CN111155021B - 高温合金锭坯及其制备方法和高温合金制件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温合金技术领域，公开了高温合金锭坯及其制备方法和高温合金制件，该高温合金锭坯中含有C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素和Ni元素；在所述锭坯的纵向截面的二分之一半径处，所述锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度≤20°，所述锭坯的平均二次枝晶臂间距为50‑150μm，所述锭坯的一次碳化物析出相的平均尺寸为1‑10μm；以及，在所述锭坯的纵向截面的中心处，所述锭坯中无等轴晶粒。本发明提供的锭坯元素偏析程度小，枝晶间析出相少，且析出的一次碳化物尺寸较小，具有较好的成分组织均匀性。

Description

高温合金锭坯及其制备方法和高温合金制件

技术领域

本发明涉及高温合金技术领域，具体涉及一种高温合金锭坯、一种制备高温合金锭坯的方法及由所述方法制备得到的高温合金锭坯、由所述高温合金锭坯制备得到的高温合金制件。

背景技术

目前，航空发动机为满足热效率的提升，对承温能力高的镍基涡轮盘高温合金需求正在不断增加，促使我们材料研究和生产者不断地发展新型高合金化高温合金。

为提高高温合金的强度，研究者们采用了一系列的方法，例如采用添加更多的固溶强化元素诸如W、Mo、Cr和Co增加合金高温强度，但合金在凝固时偏析非常严重，且容易形成有害相；又比如添加更多的沉淀强化元素诸如Al、Ti、Ta和Nb以增加强化相含量，但是合金的热加工窗口窄，热加工性能变差；又如，添加更多的晶界强化元素比如C、B和Zr，但是此种方法容易形成大尺寸一次碳化物、硼化物、低熔点的锆化物相等，降低合金初熔点，给冶炼带来困难，热加工塑性变差、窗口变窄。

高温合金锭坯冶金质量的好坏是决定锭坯能否顺利的进行后续热加工锻造以及后续锻件能否实现应用的关键。锭坯冶金质量通常包括宏观偏析、微观偏析、析出相尺寸、析出相分布等。因此，降低锭坯的元素偏析程度、控制枝晶间析出相的数量、析出相的尺寸和析出相的形态是实现合金工程化应用迈出的第一步。

因此，有必要提供一种高温合金锭坯的制备方法，以制备得到具有元素偏析程度小、析出相尺寸小、后续热加工塑性高的高温合金锭坯，从而满足合金工程化应用的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中高温合金锭坯存在的元素偏析严重、析出相尺寸大的缺陷。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种高温合金锭坯，该高温合金锭坯中含有C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素和Ni元素；

在所述锭坯的纵向截面的二分之一半径处，所述锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度≤20°，所述锭坯的平均二次枝晶臂间距为50-150μm，所述锭坯的一次碳化物析出相的平均尺寸为1-10μm；以及，

在所述锭坯的纵向截面的中心处，所述锭坯中无等轴晶粒。

本发明第二方面提供一种制备高温合金锭坯的方法，该方法包括：

(1)将原料进行真空感应冶炼和退火，得到电极棒；

(2)将所述电极棒进行抽锭式电渣重熔连续定向凝固冶炼，得到铸锭；

(3)将所述铸锭进行热处理，得到锭坯；

其中，在步骤(2)中，抽锭速率为3-10mm/min；

所述原料中含有C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni元素。

本发明第三方面提供由前述第二方面所述的方法制备得到的高温合金锭坯。

本发明第四方面提供由前述第一方面或第三方面所述的高温合金锭坯制备得到的高温合金制件。

本发明提供的高温合金锭坯的柱状晶轴向取向偏离度低、平均二次枝晶臂的间距小，元素偏析程度小，枝晶间析出相少，且析出的一次碳化物尺寸小，具有较好的成分组分均匀性，为后续高温合金制件的制备和应用等奠定了良好的基础。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细描述。

