CN108950269A

CN108950269A - 一种控制k438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺

Info

Publication number: CN108950269A
Application number: CN201810856388.3A
Authority: CN
Inventors: 楼琅洪; 任建军; 薛新强; 杨明
Original assignee: Shenyang Zhongke Three New Materials Ltd By Share Ltd
Current assignee: Shenyang Zhongke Three New Materials Ltd By Share Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2018-12-07

Abstract

本发明公开了一种控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，属于高温合金母合金材料冶炼技术领域。该工艺包括：选择纯净化原料、按顺序装炉，一次精炼、二次精炼和浇注成型。本发明提供的冶炼工艺，能够保证各工序中合金O、N和S杂质元素含量的精确控制，通过本发明制备的一种K438合金具备优异的抗热腐蚀性能、良好的高温拉伸和持久性能。

Description

一种控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺

技术领域

本发明涉及高温合金母合金材料冶炼技术领域，具体涉及一种控制K438 母合金中杂质元素含量的冶炼工艺。

背景技术

高温合金被广泛应用于航空发动机、舰船以及工业燃气轮机高温热端部件的制备，其中，K438镍基铸造高温合金不仅具备优异的抗热腐蚀性能，而且具有较高的高温强度和良好的组织稳定性，综合性能水平与美国IN738合金相当，主要用于制备900oC以下的涡轮叶片。高温合金母合金的冶炼工艺与纯净化控制是提高合金力学性能与可靠性的关键手段。镍基高温合金中的O、N和S等元素被统称为合金中的微量有害杂质元素，其含量的高低是衡量高温合金纯净度的一项重要指标。在固态K438合金中这些杂质元素绝大部分以各类氧化物、氮化物、硫化物的形式存在于合金基体中，并对合金中的铸造缺陷(如夹杂、孔洞等)、力学性能、循环氧化性能和抗热腐蚀性能产生非常不利的影响。因此，掌握控制K438合金中O、N和S杂质元素含量的冶炼工艺与控制方法对于合金的安全应用，提高生产合格率意义重大。中科院金属研究所等科研单位在真空感应冶炼过程中采用特制CaO涂层特制坩埚和熔体阶段冷却法实现对S含量的控制，但CaO涂层特制坩埚不易制备，价格偏高，且容易水化，不易长期保存。目前，国内各大钢厂企业广泛利用Ca和Ca粉末控制高温合金中杂质S的含量，但含量控制大多在10ppm，甚至20ppm以上。而据相关研究表明，杂质元素S也能明显影响合金的氧化和热腐蚀性能，当S含量从10ppm降至更低时，合金1100oC的循环氧化性能得到显著改善。深入分析发现，这主要是由于S加速了合金表面氧化膜的剥落。S含量除了影响氧化膜的粘附性能以外，还会影响氧化膜的组成。此外，为了提高合金的抗热腐蚀性能，国外对燃气轮机用合金中S元素的控制非常严格，例如西门子公司要求制备的单晶合金中S含量小于3ppm。因此，掌握燃机叶片材料金冶炼工艺与O、N、S杂质元素精确控制方法对于提高叶片的循环氧化性能和抗热腐蚀性能至关重要。

发明内容

针对目前国内K438母合金中普遍存在的O、N和S杂质元素含量超标现状，本发明的目的在于提供一种控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，采用该工艺能够有效控制K438母合金中O、N和S杂质元素含量，所得母合金纯净度高、杂质少、成分均匀，具备优异抗热腐蚀性能、较高的高温强度和良好组织稳定性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，该工艺包括如下步骤：

