CN111118319A

CN111118319A - 等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法

Info

Publication number: CN111118319A
Application number: CN202010126127.3A
Authority: CN
Inventors: 彭伟平; 彭凌剑; 金开锋; 周志坚; 魏旭旺
Original assignee: Jiangsu Qina New Material Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Qina New Material Technology Co ltd
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: CN111118319B

Abstract

本发明涉及高温合金棒材领域，公开了一种等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，将原材料分为活泼和惰性两种，先将惰性原材料完全熔化后，在真空感应炉精炼舱里添加四元系精炼渣进行深度脱气、去除夹杂物，精炼完成后加入C，降温后加入其余活泼原材料，分阶段进行合金化，然后将精炼的钢水转移至中间包中，静置让夹杂物充分上浮；最后在钢液温度高出合金熔点30℃~100℃时启动连铸程序，水平拉拔出平直致密的高温合金电极棒；定尺切割后即可加工为等离子旋转电极用高温合金电极棒成品。整个制备过程均在真空状态完成，纯净度可达到三联冶炼工艺的水平，得到的电极棒内部组织致密，无集中缩孔。

Description

等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法

技术领域

本发明涉及高温合金棒材的制备领域，特别涉及一种等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法。

背景技术

高温合金是制造航空、航天、核电等领域热端部件的关键材料，利用等离子旋转电极法获得高质量高温合金球形粉末是满足3D打印及热等静压等工艺制备高性能高温合金构件的关键。高纯净高致密高精度的等离子旋转电极用高温合金电极棒是利用等离子旋转电极法制取高性能高温合金球形粉末的核心环节。

为了获得高纯净高致密高精度的等离子旋转电极用高温合金电极棒，传统方法通常采用真空感应熔炼+真空自耗重熔或者真空感应熔炼+气保护电渣重熔+真空自耗的两联或三联工艺冶炼，然后通过快锻机锻打成指定尺寸的高温合金电极棒。然而，此工艺方法流程长，批次产品的化学成分难以稳定控制，进而会影响到粉末及其制品构件的性能稳定性，而且由于工艺流程长，并且在锻打过程中、锻打后存在切头去尾现象，造成材料的收得率低，电极棒的制备成本较高。另外，随着航空航天等领域技术的飞速发展，对高性能高强度高温合金的需求愈来愈迫切。此类高温合金的Al、Ti等γ′相形成元素含量高，无法通过锻打成型，只能通过真空感应熔炼金属模铸造成型，内部缩孔和夹杂物很难控制，其致密性和纯净度已不能满足制备高性能粉末对高质量等离子旋转电极的要求。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，通过本发明提供的工艺方法制备高温合金电极棒具有流程短、成本低、质量高且批次稳定性好等特点，能够满足制备高性能粉末对高质量等离子旋转电极的要求。

技术方案：本发明提供了一种等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，包括以下步骤：步骤1，配料，根据指定高温合金的标准成分及各元素的烧损规律，按比例选择惰性原材料和活泼原材料；步骤2，精炼合金化，将所述惰性原材料在真空感应熔炼炉坩埚内完全熔化后，在精炼舱室中加入1%~1.5%炉料重的配比好的CaF₂-CaO-MgO-SiO₂四元系精炼渣；在1520℃~1560℃之间精炼，深度脱气、去除夹杂，精炼时间为30~60分钟；精炼完成后加入活泼原材料C，降温至1410℃~1460℃，加入其余所述活泼原材料，大功率搅拌2~5分钟，得精炼合金化的钢水；步骤3，静置，将所述精炼合金化的钢水转移至中间包中静置10 ~20分钟，让夹杂物充分上浮；步骤4，连铸成型，待中间包中的钢液温度高出合金熔点30℃~100℃时启动连铸程序，从中间包底部接入的水冷结晶器中，水平拉拔出平直致密的高温合金电极棒。

优选地，所述的CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃四元精炼渣中，CaO的重量占比为30~35%，MgO的重量占比为5~10%，SiO₂的重量占比为10~15%，其余为CaF₂。

优选地，所述步骤2至步骤4始终处于真空度小于6Pa的真空环境中进行。

优选地，所述惰性原材料为Ni、Cr、Co、W、Mo和/或Nb。

优选地，其余的所述活泼原材料为Al、Ti、B、Zr、Hf、Ce和/或Y。

优选地，所述高温合金电极棒的直径为40~100mm。

有益效果：本方法先将惰性原材料完全熔化后，在真空感应炉精炼舱里添加四元系精炼渣进行深度脱气、去除夹杂物，精炼完成后加入活泼原材料C，降温后加入其余活泼原材料，分阶段进行合金化，得精炼合金化的钢水，然后在中间包中静置钢液进一步促使夹杂物上浮，最后在钢液温度高出合金熔点30℃~100℃时启动连铸程序，采用水平连铸的方式直接铸造成型，定尺切割后，即可按要求加工成等离子旋转电极用高温合金电极棒；整个制备过程均在真空状态完成，纯净度可达到三联冶炼工艺的水平，并且制备得到的内部组织致密，无集中缩孔。