附图说明

图1为锭坯的纵向截面的二分之一半径处和中心处的位置示意图；

图2为实施例1制备得到的锭坯的宏观组织图；

图3为实施例2制备得到的锭坯的宏观组织图；

图4为对比例1制备得到的锭坯的宏观组织图；

图5为实施例1制备得到的铸锭的枝晶组织形貌图；

图6为实施例1制备得到的铸锭的枝晶间析出相观测图；

图7为实施例1制备得到的锭坯的微观组织形貌图；

图8为实施例2制备得到的铸锭的枝晶组织形貌图；

图9为实施例2制备得到的铸锭的枝晶间析出相观测图；

图10为实施例2制备得到的锭坯的微观组织形貌图；

图11为对比例1制备得到的铸锭的枝晶间析出相观测图；

图12为对比例1制备得到的锭坯的微观组织形貌图。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明中，所述高温合金是指能够在温度为650-800℃的条件下进行长期工作的合金。

本发明中，所述锭坯的纵向截面是指在所述锭坯的两端中的任意一端横向切取厚度20-50mm的试样片，然后沿所述试样片的直径切取试样片的纵剖面。

本发明中，所述纵向截面的二分之一半径处是指在所述试样片的纵剖面的R/2±20mm区域，R表示锭坯的半径。

本发明中，所述纵向截面的中心处是指在所述试样片的纵剖面的中心轴线±20mm区域。并且本发明示例性地提供了所述二分之一半径处和所述中心处的位置示意图，如图1所示。需要说明的是，图1仅为示意图，本领域技术人员不应理解为对本发明所述锭坯大小、形状等的限制。发明人发现，通过在锭坯的纵向截面的二分之一半径处和中心处进行观测，能够有效且具有代表性地评价锭坯的元素偏析程度。

如前所述，本发明第一方面提供了一种高温合金锭坯，该高温合金锭坯中含有C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素和Ni元素；

在所述锭坯的纵向截面的二分之一半径处，所述锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度≤20°，所述锭坯的平均二次枝晶臂间距为50-150μm，所述锭坯的一次碳化物析出相的平均尺寸为1-10μm；以及，

在所述锭坯的纵向截面的中心处，所述锭坯中无等轴晶粒。

本发明中，所述锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度是指柱状晶粒的晶界与锭坯轴向的夹角，例如图2所示的角度α。

本发明中，所述锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度是通过在所述锭坯头部横向切取厚度20-50mm的试样片，取所述试样片的纵剖面，将所述纵剖面依次进行磨抛和化学腐蚀处理，然后进行宏观组织观测，通过量角器进行测量得到的。所述化学腐蚀处理例如采用10g硫酸铜+50ml硫酸(浓度为100重量％)+50ml盐酸(浓度为100重量％)的混合液对所述纵剖面进行处理。

本发明中，所述锭坯的平均二次枝晶臂间距是通过Olympus公司GX51型号的金相分析仪进行金相微观组织观测得到的。

本发明中，所述一次碳化物析出相的尺寸是指一次碳化物析出相的等效直径，将所述一次碳化物析出相的截面等效为圆，该等效圆的直径即为所述一次碳化物析出相的尺寸。

所述一次碳化物析出相的尺寸可以采用本领域技术人员所熟知的方法进行检测，本发明中，所述一次碳化物析出相的尺寸是通过日本电子株式会社公司jsm-6480LV型号的钨灯丝扫描电镜进行微观组织观测得到的。

本发明提供的锭坯，柱状晶轴向取向偏离度低、平均二次枝晶臂的间距小，元素偏析程度小，枝晶间析出相少，且一次碳化物析出相尺寸小，具有优异的成分组织均匀性。

优选地，以所述锭坯的总重量为基准，所述锭坯中含有0.01-0.06重量％的C元素、12-21重量％的Co元素、12-17重量％的Cr元素、1.9-4.2重量％的W元素、3.0-4.3重量％的Mo元素、3.2-5.2重量％的Ti元素、1.8-3.6重量％的Al元素、0.01-0.03重量％的B元素、0.03-0.06重量％的Zr元素、0.60-1.2重量％的Nb元素、0-2.8重量％的Ta元素、0-0.5重量％的Fe元素。

进一步优选地，以所述锭坯的总重量为基准，在所述锭坯中，所述Al元素、所述Ti元素、所述Nb元素和所述Ta元素的总含量为6.5-11重量％。

本发明中，当所述锭坯中只含有C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素和Ni元素时，除C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素外的余量即为Ni元素的含量；但本发明并不限于此，本发明中所述锭坯还可以含有本领域公知的常规掺杂元素，在此不做详细描述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。