(1)原材料选择：按照K438合金成分选择各元素原材料，所有原材料经烘烤去除水分后备用；

(2)装炉：将CaO粉末预热后放入坩埚底部，将去除水份后的Ni、Cr、 Co、Mo、Nb、W、C和Ta原料装入真空中频感应熔炼炉内；

(3)一次精炼：步骤(2)中装入坩埚内的合金原料全部熔化后，将熔化后的钢水在真空中频感应熔炼炉内进行一次精炼以实现合金化，精炼时间15-25 分钟，精炼温度1490-1510℃，真空度小于3Pa；精炼结束后，停止加热，精炼后的钢水在真空中频感应熔炼炉内冷冻结膜，待冷膜温度降至1420℃时，将 Al和Ti原料加入坩埚内，再将B和Zr原料加入坩埚内，将坩埚反复搅拌3-5 次，每次3～5分钟，两邻两次搅拌的时间间隔2分钟，从而进一步去除气体、排渣，提高原料合金化；

(4)炉内断电降温至1380～1400℃时加入稀土元素Y，保温时间3～5分钟后，将坩埚反复搅拌3-5次，每次3～5分钟，时间间隔2分钟；熔炼过程中CaO 粉末和稀土元素Y通过与合金熔体中的O和S产生冶金反应实现脱除合金中的 O、S有害杂质元素；

(5)二次精炼：精炼时间15-25分钟，精炼温度1510～1520℃，真空度小于1P；二次精炼有助于进一步提高合金的纯净度与合金化；

(6)二次精炼后，断电降温，合金熔体温度降至1490-1510℃时带电浇注成型，即得到得到K438母合金。

所述K438合金按重量百分含量计的化学成分为：Co 8.0-9.0％，W 2.4-2.8％， Mo1.5-2.0％，Al 3.2-3.7％，Ti 3.0-3.5％，Ta 1.5-2.0％，Nb 0.6-1.10％，B 0.005-0.015％，Zr 0.05-0.15％，Fe≤0.50％，Si≤0.30％，Mn≤0.20％，余量为Ni 和不可避免的杂质。

上述步骤(1)中，原料选择中，Zr元素选择海绵锆，Ti选择海绵钛，Cr 选择高纯铬，B选择B含量≥10wt.％的镍硼合金；上述原料的选择易于合金化并有助于合金纯净化。

上述步骤(2)中，CaO粉末的预热过程为：将CaO粉末放置在热处理炉中在900℃预热2～3小时。

上述步骤(2)中，在真空中频感应熔炼炉的坩埚内装料时，装料顺序为 1/2Ni→Cr→Co→Mo→Nb→W→C→Ta→1/2Ni，装料时要“下紧上松”，防止搭桥原料自底而上由紧密渐松，防止熔化时产生架桥现象。

上述步骤(4)中，稀土元素Y的添加量为母合金总重量的0.01-0.05％。

上述步骤(6)中，合金熔体带电浇注时，功率保持在80～160kW。

上述步骤(6)中，合金液浇注前使用的成型模具进行预热，预热过程为：在500℃进行烘烤，保温2小时。

采用上述工艺所制备的K438母合金中，杂质元素的含量为：硫(S)≤15ppm，氧(O)≤10ppm，氮(N)≤15ppm。

本发明的优点和有益效果如下：

本发明提供一种K438母合金的冶炼工艺，并保证各工序中合金O、N和S 杂质元素含量的精确控制，通过本发明制备的一种K438合金具备优异的抗热腐蚀性能、良好的高温拉伸和持久性能。

附图说明

图1为实施例1合金熔炼曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明为控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，该工艺包括如下步骤：

(1)按照K438合金成分选择各元素原料，并将原料放置于电炉烘干机中去除水份；其中Zr为海绵锆，Ti为海绵钛，Cr为高纯铬，易于合金化与纯净化，均匀溶解到钢水，炉料入炉前经过表面清理、分割及烘烤去除水份。其中， C、Cr、B、Zr、Al、Ti在电炉烘干机中的烘烤温度为400℃，烘烤时间为4小时，Mo、Nb在电炉烘干机中的烘烤温度为100℃，烘烤时间为4小时；

(2)将CaO粉末放置在900℃热处理炉中预热2～3小时，坩埚经过清理后，然后加至坩埚底部；将去除水份后的原料装入真空中频感应熔炼炉内，装料顺序为1/2Ni→Cr→Co→Mo→Nb→W→C→Ta→1/2Ni，装料时要“下紧上松”，防止搭桥；

