CN107686901B - 一种采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉高温合金冶炼领域，尤其是高纯镍基高温合金冶炼技术，具体为一种采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法。该方法步骤如下：(1)采用真空感应熔炼炉冶炼并真空浇注；(2)金属熔体在真空下金属液沸腾，通过碳氧反应降低合金中氧含量；(3)降温结膜，加入自制纯钙线；(4)低温搅拌并静置后，进行真空浇注。本发明解决商业硅钙线和铁钙线在使用过程中的增硅和铁污染合金的问题，纯钙线结构设计保证足够的喂线深度，防止纯钙线使用过程中喷溅，实现大规模批量生产镍基高温合金纯净化问题，降低冶炼成本，通过采用钙对高温合金中杂质变质处理，减小加夹杂物尺寸，减少合金中夹杂物数量，为高温合金的纯净化冶炼提供有效途径。

Description

一种采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法
技术领域：
本发明涉高温合金冶炼领域，尤其是高纯镍基高温合金冶炼技术，具体为一种采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法。
背景技术：
镍基高温合金是制造航空发动机热端部件关键材料，镍基高温合金的性能对航空发动机起到非常关键作用。然而，镍基高温合金的性能主要取决于母合金的冶炼质量，如何降低获得高纯度高品质的镍基高温合金母合金非常重要。此外，合金中较高含量杂质元素在凝固过程中会形成氧化物、氮化物等夹渣，堵塞合金熔体补缩通道，导致铸造合金零件形成显微疏松，减低零件的合格率。因此，需要对合金中氧、氮和硫控制在较低的水平。
目前，对于冶炼高纯高温合金母合金来说，通常采用氧化钙或氧化锆坩埚并添加钙的措施来控制杂质含量。但是，这些方法成本较高，并且传统加钙的方法很难将钙添加至熔体底部，且常规钙线均是采用钙包芯材料多以铁硅材料为主，易对镍基高温合金产生污染。而采用经脱气处理的高纯度原料进行真空冶炼母合金时，大幅的提高了高温合金的成本，降低了产品的市场竞争力。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法，采用真空冶炼及自制纯钙线的方法，解决目前采用高纯原料、氧化钙坩埚等成本高的问题，以及传统钙线对高温合金母合金污染的问题。
本发明的技术方案是：
一种采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法，具体步骤如下：
(1)采用真空感应炉冶炼，金属液面距离氧化镁坩埚口100mm以上，冶炼真空度要求在10～100Pa，以防止金属熔体飞溅；
(2)镍或高温合金熔化后，保持在0.05～10Pa真空度下沸腾5～30min，通过真空碳氧反应形成CO气泡降低合金熔体的氧含量，且不添加任何脱氧剂或脱氧合金，温度为1500～1650℃；
(3)降温结膜，当氧含量在15ppm以下时，温度在1350～1450℃时添加自制纯钙线，添加量占0.001～2wt％，其余为Ni或高温合金材料；
自制纯钙线结构以纯钙线为内芯，外皮采用纯镍或采用熔炼高温合金成分相同的中空棒，以避免引入其他合金元素污染；
(4)添加自制纯钙线后，静置1～15min进行真空浇注，获得氧含量在10ppm以下、氮含量在10ppm以下、硫含量在5ppm以下的镍或高温合金铸锭。
所述的采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法，步骤(1)中，金属熔化后剧烈飞溅时，将真空度保持在50～100Pa，并通入体积纯度99.999％的高纯氩气，至炉料完全熔化。
所述的采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法，在加入自制纯钙线前，对自制纯钙线进行300～500℃烘烤，避免加入纯钙线后使金属液的氧含量增加。
所述的采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法，自制纯钙线内芯采用高密度钙棒，钙含量要求≥99wt.％，自制纯钙线内芯的直径5～10mm。