优选地，所述锭坯的直径≤350mm。

本发明中，对所述锭坯的长度没有特别的限制，本领域技术人员可以根据需求进行选择。

本发明中，对所述锭坯的形状没有特别限制，优选地，所述锭坯为圆柱状。

如前所述，本发明第二方面提供一种制备高温合金锭坯的方法，该方法包括：

(1)将原料进行真空感应冶炼和退火，得到电极棒；

(2)将所述电极棒进行抽锭式电渣重熔连续定向凝固冶炼，得到铸锭；

(3)将所述铸锭进行热处理，得到锭坯；

其中，在步骤(2)中，抽锭速率为3-10mm/min；

所述原料含有C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni元素。

优选地，所述原料的用量使得到的锭坯，以所述锭坯的总重量为基准，所述锭坯中含有0.01-0.06重量％的C元素、12-21重量％的Co元素、12-17重量％的Cr元素、1.9-4.2重量％的W元素、3.0-4.3重量％的Mo元素、3.2-5.2重量％的Ti元素、1.8-3.6重量％的Al元素、0.01-0.03重量％的B元素、0.03-0.06重量％的Zr元素、0.60-1.2重量％的Nb元素、0-2.8重量％的Ta元素、0-0.5重量％的Fe元素。

本发明中，当所述锭坯中只含有C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素和Ni元素时，除C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素外的余量即为Ni元素的含量，所述原料的用量使得到的锭坯，以所述锭坯的总重量为基准，所述锭坯中含有0.01-0.06重量％的C元素、12-21重量％的Co元素、12-17重量％的Cr元素、1.9-4.2重量％的W元素、3.0-4.3重量％的Mo元素、3.2-5.2重量％的Ti元素、1.8-3.6重量％的Al元素、0.01-0.03重量％的B元素、0.03-0.06重量％的Zr元素、0.60-1.2重量％的Nb元素、0-2.8重量％的Ta元素、0-0.5重量％的Fe元素以及余量的Ni元素。但本发明并不限于此，本发明中所述锭坯还可以含有本领域公知的常规掺杂元素，在此不做详细描述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。

进一步优选地，所述原料的用量使得到的锭坯中，以所述锭坯的总重量为基准，Al元素、Ti元素、Nb元素和Ta元素的总含量为6.5-11重量％，由此，制备得到具有高强化相含量的锭坯。

优选地，根据本发明第二方面所述的方法，所述电极棒和所述铸锭的尺寸使得得到的所述锭坯的直径≤350mm。

根据本发明第二方面提供的方法，所述原料中的C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni元素，例如以单质的形式存在，又如以合金的形式存在。

优选地，根据本发明第二方面所述的方法，在步骤(1)中，所述真空感应冶炼过程包括熔化、精炼和浇注。

优选地，在步骤(1)中，所述熔化的条件包括：温度≥1400℃，压力＜10Pa。

优选地，在步骤(1)中，所述精炼的条件包括：温度为1400-1600℃，压力＜10Pa，时间为60-120min。

优选地，在步骤(1)中，所述浇注的条件包括：温度为1450-1550℃，压力＜10Pa。

本发明中，所述真空冶炼，例如在0.5-3吨的真空冶炼炉中进行。

优选地，根据本发明第二方面所述的方法，在步骤(1)中，所述退火的条件包括：温度为650-850℃，保温时间≥5h。

为了获得表面质量更优异、成分组织更均匀的铸锭，优选地，在步骤(2)中，所述电渣为含有43-55重量％的CaF₂、25-35重量％的CaO、18-22重量％的Al₂O₃、0-5重量％的MgO、0.5-3重量％的ZrO₂和0.5-5重量％的TiO₂的复合渣系。

更优选地，所述电渣为由43-55重量％的CaF₂、25-35重量％的CaO、18-22重量％的Al₂O₃、0-5重量％的MgO、0.5-3重量％的ZrO₂和0.5-5重量％的TiO₂组成的复合渣系。