(3)母合金化清后，将熔化后的钢水在真空中频感应熔炼炉内精炼以实现合金化，精炼15-25分钟，精炼温度保持在1500±10℃，真空度小于3Pa，精炼结束后，关闭真空中频感应熔炼炉，将精炼后的钢水在真空中频感应熔炼炉内冷冻结膜，冷膜温度降至1420℃时，缓慢将小料斗内的Al、Ti加入坩埚内，接着缓慢将小料仓内的B、Zr加入坩埚内，将坩埚大功率反复搅拌3-5次，每次3～5分钟，时间间隔2分钟，从而进一步去除气体、排渣，提高原料合金化；

(4)随后断电降温1380℃～1400℃加入稀土元素Y，稀土元素Y的添加量不超过母合金总重量的0.05％，保温时间3～5分钟，随后将坩埚反复搅拌3-5 次，每次3～5分钟，时间间隔2分钟。熔炼过程中CaO粉末和稀土元素Y通过与合金熔体中的O和S产生冶金反应实现脱除合金中的O、S有害杂质元素；

(5)随后进行二次精炼，精炼时间为15-25分钟，精炼温度保持在 1510～1520℃，真空度小于1Pa；

(6)二次精炼后，断电降温，合金熔体温度降至1500℃左右进行带电浇注，功率保持在80～160kW。同时，二次过滤加双挡板快速浇注保证流钢槽两侧和分配器都有大量残留钢液，以便熔体充分上浮，提高合金纯净度。另外，合金液浇注成型得到K438母合金的模具在使用前需烘烤500℃，保温2小时。

实施例1：

一种K438母合金冶炼工艺与O、N、S杂质元素精确控制方法，包括以下操作步骤(冶炼曲线见图1)：

步骤1.准备原料，并根据合金成分要求配好合金各个元素所需的量，本实施例合金成分(wt.％)：铬(Cr)16.0％，钼(Mo)1.5％，钨(W)2.5％，钽 (Ta)1.7％，铝(Al)3.5％，钛(Ti)3.2％，铌(Nb)1.0％，铁(Fe)0.3％，碳(C)0.15％，硼(B)0.01％，锆(Zr)0.10％，硅(Si)≤0.30％，其余为镍(Ni)。Zr为海绵锆，Ti为海绵钛，易于合金化，均匀溶解到钢水，炉料入炉前经过表面清理、分割及烘烤去除水份，其中，C、Cr、B、Zr、Al、Ti在电炉烘干机中的烘烤温度为400℃，烘烤时间为4小时，Mo、Nb在电炉烘干机中的烘烤温度为100℃，烘烤时间为4小时；

步骤2.将CaO粉末放置在900℃热处理炉中预热3小时，坩埚经过清理后，然后加至坩埚底部；将去除水份后的原料装入真空中频感应熔炼炉内，装料顺序为1/2Ni→Cr→Co→Mo→Nb→W→C→Ta→1/2Ni，装料时“下紧上松”，防止搭桥；

步骤3.母合金化清后，将熔化后的钢水在真空中频感应熔炼炉内精炼以实现合金化，精炼20分钟，精炼温度保持在1500℃，真空度小于3Pa，精炼结束后，关闭真空中频感应熔炼炉停止加热，将精炼后的钢水在真空中频感应熔炼炉内冷冻结膜，冷膜温度降至1420℃时，缓慢将小料斗内的Al、Ti加入坩埚内，接着缓慢将小料仓内的B、Zr加入坩埚内，对熔炼炉增加200kW功率后，将坩埚反复搅拌3次，每次3分钟，时间间隔2分钟，从而进一步去除气体、排渣，提高原料合金化；

步骤4.随后断电降温1400℃加入稀土元素Y，稀土元素Y的添加量大约在母合金总重量的0.05％左右，保温时间3分钟，随后将坩埚在200kW功率反复搅拌4次，每次3分钟，时间间隔2分钟。熔炼过程中CaO粉末和稀土元素 Y通过与合金熔体中的O和S产生冶金反应实现脱除合金中的O、S有害杂质元素；