1）本方法在真空感应炉中熔炼钢液，采用水平连铸的方式直接铸造成型，流程短，批次稳定性好，而且制备成本低，适用于所有牌号的高温合金。

2）本方法经过真空熔渣净化、静置处理，从中间包底部连铸出钢，纯净度可达到三联冶炼工艺的水平，并且内部组织致密，无集中缩孔。

3）本方法在水冷结晶器中凝固成型，表面光滑平直，后续外圆加工余量小于1mm。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的介绍。

实施方式1：

在2吨炉容量的真空感应熔炼连铸炉上制备等离子旋转电极用牌号为GH3536、径为Φ80mm的高温合金电极棒，包括如下步骤：

步骤1，配料，根据标准HB 5497-1992 规定的GH3536合金的成分范围（如表1），分别配入0.1%的C，22%的Cr，1.5%的Co，0.6%的W，9%的Mo，18%的Fe，0.01%的B，48.8%的Ni。

表1 GH3536合金的化学成分（wt%）

步骤2，加料，Ni、Cr、Co、W、Mo为惰性原材料，放入真空感应熔炼炉的坩埚中，B和C为活泼原材料放入料斗中后期加入。

步骤3，精炼合金化，保持真空度在5Pa，待真空感应熔炼炉的坩埚内的惰性原材料Ni、Cr、Co、W和Mo完全熔化后，在精炼舱室中加入20kg配比好的CaF₂-CaO-MgO-SiO₂四元系精炼渣，其中，CaO的重量占比为35%，MgO的重量占比为5%，SiO₂的重量占比为10%，CaF₂的重量占比为50%；在1520℃~1560℃之间精炼60分钟，深度脱气、去除夹杂；精炼完成后加入C，降温至1440℃~1450℃，加入活泼原材料B，大功率搅拌4分钟，得精炼合金化的钢水。

步骤4，静置，将精炼合金化的钢水转移至中间包中，静置10分钟~20分钟，让夹杂物充分上浮。

步骤5，连铸成型，待中间包中的钢液温度达到1430℃~1450℃时启动连铸程序，从中间包底部接入的水冷结晶器中，水平拉拔出直径为Φ80mm的GH3536合金电极棒。

经过沿轴线切开分析，未发现任何集中缩孔，最大单个缩孔1.1mm。表面光滑平直，最大缺陷尺寸小于0.3mm。氧含量为13ppm，氮含量为10ppm，纯净度非常高。

实施方式2：

在1吨炉容量的真空感应熔炼连铸炉上制备等离子旋转电极用牌号为FGH4096，直径为Φ50mm的高温合金电极棒，包括如下步骤：

步骤1，配料，根据标准GB/T 14992 规定的FGH4096合金的成分范围（如表2），分别配入0.04%的C，16%的Cr，13%的Co，4%的W，4%的Mo，2.3%的Al，0.8%的Nb，3.8%的Ti，0.01%的B，0.04%的Zr，0.01%的Ce，56%的Ni。

表2 FGH4096合金的化学成分（wt%）

C	Cr	Co	W	Mo	Al
						0.02~0.05	15.0~16.5	12.5~13.5	3.8~4.2	3.8~4.2	2.0~2.4
Nb	Ti	B	Zr	Ce	Ni
						0.6~1.0	3.5~3.9	0.006~0.015	0.025~0.05	0.005~0.01	余

步骤2，加料，将惰性原材料Ni、Cr、Co、W、Mo、Nb放入真空感应熔炼炉的坩埚中，活泼原材料B、C、Al、Ti、Zr和Ce放入料斗中后期加入。

步骤3，精炼合金化，保持真空度在4Pa，待真空感应熔炼炉的坩埚内的惰性原材料Ni、Cr、Co、W、Mo和Nb完全熔化后，在精炼舱室中加入10kg配比好的CaF₂-CaO-MgO-SiO₂四元系精炼渣，其中，CaO的重量占比为35%，MgO的重量占比为5%，SiO₂的重量占比为10%，CaF₂的重量占比为50%；在1520℃~1560℃之间精炼30分钟，深度脱气、去除夹杂；精炼完成后加入C，降温至1410℃~1430℃，加入活泼原材料Al、Ti、Zr、Ce、B，大功率搅拌2分钟，得精炼合金化的钢水。