优选地，在步骤(2)中，纵向电流为800-4500A，侧向电流为50-500A。

优选地，在步骤(2)中，当开始抽锭时，开启气渣液面上方的气体保护系统，当抽出的铸锭高度为20-50mm时，开启铸锭下方冷却装置进行双介质冷却。

为了获得成分组织更均匀的锭坯，优选地，在步骤(3)中，所述热处理为连续热处理工艺，所述热处理包括：

将所述铸锭从室温以升温速率V₁升温至温度T₁进行保温时间t₁以进行第一热处理；然后以升温速率V₂升温至温度T₂进行保温时间t₂以进行第二热处理；再以升温速率V₃升温至温度T₃进行保温时间t₃以进行第三热处理；然后再以升温速率V₄升温至温度T₄进行保温时间t₄以进行第四热处理；然后再以降温速率V₅升温至温度T₅进行保温时间t₅以进行第五热处理；然后再以降温速率V₆升温至温度T₆进行保温时间t₆以进行第六热处理；然后再以降温速率V₇升温至温度T₇进行保温时间t₇以进行第七热处理。发明人意外地发现，通过采用所述热处理方法，采用特定地降温制度与升温制度进行配合处理，制备得到的锭坯能够消除枝晶间析出的低熔点相，防止了析出相的过烧，元素偏析程度小，后续锻造时铸态的柱状晶组织容易破碎，从而减小了后续锻造时的变形抗力，热加工塑性高，为后续的加工锻造创作了良好的条件。

优选地，所述温度T₁为400-600℃，所述保温时间t₁为≥4h，所述升温速率V₁为≤120℃/h。

优选地，所述温度T₂为1100-1160℃，所述保温时间t₂为≥6h，所述升温速率V₂为≤50℃/h。

优选地，所述温度T₃为1160-1180℃，所述保温时间t₃为≥6h，所述升温速率V₃为≤10℃/h。

优选地，所述温度T₄为1180-1200℃，所述保温时间t₄为≥24h，所述升温速率V₄为≤10℃/h。

优选地，所述温度T₅为1130-1160℃，所述保温时间t₅为≥2h，所述降温速率V₅为≤30℃/h；

优选地，所述温度T₆为1100-1130℃，所述保温时间t₆为≥2h，所述降温速率V₆为≤30℃/h；

优选地，所述温度T₇为900-1000℃，所述保温时间t₇为≥2h，所述降温速率V₇为≤30℃/h。

优选地，本发明中，所述热处理还包括，将所述第七热处理产物随炉冷和/或空冷至室温。

根据本发明一种优选的具体实施方式，所述热处理包括：

将所述铸锭以升温速率为≤120℃/h，升温至400-600℃，保温时间为≥4h进行第一热处理；然后以升温速率为≤50℃/h升温至1100-1160℃，保温时间为≥6h进行第二热处理；然后以升温速率为≤10℃/h升温至1160-1180℃，保温时间为≥6h进行第三热处理；然后以升温速率为≤10℃/h升温至1180-1200℃，保温时间为≥24h进行第四处理；然后以降温速率为≤50℃/h降温至1130-1160℃，保温时间为≥2h进行第五处理；然后再以降温速率为≤50℃/h降温至1100-1130℃，保温时间为≥2h进行第六处理；然后以降温速率为≤50℃/h降温至900-1000℃，保温时间为≥2h进行第七处理，然后空冷或随炉冷至室温，得到锭坯。发明人发现，特别地采用特定地降温制度与升温制度进行配合处理，制备得到的锭坯能够进一步消除枝晶间析出的低熔点相，防止析出相的过烧，元素偏析程度更小，后续锻造时铸态的柱状晶组织更容易破碎，从而进一步减小后续锻造时的变形抗力，热加工塑性更高，为后续的加工锻造创作更良好的条件。

本发明第二方面提供的方法，通过采用抽锭式电渣重熔连续定向凝固冶炼，特别地控制抽锭速率、电流条件、渣系组成等，同时与特定地热处理工艺进行配合，不仅能够减小锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度、减小锭坯的平均二次枝晶臂间距，得到定向的柱状晶组织，实现锭坯的二次枝晶的细化，从而有效地降低了锭坯的元素偏析程度；同时还能够有效地控制锆化物、硼化物、γ-γ′共晶相和η相的析出尺寸，减小并控制枝晶间一次碳化物的析出尺寸，提高了锭坯的成分组织均匀性；另外，制备得到的锭坯后续锻造时铸态的柱状晶组织更容易破碎，从而减小了后续锻造时的变形抗力，提高热加工塑性，为后续加工锻造创作了良好的条件。

