CN110747360B - GH4720Li合金及其冶炼方法、GH4720Li合金零部件和航空发动机 - Google Patents

GH4720Li合金及其冶炼方法、GH4720Li合金零部件和航空发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种GH4720Li合金及其冶炼方法、GH4720Li合金零部件和航空发动机，涉及冶炼技术领域，GH4720Li合金的冶炼方法包括：对GH4720Li合金的原料进行真空感应熔炼；其中，在所述真空感应熔炼的精炼期采用100‑150KW的工频搅拌功率进行搅拌，在精炼过程中测量真空感应熔炼系统的漏气率，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值小于等于7％，则停止所述精炼。该冶炼方法可以有效降低冶炼时合金液中有害气体元素的含量，降低夹杂物数量分布，使获得的GH4720Li合金纯净度高，冶金质量高。

Description

GH4720Li合金及其冶炼方法、GH4720Li合金零部件和航空发 动机
技术领域
本发明涉及冶炼技术领域，尤其是涉及一种GH4720Li合金及其冶炼方法、GH4720Li合金零部件和航空发动机。
背景技术
目前，在冶炼GH4720Li合金时，真空感应熔炼的精炼期缺乏科学合理的操作准则及评判标准，仅依靠操作工人对坩埚内合金液表面的流动性或精炼时长作为精炼结束依据，这将不利于GH4720Li合金纯净度与冶金质量的稳定控制，进而限制了GH4720Li合金纯净度的进一步提升。因此，升级精炼期的冶炼工艺对于进一步提升GH4720Li合金的纯净度与力学性能至关重要。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GH4720Li合金的冶炼方法，该冶炼方法可以有效降低冶炼时合金液中有害气体元素的含量，降低夹杂物数量分布，使获得的GH4720Li合金纯净度高，冶金质量高。
本发明提供的GH4720Li合金的冶炼方法，包括：对GH4720Li合金的原料进行真空感应熔炼；
其中，在所述真空感应熔炼的精炼期采用100-150KW的工频搅拌功率进行搅拌，在精炼过程中测量真空感应熔炼系统的漏气率，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值小于等于7％，则停止所述精炼。
进一步地，若相邻两次漏气率的变化率的绝对值小于等于5％，则停止所述精炼。
进一步地，在所述精炼期采用115-135KW的工频搅拌功率进行搅拌。
进一步地，相邻两次测量漏气率的时间间隔为5-10min。
进一步地，每次测量漏气率的时间为30-60s。
进一步地，精炼的温度为1500-1600℃；
优选地，所述真空感应熔炼时的真空度大于0小于等于50Pa。
进一步地，在所述真空感应熔炼之后，还包括电渣重熔和/或真空电弧重熔；
优选地，在所述真空感应熔炼之后，还包括依次进行的电渣重熔和真空电弧重熔。
一种前面所述的冶炼方法冶炼得到的GH4720Li合金。
一种GH4720Li合金零部件，所述GH4720Li合金零部件的至少一部分是利用前面所述的GH4720Li合金制备得到的；
优选地，所述GH4720Li合金零部件包括航空发动机涡轮盘、航空发动机压气机盘、航空发动机叶片以及航空发动机燃气机盘中的至少一种。
一种航空发动机，包括前面所述的GH4720Li合金零部件。
与现有技术相比，本发明至少可以取得以下有益效果：
在真空感应熔炼的精炼期，采用100-150KW的小功率进行搅拌，可以代替原来的停电结膜操作，可有效增加合金液的搅拌效果，提高合金液的均匀程度，利于排除有害气体元素(例如O、N和H)，利于降低合金液中杂质含量；在排除有害气体元素时，真空感应熔炼系统中会产生一定的漏气率，在精炼期通过多次测量真空感应熔炼系统的漏气率，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值小于等于7％，则表明合金液中有害气体逸出量极少，合金液的纯净度符合工艺要求，利于精确地控制有害气体元素以及杂质的去除，进而使冶炼获得的GH4720Li合金纯净度极高，质量极高，疲劳寿命高。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种GH4720Li合金的冶炼方法，包括：对GH4720Li合金的原料进行真空感应熔炼；
其中，在所述真空感应熔炼的精炼期采用100-150KW的工频搅拌功率进行搅拌，在精炼过程中测量真空感应熔炼系统的漏气率，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值小于等于7％(例如可以为7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％或者0等)，则停止所述精炼。
