMo、全部NiW、20％Ni。
步骤2，第一次熔炼和精炼
2.1对真空感应熔炼炉抽空，当真空度小于0.1Pa时，开始送电熔炼。熔炼的初始功率为100kw呈阶梯状缓慢升高至450kw，经过一段时间的熔炼后所加原材料熔清，并且熔体表面没有出现沸腾状。
2.2进入第一次精炼期，调节精炼温度为1510℃，然后将功率降至100kw在精炼温度保温40分钟后第一次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进碳与氧气的反应并且使真空度小于0.1Pa。
步骤3，第二次装炉
第一次精炼完成并取样后，炉子断电使熔体表面结膜，然后通过料仓加入真空脱气铬。
步骤4，第二次熔炼和精炼
4.1待真空脱气铬加完后，将功率升高至500kw，经过一段时间的熔炼后熔清且熔体表面未发现沸腾。
4.2进入第二次精炼期，调节精炼温度为1500℃，然后将功率降至100kw至精炼温度保温30分钟后第二次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进熔体的脱气过程并且使真空度小于0.1Pa。
步骤5，第三次装炉
第二次精炼完成并取样后，炉子断电使熔体表面结膜，然后通过料仓加入Ti和Al。
步骤6，第三次熔炼和精炼
6.1待Al和Ti加完后，将功率升高至200kw，经过一段时间的熔炼后熔清且熔体表面未发现沸腾。
6.2进入第三次精炼期，调节精炼温度为1480℃，然后将功率降至100kw至精炼温度保温30分钟后第三次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进熔体的脱气过程并且使真空度小于0.1Pa。
步骤7，浇注
三次精炼结束后，将功率调到100kw保温，充氩气到20000Pa，然后加入NiB、Zr和NiMg，经过15分钟的电磁搅拌，微量合金全部熔化后将温度调到1480℃浇注。
实施例2
GH4698合金的真空感应熔炼。
步骤1，第一次装炉
1.1将重量较多的原材料按照含氧元素高低以及主体元素与氧的亲和力强弱分类：NiNb合金(含氧840ppm)、真空脱气铬(含氧330ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、其他原材料含氧元素较低。由于NiNb合金含氧元素最多，真空脱气铬中氧元素含量次之，铬元素与氧的亲和力较强，并且能够增加碳元素在熔体中的活度。而且NiMo合金含氧较少，与氧的亲和力不高，因此先加入NiMo合金进行熔炼脱氧，然后再加入真空脱气铬和NiNb合金熔炼脱氧。
1.2将电解镍、NiMo合金、真空脱气铬等表面进行滚磨处理，处理完后表面呈金属金属亮色，然后与镍铌合金、海绵钛和纯铝原材料在100℃下进行48小时干燥。
1.3在坩埚中从下到上依次装入80％Ni、全部C、全部NiMo和20％Ni。
步骤2，第一次熔炼和精炼
2.1对真空感应熔炼炉抽空，当真空度小于0.1Pa时，开始送电熔炼。熔炼的初始功率为100kw呈阶梯状缓慢升高至400kw，经过一段时间的熔炼后所加原材料熔清，并且熔体表面没有出现沸腾状。
2.2进入第一次精炼期，调节精炼温度为1490℃，然后将功率降至100kw在精炼温度保温30分钟后第一次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进碳与氧气的反应并且使真空度小于0.1Pa。
步骤3，第二次装炉
第一次精炼完成并取样后，炉子断电使熔体表面结膜，然后通过料仓加入真空脱气铬和NiNb合金。
步骤4，第二次熔炼和精炼
4.1待真空脱气铬加完后，将功率升高至500kw，经过一段时间的熔炼后熔清且熔体表面未发现沸腾。
4.2进入第二次精炼期，调节精炼温度为1480℃，然后将功率降至100kw至精炼温度保温25分钟后第二次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进熔体的脱气过程并且使真空度小于0.1Pa。
步骤5，第三次装炉
第二次精炼完成并取样后，炉子断电使熔体表面结膜，然后通过料仓加入Al和Ti。
步骤6，第三次熔炼和精炼
6.1待Al和Ti加完后，将功率升高至200kw，经过一段时间的熔炼后熔清且熔体表面未发现沸腾。
6.2进入第三次精炼期，调节精炼温度为1470℃，然后将功率降至100kw至精炼温度保温25分钟后第三次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进熔体的脱气过程并且使真空度小于0.1Pa。
步骤7，浇注
三次精炼结束后，将功率调到100kw保温，充氩气到20000Pa，然后加入NiB、Zr、NiMg和Ce，经过15分钟的电磁搅拌，微量合金全部熔化后将温度调到1470℃浇注。
实施例3
GH4169合金的真空感应熔炼。
步骤1，第一次装炉