根据本发明一种优选的具体实施方式，本发明第二方面所述的方法包括：

(1)将原料进行真空感应冶炼和退火，在所述真空感应中，熔化的条件包括：温度≥1400℃，压力＜10Pa；精炼的条件包括：温度为1400-1600℃，压力＜10Pa，时间为60-120min；浇注的条件包括：温度为1450-1550℃，压力＜10Pa；所述退火的条件包括：温度为650-850℃，保温时间≥5h，得到电极棒，所述原料含有C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni元素；

(2)将所述电极棒进行抽锭式电渣重熔连续定向凝固，所述电渣为由45-55重量％的CaF₂、25-35重量％的CaO、18-22重量％的Al₂O₃、0-5重量％的MgO、0.5-3重量％的ZrO₂和0.5-5重量％的TiO₂组成的复合渣系，抽锭速率为3-10mm/min，得到铸锭；

(3)将所述铸锭进行热处理，所述热处理包括：将所述铸锭以升温速率为≤120℃/h，升温至400-600℃，保温时间为≥4h进行第一热处理；然后以升温速率为≤50℃/h升温至1100-1160℃，保温时间为≥6h进行第二热处理；然后以升温速率为≤10℃/h升温至1160-1180℃，保温时间为≥6h进行第三热处理；然后以升温速率为≤10℃/h升温至1180-1200℃，保温时间为≥24h进行第四处理；然后以降温速率为≤50℃/h降温至1130-1160℃，保温时间为≥2h进行第五处理；然后再以降温速率为≤50℃/h降温至1100-1130℃，保温时间为≥2h进行第六处理；然后以降温速率为≤50℃/h降温至900-1000℃，保温时间为≥2h进行第七处理，然后空冷或随炉冷至室温，得到锭坯。

本发明第二方面所述的方法中还包括切除冒口、打磨以及常规的机加工处理等本领域公知的常规后处理操作，本发明在此不再赘述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。

如前所述，本发明第三方面提供由前述第二方面所述的方法制备得到的高温合金锭坯。

如前所述，本发明第四方面提供由前述第一方面或第三方面所述的锭坯制备得到高温合金制件。

本发明中，在没有特别说明的情况下，所述室温指25±5℃。

本发明中，在没有特别说明的情况下，所述压力指表压。

以下将通过实例对本发明进行详细描述。

以下实例中，在没有特别说明的情况下，所用原料均为市售品。

以下实例中：

(1)锭坯的化学成分是按照GB/T11170-2008方法测试得到的；

(2)锭坯的金相组织是通过Olympus公司GX51型号的金相分析仪观测得到的；

(3)锭坯的微观组织是通过日本电子株式会社公司jsm-6480LV型号的钨灯丝扫描电镜观测得到的。

实施例1

本实施例用于制备Φ260的FGH4098D高温合金锭坯。

(1)在3吨的真空感应炉内，将含有元素C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni的原料进行真空感应冶炼，在真空感应冶炼中，熔化的条件包括：温度1500℃，压力为1Pa；精炼的条件包括：温度为1450℃，压力为1Pa，时间为120min；浇注的条件包括：温度为1450℃，压力为1Pa，得到真空感应冶炼电极棒，将所述真空感应冶炼电极棒切除冒口后，进行表面打磨去除非金属夹杂物，然后升温至850℃，保温5h进行退火，炉冷至200℃以下空冷，得到直径为185mm的电极棒；

(2)将步骤(1)得到的电极棒进行抽锭式电渣重熔连续定向凝固，所述电渣为含有44重量％的CaF₂、30重量％的CaO、20重量％的Al₂O₃、3重量％的MgO、1重量％的ZrO₂、2重量％的TiO₂的复合渣系，抽锭速率为6mm/min，待开始抽锭时开启渣液面上方气体保护系统，待铸锭抽出高度50mm时开启铸锭下方冷却装置，得到直径为265mm的铸锭；