所述的采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法，优选的炼冶工艺，冶炼温度1500～1650℃，镍或高温合金熔化后，保持在0.05～5Pa真空度下沸腾10～30min。
所述的采用纯钙线的高纯镍或高温合金冶炼方法，优选的纯钙线结构，将纯镍或中空高温合金包覆于纯钙外部，有利于对熔体底部进行钙处理，自制纯钙线的添加量占0.5～2wt％，其余为Ni或高温合金材料。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明工艺设计合理，采用传统氧化镁坩埚在高真空条件下利用碳氧反应形成CO降低合金中的氧含量，具有操作简单，成本低的优点。
2、本发明操作简单，设计合理，钙线加入工艺合理，可操作性强，可显著降低喂钙线过程中对高温合金熔体的污染。
3、本发明适用于各种成分的镍基高温合金材料，利用本发明可实现不同规格坩埚高纯度镍基高温合金的熔炼。
总之，本发明解决了采用商业硅钙线和铁钙线在使用过程中的增硅和铁污染合金的问题。纯钙线结构设计保证了足够的喂线深度，解决了纯钙线使用过程中喷溅问题，实现了大规模批量生产镍基高温合金纯净化问题，降低了冶炼成本，同时，通过采用钙对高温合金中杂质变质处理，减小加夹杂物尺寸，减少合金中夹杂物数量，为高温合金的纯净化冶炼提供了有效途径。
附图说明：
图1纯镍包芯钙线示意图。
图2镍基高温合金包芯钙示意图。
图3使用后氧化铝坩埚X射线衍射图。
具体实施方式：
下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
浇注10kg铸锭，铸锭材料为K417G镍基高温合金(成分如表1所示)，采用真空感应炉冶炼和普通合金材料，感应炉采用氧化镁坩埚，金属液熔化后距炉口为100mm，冶炼过程要求真空度在30Pa。金属材料熔化后保持真空度在10Pa条件下金属液沸腾10分钟，温度为1500℃，目的在于利用真空条件下碳与氧反应形成CO起到脱氧的作用，利用碳脱氧的作用，合金中的氧含量可以降到15ppm。降温结膜，当氧含量在10ppm时，温度在1350℃时向高温合金熔体送入自制纯钙线(钙线结构如图1所示，以纯钙线为内芯，外皮采用纯镍，自制纯钙线内芯的直径6mm，外皮的外径为12mm，外皮材料为高温合金)，使钙含量为0.001wt％，添加前在真空条件下400℃烘烤10分钟，添加钙线后合金熔体在1350℃保温静置1min，后进行真空浇注获得氧含量10ppm、氮含量7ppm、硫含量小于5ppm的铸锭。
表1K417G镍基高温合金成分(wt.％)
C Cr Co Al Ti V B Zr Ni
实施例1 0.15 9 10 5.3 4.5 0.75 0.018 0.06 余
实施例2
浇注500kg铸锭，铸锭材料为K444镍基高温合金(成分如表2所示)，采用真空感应炉冶炼和普通合金材料，感应炉采用氧化铝坩埚，金属液熔化后距炉口为300mm，冶炼过程要求真空度在100Pa。金属材料熔化后保持真空度在0.05Pa条件下金属液沸腾30分钟，温度为1580℃，目的在于利用真空条件下碳与氧反应形成CO起到脱氧的作用，利用碳脱氧的作用，合金中的氧含量可以降到15ppm。降温结膜，当氧含量在8ppm时，温度在1450℃时向高温合金熔体加入Ti、Al等元素，并送入自制纯钙线(钙线结构如图2所示，以纯钙线为内芯，外皮采用熔炼高温合金成分相同的中空棒，自制纯钙线内芯的直径10mm，外皮的外径为18mm，中空棒的一端带有手柄，方便加料机构进行夹持)，使钙含量为2wt％，添加前在真空条件下300℃烘烤10分钟，添加钙线后合金熔体在1450℃保温静置10min，后进行真空浇注获得氧含量8ppm、氮含量8ppm、硫含量小于5ppm的铸锭。
表2K444镍基高温合金成分(wt.％)
C Cr Co Al W Mo Nb Hf Ti Ni
实施例2 0.085 15.0 10.0 3.0 5.0 2.0 0.2 0.3 4.5 余
如图3所示，从使用后氧化铝坩埚X射线衍射图可以看出，在坩埚壁上有CaO的衍射峰，表明合金熔体的氧与钙结合形成CaO，并附着在坩埚壁上，起到脱除合金熔体中氧的作用。