步骤5，连铸成型，待中间包中的钢液温度达到1400℃~1420℃时启动连铸程序，从中间包底部接入的水冷结晶器中，水平拉拔出直径为Φ50mm的FGH4096合金电极棒。

经过沿轴线切开分析，未发现任何集中缩孔，最大单个缩孔0.5mm。表面光滑平直，最大缺陷尺寸小于0.3mm。氧含量为7ppm，氮含量为9ppm，纯净度非常高。

实施方式3：

在2吨炉容量的真空感应熔炼连铸炉上制备等离子旋转电极用牌号为K4169，直径为Φ80mm的高温合金电极棒，包括如下步骤：

步骤1，配料，根据标准Q/5B453-1995 规定的K4169合金的成分范围（如表3），分别配入0.05%的C，19%的Cr，3%的Mo，0.5%的Al，1%的Ti，5%的Nb，0.006%的B，0.03%的Zr，52%的Ni，19.41%的Fe。

表3 K4169合金的化学成分（wt%）

C	Cr	Ni	Mo	Al
					0.02~0.08	17.0~21.0	50.0~55.0	2.8~3.3	0.3~0.7
Ti	Nb+Ta	B	Zr	Fe
					0.65~1.15	4.4~5.4	≤0.006	≤0.05	余

步骤2，加料，将惰性原材料Ni、Cr、Fe、Mo和Nb放入真空感应熔炼炉的坩埚中，活泼原材料B、C、Al、Ti和Zr为放入料斗中后期加入。

步骤3，精炼合金化，保持真空度在3Pa，待真空感应熔炼炉的坩埚内的惰性原材料Ni、Cr、Fe、Mo和Nb完全熔化后，在精炼舱室中加入20kg配比好的CaF₂-CaO-MgO-SiO₂四元系精炼渣，CaO的重量占比为35%，MgO的重量占比为5%，SiO₂的重量占比为10%，CaF₂的重量占比为50%；在1520℃~1560℃之间精炼30分钟，深度脱气、去除夹杂；精炼完成后加C，降温至1410℃~1430℃，加入活泼原材料B、Al、Ti和Zr，大功率搅拌4分钟，得精炼合金化的钢水。

步骤5，连铸成型，待中间包中的钢液温度达到1440℃~1460℃时启动连铸程序，从中间包底部接入的水冷结晶器中，水平拉拔出直径为Φ80mm的K4169合金电极棒。

经过沿轴线切开分析，未发现任何集中缩孔，最大单个缩孔0.7mm。表面光滑平直，最大缺陷尺寸小于0.3mm。氧含量为7ppm，氮含量为14ppm，纯净度非常高。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，配料，根据指定高温合金的标准成分及各元素的烧损规律，按比例选择惰性原材料和活泼原材料；

步骤2，精炼合金化，将所述惰性原材料在真空感应熔炼炉坩埚内完全熔化后，在精炼舱室中加入1%~1.5%炉料重的配比好的CaF₂-CaO-MgO-SiO₂四元系精炼渣；在1520℃~1560℃之间精炼，深度脱气、去除夹杂，精炼时间为30~60分钟；精炼完成后加入活泼原材料C，降温至1410℃~1460℃，加入其余所述活泼原材料，大功率搅拌2~5分钟，得精炼合金化的钢水；

步骤3，静置，将所述精炼合金化的钢水转移至中间包中静置10 ~20分钟，让夹杂物充分上浮；

步骤4，连铸成型，待中间包中的钢液温度高出合金熔点30℃~100℃时启动连铸程序，从中间包底部接入的水冷结晶器中，水平拉拔出平直致密的高温合金电极棒。

2.根据权利要求1所述的等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，其特征在于，所述的CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃四元精炼渣中，CaO的重量占比为30~35%，MgO的重量占比为5~10%，SiO₂的重量占比为10~15%，其余为CaF₂。

3.根据权利要求1所述的等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，其特征在于，所述步骤2至步骤4始终处于真空度小于6Pa的真空环境中进行。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，其特征在于，所述惰性原材料为Ni、Cr、Co、W、Mo和/或Nb。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，其特征在于，其余的所述活泼原材料为Al、Ti、B、Zr、Hf、Ce和/或Y。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的等离子旋转电极用高温合金电极棒的制备方法，其特征在于，所述高温合金电极棒的直径为40~100mm。