(3)将步骤(2)得到的所述铸锭进行热处理，以120℃/h升温至550℃保温4h进行第一热处理；然后以50℃/h速度升温至1140℃，保温6h进行第二热处理；然后再以10℃/h的速度升温至1180℃，保温6h进行第三热处理；然后再以10℃/h的速度升温至1200℃，保温24h进行第四热处理；然后以30℃/h速度冷却至1140℃，保温2h进行第五热处理；然后以30℃/h速度冷却到1110℃，保温2h进行第六热处理；然后以30℃/h速度冷却至1000℃，保温2h进行第七热处理，随后炉冷至200℃出炉空冷，对锭坯表面进行机加工，得到直径为260mm的锭坯S1。

所述锭坯S1中含有：0.05重量％的C、20.5重量％的Co、13重量％的Cr、2.3重量％的W、3.8重量％的Mo、3.7重量％的Ti、3.4重量％的Al、0.015重量％的B、0.05重量％的Zr、1重量％的Nb、2.5重量％的Ta、0.05重量％的Fe、余量为Ni。

实施例2

本实施例用于制备Φ175的FGH4098D高温合金锭坯。

(1)在0.5吨的真空感应炉内，将含有元素C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni的原料进行真空感应冶炼，在真空感应冶炼中，熔化的条件包括：温度1500℃，压力为1Pa；精炼的条件包括：温度为1450℃，压力为1Pa，时间为120min；浇注的条件包括：温度为1450℃，压力为1Pa，得到真空感应冶炼电极棒，将所述真空感应冶炼电极棒切除冒口后，进行表面打磨去除非金属夹杂物，然后升温至800℃，保温5h进行退火，炉冷至200℃以下空冷，得到直径为130mm的电极棒；

(2)将步骤(1)得到的所述电极棒进行抽锭式电渣重熔连续定向凝固，所述电渣为含有44重量％的CaF₂、30重量％的CaO、20重量％的Al₂O₃、3重量％的MgO、1重量％的ZrO₂、2重量％的TiO₂的复合渣系，抽锭速率为10mm/min，待开始抽锭时开启渣液面上方气体保护系统，待铸锭抽出高度40mm时开启铸锭下方冷却装置，得到直径为175mm的铸锭；

(3)将步骤(2)得到的所述铸锭进行均匀化热处理，以120℃/h升温至550℃保温4h进行第一热处理；然后以50℃/h速度升温至1150℃，保温6h进行第二热处理；再以10℃/h的速度升温至1170℃，保温6h进行第三热处理；然后再以10℃/h的速度升温至1190℃，保温24h进行第四热处理；然后以30℃/h速度冷却至1140℃，保温2h进行第五热处理；然后以30℃/h速度冷却到1110℃，保温2h进行第六热处理；然后以30℃/h速度冷却至1000℃，保温2h进行第七热处理；随后炉冷至200℃出炉空冷，对锭坯表面进行机加工，得到直径为170mm的锭坯S2。

所述锭坯S2中含有：0.05重量％的C、20.5重量％的Co、13重量％的Cr、2.3重量％的W、3.8重量％的Mo、3.7重量％的Ti、3.4重量％的Al、0.015重量％的B、0.05重量％的Zr、1重量％的Nb、2.5重量％的Ta、0.05重量％的Fe、余量为Ni。

实施例3

采用与实施例1相似的方式制备高温合金锭坯，不同的是，在步骤(2)中的，采用的电渣不同，具体的：采用的电渣为含有56重量％的CaF₂、22重量％的CaO、22重量％的Al₂O₃的复合渣系。

其余均与实施例1相同，制备得到锭坯S3。

测试发现，所述锭坯S3的元素偏析严重，表面质量差。

对比例1

采用与实施例1相似的方法制备Φ260的高温合金锭坯DS1；

不同的是：步骤(2)中具体为：

将步骤(1)得到的电极棒进行电渣重熔(无定向凝固及抽锭操作)，电渣为含有44重量％的CaF₂、30重量％的CaO、20重量％的Al₂O₃、3重量％的MgO、1重量％的ZrO₂、2重量％的TiO₂的复合渣系。