可以理解的是，在精炼期，GH4720Li合金的原料全部熔融形成合金液。
在真空感应熔炼的精炼期，采用100-150KW(例如可以为100KW、110KW、120KW、130KW、140KW或者150KW等)的小功率进行搅拌，可以代替原来的停电结膜操作，可有效增加合金液的搅拌效果，提高合金液的均匀程度，利于排除有害气体元素(例如O、N和H)，利于降低合金液中杂质含量；在排除有害气体元素时，真空感应熔炼系统中会产生一定的漏气率，在精炼期通过多次测量真空感应熔炼系统的漏气率，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值小于等于7％，则表明合金液中有害气体逸出量极少，合金液的纯净度符合工艺要求，利于精确地控制有害气体元素以及杂质的去除，进而使冶炼获得的GH4720Li合金纯净度极高，质量极高，疲劳寿命高。若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值大于7％，合金液中有害元素的含量较多，应当延长精炼时间。相对于上述工频搅拌功率范围，当精炼时采用的搅拌功率过高时，则造成不必要的能量浪费，当精炼时采用的搅拌功率过低时，则会降低去气效果。
与精炼期采用停电结膜的方式相比，由于停电结膜操作会降低合金液的搅拌效果，不利于排除有害气体元素(O、N、H)并影响夹杂物的碰撞聚集长大，导致合金液中杂质含量上升；本发明采用小功率搅拌进行精炼的方式有利于有害气体元素的排除，增加合金液的搅拌效果与混匀效果，促使合金液更加均匀，提高夹杂物碰撞聚集长大的效果，进而使合金液中杂质含量下降，提高GH4720Li合金纯净度和质量。
在精炼期，依靠较低的真空度可以进行有效的脱H，但是O、N与H不同，O依靠与C与反应生成CO进行脱氧，在脱氧过程中伴随着脱N，从而降低合金液有害气体元素的含量。
在本发明的一些具体实施方式中，上述漏气率的变化率指的是：假设相邻两次测量的漏气率为第N(其中，N为大于等于1的自然数)次测量的漏气率LN和第N+1次测量的漏气率LN+1，则第N次和第N+1次相邻两次漏气率的变化率可以用下式进行计算：(LN-LN+1)/LN，第N次和第N+1次相邻两次漏气率的变化率的绝对值为|(LN-LN+1)|/LN。
在本发明的另一些具体实施方式中，可以用真空度的变化率来表示漏气率，具体地，在真空感应熔炼过程中一直对真空感应熔炼系统进行抽真空，使在不测量漏气率时真空感应熔炼系统中的真空度维持在同一真空度P0，当第N次测量漏气率时，停止抽真空预定的时间t，假设系统的真空度上升至PN，该预定时间内真空度的变化率为|P0-PN|/t，当第N+1次测量漏气率时，停止抽真空预定的时间t(与第N次的预定时间相同)，假设系统的真空度上升至PN+1，该预定时间内真空度的变化率为|P0-PN+1|/t，则第N次和第N+1次相邻两次漏气率的变化率可以用下式进行计算：((|P0-PN|/t)-(|P0-PN+1|/t))/(|P0-PN|/t)，第N次和第N+1次相邻两次漏气率的变化率的绝对值为|((|P0-PN|/t)-(|P0-PN+1|/t))|/(|P0-PN|/t)。由此，利用真空度来反映漏气率的变化率的方法操作起来简单、方便，易于实现。需要说明的是，上述预定时间t可以为30s，也可以为60s，也可以为其他方便测量的时间，具体的可以根据实际情况进行选择。
需要说明的是，本文中使用的描述“||”表示的是绝对值。
可以理解的是，上述真空度变化的原因可以包括脱除有害元素时产生的有害气体的量进入真空感应熔炼系统使真空感应熔炼系统的真空度发生变化，也可以包括外界空气进入真空感应熔炼系统使真空感应熔炼系统的真空度发生变化。
在本发明的一些优选实施方式中，若相邻两次漏气率的变化率的绝对值小于等于5％，则停止所述精炼。由此，相邻两次漏气率相差更小，合金液中夹有害气体元素以及杂物的数量更少，更有利于提高冶炼获得的GH4720Li合金的纯净度、质量和疲劳寿命。
需要说明的是，上述夹杂物可以包括碳氮夹杂物以及碳化硅夹杂物等，可以利用扫描电镜(SEM)以及Image Pro plus软件观察并统计夹杂物的数量及其分布。
在本发明的一些优选实施方式中，在所述精炼期采用115-135KW的工频搅拌功率进行搅拌。由此，更利于有害气体元素的排除，更有利于减少夹杂物，更有利于提高冶炼获得的GH4720Li合金的纯净度、质量和疲劳寿命，冶金质量更高。
在本发明的一些实施方式中，相邻两次测量漏气率的时间间隔为5-10min(例如可以为5min、6min、8min或者10min等)。由此，时间间隔合适，测得的相邻两次测量漏气率的变化率可以比较准确地判断精炼是否可以结束。
在本发明的一些实施方式中，每次测量漏气率的时间为30-60s(例如可以为30s、40s、50s或者60s等)。由此，每次测得的漏气率比较准确。