1.1将重量较多的原材料按照含氧元素高低以及主体元素与氧的亲和力强弱分类：NiNb合金(含氧840ppm)、真空脱气铬(含氧330ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、纯Fe(含氧200ppm)、其他原材料含氧元素较低。由于NiNb合金氧元素最多，真空脱气铬中氧元素含量次之，铬元素与氧的亲和力较强，并且能够增加碳元素在熔体中的活度。而且NiMo合金和纯铁含氧较少，初始阶段加C比较容易将NiMo合金和纯铁中的氧元素除去，因此先加入NiMo合金和纯铁进行熔炼脱氧，然后再加入真空脱气铬和NiNb合金熔炼脱氧。
1.2将电解镍、NiMo合金、纯Fe和真空脱气铬等表面进行滚磨处理，处理完后表面呈金属金属亮色，然后与镍铌合金、海绵钛和纯铝原材料在100℃下进行48小时干燥。
1.3在坩埚中从下到上依次装入80％Ni、全部纯Fe、全部C、全部Co、全部NiMo和20％Ni。
步骤2，第一次熔炼和精炼
2.1对真空感应熔炼炉抽空，当真空度小于0.1Pa时，开始送电熔炼。熔炼的初始功率为100kw呈阶梯状缓慢升高至400kw，经过一段时间的熔炼后所加原材料熔清，并且熔体表面没有出现沸腾状。
2.2进入第一次精炼期，调节精炼温度为1500℃，然后将功率降至100kw在精炼温度保温35分钟后第一次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进碳与氧气的反应并且使真空度小于0.1Pa。
步骤3，第二次装炉
第一次精炼完成并取样后，炉子断电使熔体表面结膜，然后通过料仓加入真空脱气铬和NiNb合金。
步骤4，第二次熔炼和精炼
4.1待真空脱气铬加完后，将功率升高至500kw，经过一段时间的熔炼后熔清且熔体表面未发现沸腾。
4.2进入第二次精炼期，调节精炼温度为1490℃，然后将功率降至100kw至精炼温度保温20分钟后第二次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进熔体的脱气过程并且使真空度小于0.1Pa。
步骤5，第三次装炉
第二次精炼完成并取样后，炉子断电使熔体表面结膜，然后通过料仓加入Al和Ti。
步骤6，第三次熔炼和精炼
6.1待Al和Ti加完后，将功率升高至150kw，经过一段时间的熔炼后熔清且熔体表面未发现沸腾。
6.2进入第三次精炼期，调节精炼温度为1460℃，然后将功率降至100kw至精炼温度保温20分钟后第三次取样，精炼过程中施加电磁搅拌促进熔体的脱气过程并且使真空度小于0.1Pa。
步骤7，浇注
三次精炼结束后，将功率调到100kw保温，充氩气到20000Pa，然后加入NiB、Mn、NiMg和NiP，经过15分钟的电磁搅拌，微量合金全部熔化后将温度调到1460℃浇注。
采用本发明方法对不同牌号的镍基高温合金GH4698、GH4720和GH4169进行真空感应熔炼，逐级降低了熔体中的氧含量，具体结果见下表。

Claims (8)

1.一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，将镍基高温合金的原材料进行分类，分类标准为原材料中氧元素含量的高低、原材料中主体元素对氧元素的亲和力强弱以及主体元素对碳元素在熔体中活度的影响；
步骤2，按照原料分类分别对原料依次进行三级脱氧熔炼和精炼；
步骤3，三次精炼后，对炉室充氩气至≥10000Pa并加入低熔点合金元素，然后进行电磁搅拌一定时间后将温度调到浇注温度设定范围内浇注。
2.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，所述步骤2具体为：将碳与氧元素含量较低以及主体元素对氧的亲和力不强的原材料优先装炉熔炼和精炼；然后将含有的主体元素能够提高熔体中碳元素活度的原材料进行装炉熔炼和精炼；最后加入对氧元素亲和力较强且在熔炼过程中其氧化物能够形成渣的原材料，对其进行熔炼和精炼。
3.根据权利要求2所述的一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，所述对氧元素亲和力较强且在熔炼过程中其氧化物能够形成渣的原材料为Al和Ti。
4.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，所述一级精炼温度为1490-1510℃，精炼时间为30-40分钟。
5.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，所述二级精炼温度为1480-1500℃，精炼时间为20-30分钟。
6.根据权利要求1任一项所述的一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，所述三级精炼温度为1460-1480℃，精炼时间为20-30分钟。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，所述熔炼和精炼过程中真空度小于0.1Pa。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种镍基高温合金多级脱氧真空感应熔炼方法，其特征在于，所述精炼过程中施加电磁搅拌，以促进熔体的脱气过程。
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