步骤5.随后进行二次精炼，精炼时间为20分钟，精炼温度保持在1510℃，真空度小于1Pa；

步骤6.二次精炼后，断电降温，合金熔体温度降至1500℃左右进行带电浇注，功率保持在120kW。同时，二次过滤加双挡板快速浇注，以保证流钢槽两侧和分配器都有大量残留钢液，以便熔体充分上浮，提高合金纯净度。另外，合金液浇注成型得到K438母合金的模具在使用前需烘烤500℃，保温2小时。

按本实施例方法冶炼的K438母合金，真空感应炉容量为40kg，合金中的 O、N、S杂质元素含量分别低于10、15和15ppm。

按本实施例方法冶炼的K438母合金试棒的力学性能水平如表1所示。

表1实施例1合金力学性能

Claims

1.一种控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：

(2)装炉：将CaO粉末预热后放入坩埚底部，将去除水份后的Ni、Cr、Co、Mo、Nb、W、C和Ta原料装入真空中频感应熔炼炉内；

(3)一次精炼：步骤(2)中装入坩埚内的合金原料全部熔化后，将熔化后的钢水在真空中频感应熔炼炉内进行一次精炼以实现合金化，精炼时间15-25分钟，精炼温度1490-1510℃，真空度小于3Pa；精炼结束后，停止加热，精炼后的钢水在真空中频感应熔炼炉内冷冻结膜，待冷膜温度降至1420℃时，将Al和Ti原料加入坩埚内，再将B和Zr原料加入坩埚内，将坩埚反复搅拌3-5次，每次3～5分钟，两邻两次搅拌的时间间隔2分钟，从而进一步去除气体、排渣，提高原料合金化；

(4)炉内断电降温至1380～1400℃时加入稀土元素Y，保温时间3～5分钟后，将坩埚反复搅拌3-5次，每次3～5分钟，时间间隔2分钟；熔炼过程中CaO粉末和稀土元素Y通过与合金熔体中的O和S产生冶金反应实现脱除合金中的O、S有害杂质元素；

2.根据权利要求1所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：所述K438合金按重量百分含量计的化学成分为：Co 8.0-9.0％，W 2.4-2.8％，Mo 1.5-2.0％，Al 3.2-3.7％，Ti 3.0-3.5％，Ta 1.5-2.0％，Nb 0.6-1.10％，B 0.005-0.015％，Zr 0.05-0.15％，Fe≤0.50％，Si≤0.30％，Mn≤0.20％，余量为Ni和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：步骤(1)中，原料选择中，Zr元素选择海绵锆，Ti选择海绵钛，Cr选择高纯铬，B选择B含量≥10wt.％的镍硼合金；上述原料的选择易于合金化并有助于合金纯净化。

4.根据权利要求2所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：步骤(2)中，CaO粉末的预热过程为：将CaO粉末放置在热处理炉中在900℃预热2～3小时。

5.根据权利要求2所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：步骤(2)中，在真空中频感应熔炼炉的坩埚内装料时，装料顺序为1/2Ni→Cr→Co→Mo→Nb→W→C→Ta→1/2Ni，装料时要“下紧上松”，防止搭桥原料自底而上由紧密渐松，防止熔化时产生架桥现象。

6.根据权利要求2所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：步骤(4)中，稀土元素Y的添加量为母合金总重量的0.01-0.05％。

7.根据权利要求2所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：步骤(6)中，合金熔体带电浇注时，功率保持在80～160kW。

8.根据权利要求2所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：步骤(6)中，合金液浇注前使用的成型模具进行预热，预热过程为：在500℃进行烘烤，保温2小时。

9.根据权利要求2所述的控制K438母合金中杂质元素含量的冶炼工艺，其特征在于：所制备的K438母合金中，杂质元素的含量为：硫(S)≤15ppm，氧(O)≤10ppm，氮(N)≤15ppm。