在本发明的一些实施方式中，精炼的温度为1500-1600℃(例如可以为1500℃、1550℃或者1600℃等)；所述真空感应熔炼时的真空度大于0小于等于50Pa(例如可以为10Pa、20Pa、30Pa、40Pa或者50Pa等)。由此，精炼效果较佳。
在本发明的一些具体实施方式中，真空感应熔炼是在真空感应熔炼炉中进行的，整个真空感应熔炼炉可以视作真空感应熔炼系统。
在本发明的一些具体实施方式中，真空感应熔炼(VIM)结束后获得的GH4720Li合金中夹杂物数量的分布可以低至3548N/mm2，在455℃测试GH4720Li合金的疲劳寿命时，循环次数提高到6315次。
在本发明的一些实施方式中，在所述真空感应熔炼之后，还包括电渣重熔和/或真空电弧重熔。由此，利于进一步提高GH4720Li合金的质量。
在本发明的一些优选实施方式中，在所述真空感应熔炼之后，还包括依次进行的电渣重熔(ESR)和真空电弧重熔(VAR)。
可以理解的是，上述电渣重熔和真空电弧重熔为常规的电渣重熔和真空电弧重熔，在此不再过多赘述。
在本发明的一些具体实施方式中，上述冶炼方法包括以下步骤：配料→备料→装料→给电→抽高真空→合金料全熔→测温→调小功率→精炼→→侧漏气率→取样→调料→测温→充氩→加微量元素→取样→测温→结膜→给电→浇注。
在本发明的另一些具体实施方式中，上述冶炼方法包括以下步骤：
1、配料：根据GH4720Li合金成分控制要求，按照质量百分比计算各元素原材料用量；
2、备料：精选金属镍(例如镍板)、金属钴(例如钴板)、金属铬、金属钼(例如钼条)、金属钨(例如钨条)、硼铁及石墨电极等，所有原材料需清洁、无油污；
3、装料：镍板、钴板等散乱装入炉底，钨条、钼条等布入真空感应炉的坩埚中层位置，中间合金(包括Ni、Co和Cr等)置于其上；
4、抽高真空：真空感应炉抽真空至0～50Pa；
5、熔化期：合金料全熔温度为1400℃～1590℃；
6、精炼期：合金料全熔后进入精炼期，调整熔化功率，采用100-150KW的工频搅拌功率进行搅拌，加入合金元素Al和Ti，进入精炼期90min后开始测量漏气率，精炼温度控制在1500℃～1600℃之间，通过比较相邻两次漏气率的变化率来评判精炼阶段是否结束，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值小于等于7％，则停止精炼；
7、充氩：精炼期结束后熔炼室充入氩气；
8、充入氩气后将微量合金元素(包括Zr、B等)混合后加入坩埚中，搅拌微量合金元素熔融后得到合金成品样；
9、合金的浇注：取步骤8中的合金液进行浇注得到GH4720Li合金，浇注温度为1420℃～1500℃，浇注Φ360mm电极的时间为11min～15min(需要说明的是，该时间范围是指浇注2支电极时间，若浇注一支时，时间减半)。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的冶炼方法冶炼得到的GH4720Li合金。该GH4720Li合金纯净度高，疲劳寿命长。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种GH4720Li合金零部件，所述GH4720Li合金零部件的至少一部分是利用前面所述的GH4720Li合金制备得到的。
在本发明的一些实施方式中，所述GH4720Li合金零部件包括航空发动机涡轮盘、航空发动机压气机盘、航空发动机叶片以及航空发动机燃气机盘中的至少一种。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种航空发动机，包括前面所述的航空发动机叶片。
需要说明是，上述航空发动机除了包括前面所述的航空发动机叶片之外，还可以包括常规航空发动机应该具备的结构，例如进气道以及燃烧室等，在此不再过多赘述。
下面结合具体实施例对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例
下述实施例和对比例中，GH4720Li合金的组成为如下：C0.01-0.04wt％、Al2.0～3.4wt％、W 0.8～2.2wt％、Zr0.02～0.08wt％、Co14.0～17.0wt％、Cr15.0～17.0wt％、Mo2.2～3.8wt％、Ti4.2～5.8wt％、以及余量的Ni；
GH4720Li合金中夹杂物数量分布的测试方法为利用扫描电镜数进行测定；
GH4720Li合金的疲劳寿命的测试方法为GB/T 3075-2008。
实施例1
GH4720Li合金的冶炼方法包括以下步骤：
1、配料：根据GH4720Li合金成分控制要求，按照质量百分比计算各元素原材料用量；
2、备料：精选镍板、钴板、金属铬、钼条、钨条、硼铁、石墨电极、铝、钛和锆，所有原材料需清洁、无油污；
3、装料：镍板、钴板散乱装入炉底，钨条、钼条布入真空感应炉的坩埚中层位置，中间合金置于其上；
4、抽高真空：真空感应炉抽真空至30Pa；
5、熔化期：合金料全熔温度为1530℃；