实施例3
浇注25kg铸锭，铸锭材料为K417G镍基高温合金(成分如表1所示)，采用真空感应炉冶炼和普通合金材料，感应炉采用氧化镁坩埚，金属液熔化后距炉口为150mm，冶炼过程要求真空度在10Pa。金属材料熔化后保持真空度在5Pa条件下金属液沸腾10分钟，温度为1600℃，目的在于利用真空条件下碳与氧反应形成CO起到脱氧的作用，利用碳脱氧的作用，合金中的氧含量可以降到15ppm。降温结膜，当氧含量在9ppm时，温度在1400℃时向高温合金熔体送入自制纯钙线(钙线结构如图1所示，以纯钙线为内芯，外皮采用纯镍，自制纯钙线内芯的直径6mm，外皮的外径为12mm，外皮材料为纯镍)，使钙含量为0.8wt％，添加前在真空条件下300℃烘烤5分钟，添加钙线后合金熔体在1400℃保温静置1min，后进行真空浇注获得氧含量9ppm、氮含量8ppm、硫含量小于5ppm的铸锭。
本发明工作过程及结果如下：
本发明通过感应真空熔炼炉熔化与真空浇注，通过一次碳氧反应降低合金中的氧含量，并在金属液中加入自制的钙线，并通过优化钙线的结构与熔炼工艺，实现10～500kg感应真空熔炼炉的深度脱氧，降低了镍或高温合金中氧含量，从而减少了镍或高温合金中非金属夹杂，提高产品内在质量与产品合格率，有利于提升我国航空发动机热端部件的制造水平。
实施例的结果表明，本发明通过优化钙线的结构与真空熔炼工艺，适用于高纯镍或高温合金的冶炼，可显著降低镍或高温合金中氧含量，可将镍或高温合金氧、氮含量降低至10ppm以下，提高了镍液或高温合金液的纯净度，有利于提高高温结构零件的使用寿命和产品合格率。并且，本发明通过优化钙线结构和熔炼工艺，有效避免了传统钙线对镍或高温合金的污染以及采用纯钙无法进入钢液底部影响脱氧效果，通过采用钙对钢液中夹杂物变质处理，为镍或高温合金的纯净化冶炼提供了有效途径。

Claims (6)

1.一种采用纯钙线的高纯镍或镍基高温合金冶炼方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)采用真空感应炉冶炼，金属液面距离氧化镁坩埚口100mm以上，冶炼真空度要求在10～100Pa，以防止金属熔体飞溅；
(2)镍或镍基高温合金熔化后，保持在0.05～10Pa真空度下沸腾5～30min，通过真空碳氧反应形成CO气泡降低合金熔体的氧含量，且不添加任何脱氧剂或脱氧合金，温度为1500～1650℃；
(3)降温结膜，当氧含量在15ppm以下时，温度在1350～1450℃时添加自制纯钙线，添加量占0.001～2wt％，其余为Ni或镍基高温合金材料；
自制纯钙线结构以纯钙线为内芯，外皮采用纯镍或采用熔炼镍基高温合金成分相同的中空棒，以避免引入其他合金元素污染；
(4)添加自制纯钙线后，静置1～15min进行真空浇注，获得氧含量在10ppm以下、氮含量在10ppm以下、硫含量在5ppm以下的镍或镍基高温合金铸锭。
2.按照权利要求1所述的采用纯钙线的高纯镍或镍基高温合金冶炼方法，其特征在于，步骤(1)中，金属熔化后剧烈飞溅时，将真空度保持在50～100Pa，并通入体积纯度99.999％的高纯氩气，至炉料完全熔化。
3.按照权利要求1所述的采用纯钙线的高纯镍或镍基高温合金冶炼方法，其特征在于，在加入自制纯钙线前，对自制纯钙线进行300～500℃烘烤，避免加入纯钙线后使金属液的氧含量增加。
4.按照权利要求1所述的采用纯钙线的高纯镍或镍基高温合金冶炼方法，其特征在于，自制纯钙线内芯采用高密度钙棒，钙含量要求≥99wt.％，自制纯钙线内芯的直径5～10mm。
5.按照权利要求1所述的采用纯钙线的高纯镍或镍基高温合金冶炼方法，其特征在于，步骤(2)中，冶炼温度1500～1650℃，镍或镍基高温合金熔化后，保持在0.05～5Pa真空度下沸腾10～30min。
6.按照权利要求1所述的采用纯钙线的高纯镍或镍基高温合金冶炼方法，其特征在于，纯钙线结构，将纯镍或中空镍基高温合金包覆于纯钙外部，有利于对熔体底部进行钙处理，自制纯钙线的添加量占0.5～2wt％，其余为Ni或镍基高温合金材料。
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