6、精炼期：合金料全熔后进入精炼期，采用130KW的工频搅拌功率进行搅拌，加入合金元素Al和Ti，进入精炼期90min后开始测量漏气率，精炼温度控制在1550℃，通过比较相邻两次漏气率的变化率来评判精炼阶段是否结束，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值为6.5％-7％，停止精炼；
7、充氩：精炼期结束后熔炼室充入氩气；
8、充入氩气后将微量合金元素混合后加入坩埚中，搅拌微量合金元素熔融后得到合金成品样；
9、合金的浇注：取步骤8中的合金液进行浇注得到GH4720Li合金，浇注温度为1500℃，浇注Φ360mm电极的时间为15min。
实施例2
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值为4.5％-5％，停止精炼。
实施例3
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值为1.5％-2％，停止精炼。
实施例4
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，采用100KW的工频搅拌功率进行搅拌。
实施例5
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，采用150KW的工频搅拌功率进行搅拌。
实施例6
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，采用135KW的工频搅拌功率进行搅拌。
实施例7
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，采用115KW的工频搅拌功率进行搅拌。
对比例1
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值为8.5％-9％，停止精炼。
对比例2
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，采用60KW的工频搅拌功率进行搅拌。
对比例3
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6中，采用200KW的工频搅拌功率进行搅拌。
对比例4
GH4720Li合金的冶炼方法同实施例1，不同之处在于步骤6的精炼期的操作工艺不同，具体的：在合金料全熔后到精炼过程要加入Al、Ti和微量合金元素，在加入元素之前采用停电5分钟的方式，使表面稍微凝成一个薄膜，然后加料。
测量实施例1-7以及对比例1-4中得到的GH4720Li合金的夹杂物数量分布以及其中H、N和O元素的总含量，并测量GH4720Li合金的疲劳寿命，测量结果如下表1所示：
表1
Figure BDA0002306494880000101
Figure BDA0002306494880000111
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种GH4720Li合金的冶炼方法，其特征在于，冶炼方法包括以下步骤：
(1)、配料：根据GH4720Li合金成分控制要求，按照质量百分比计算各元素原材料用量；
(2)、备料：精选镍板、钴板、金属铬、钼条、钨条、硼铁、石墨电极、铝、钛和锆，所有原材料需清洁、无油污；
(3)、装料：镍板、钴板散乱装入炉底，钨条、钼条布入真空感应炉的坩埚中层位置，中间合金置于其上；
(4)、抽高真空：真空感应炉抽真空至30Pa；
(5)、熔化期：合金料全熔温度为1530℃；
(6)、精炼期：合金料全熔后进入精炼期，采用130KW的工频搅拌功率进行搅拌，加入合金元素Al和Ti，进入精炼期90min后开始测量漏气率，精炼温度控制在1550℃，通过比较相邻两次漏气率的变化率来评判精炼阶段是否结束，若相邻两次测量到的漏气率的变化率的绝对值为1.5～2％，停止精炼；
(7)、充氩：精炼期结束后熔炼室充入氩气；
(8)、充入氩气后将微量合金元素混合后加入坩埚中，搅拌微量合金元素熔融后得到合金成品样；
(9)、合金的浇注：取步骤8中的合金液进行浇注得到GH4720Li合金，浇注温度为1500℃，浇注Φ360mm电极的时间为15min。
2.一种权利要求1所述的冶炼方法冶炼得到的GH4720Li合金。
3.一种GH4720Li合金零部件，其特征在于，所述GH4720Li合金零部件的至少一部分是利用权利要求2所述的GH4720Li合金制备得到的。
4.根据权利要求3所述的GH4720Li合金零部件，其特征在于，所述GH4720Li合金零部件包括航空发动机涡轮盘、航空发动机压气机盘、航空发动机叶片以及航空发动机燃气机盘中的至少一种。
5.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求3或4所述的GH4720Li合金零部件。
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