其余均与实施例1相同，得到锭坯DS1。

测试发现，所述锭坯DS1的柱状晶的轴向取向偏离度约为45°，同时，在锭坯DS1的中心处存在粗大的等轴晶粒。

对比例2

采用与实施例1相似的方法制备Φ260的高温合金锭坯DS2；

不同的是：步骤(3)中具体为：

以120℃/h升温至550℃保温4h进行第一热处理；然后以50℃/h速度升温至1140℃，保温6h进行第二热处理；再以10℃/h的速度升温至1180℃，保温6h进行第三热处理；然后再以10℃/h的速度升温至1200℃，保温24h进行第四热处理，随后炉冷至200℃出炉空冷。

其余均与实施例1相同，得到锭坯DS2。

测试发现，所述锭坯DS2中存在尺寸相对较小的γ′析出相，导致后续锻造时柱状晶粒不易破碎，变形抗力大，不利于后续锻造。

对比例3

采用与实施例1相似的方式制备高温合金锭坯DS3。

不同的是：在步骤(2)中，抽锭速率为14mm/min，其余均与实施例1相同，得到锭坯DS3。

测试发现，所述锭坯DS3存在较多的显微缩松，不利于后续的锻造。

对比例4

采用与实施例1相似的方式制备高温合金锭坯DS4。

不同的是：在步骤(2)中，抽锭速率为2mm/min，其余均与实施例1相同，得到锭坯DS4。

测试发现，所述锭坯DS4中析出相尺寸较大，一次碳化物和η相尺寸较大，特别是η相尺寸大于40um。

测实例

(1)测试以上实例制备得到的高温合金锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度，具体测试方法如下：

在所述锭坯头部横向切取厚度30mm的试样片，取所述试样片的纵剖面，将所述纵剖面依次进行磨抛处理和化学腐蚀处理，通过量角器进行测量得到的。

以下实施例和对比例中，在没有特别说明的情况下，所述锭坯的观察位置取向(例如图2所示)与图1的示意图的位置取向对应相同(用X-Z坐标表示)，图3、图4类似，在此不再赘述，并且本发明示例性地提供了以下实例制备得到的锭坯的测试结果具体结果如下：

图2为实施例1制备得到的锭坯S1的宏观组织图，从图2中能够看出，在所述锭坯S1的纵向截面的二分之一半径处，所述锭坯S1的柱状晶的轴向取向偏离度约为19.5°；

图3为实施例2制备得到的锭坯S2的宏观组织图，从图3中能够看出，在所述锭坯S2的纵向截面的二分之一半径处，所述锭坯S2的柱状晶的轴向取向偏离度约为18°；

图4为对比例1制备得到的锭坯DS1的宏观组织图，从图4中能够看出，在所述锭坯DS1的纵向截面的二分之一半径处，所述锭坯DS1的柱状晶的轴向取向偏离度约为45°。

(2)锭坯的纵向截面的二分之一半径处的微观组织观测

分别观测以上实例制备得到的铸锭和锭坯的微观组织，其中，

铸锭的枝晶组织形貌图是通过Olympus公司GX51型号的金相分析仪观测得到的；

铸锭的枝晶间析出相和锭坯的微观组织形貌是通过日本电子株式会社公司jsm-6480LV型号的钨灯丝扫描电镜观测得到的。

本发明示例性地提供了以下实例制备得到的铸锭和锭坯的测试结果，具体结果如下：

图5为实施例1制备得到的铸锭的枝晶组织形貌图，从图5能够看出，实施例1制备得到的铸锭的平均二次枝晶臂的间距约为100μm；

图6为实施例1制备得到的铸锭的枝晶间析出相观测图，从图6能够看出，铸锭中枝晶间析出相有硼化物、一次碳化物(碳化物)和η相等；

图7为实施例1制备得到的锭坯S1的微观组织形貌图，从图7能够看出，锭坯S1中除一次碳化物外，无其它析出相，并且一次碳化物的析出相尺寸较小，平均尺寸约为7μm；

图8为实施例2制备得到的铸锭的枝晶组织形貌图，从图8能够看出，实施例2制备得到的铸锭的平均二次枝晶臂间距约为80μm；

图9为实施例2制备得到的铸锭的枝晶间析出相观测图，从图9能够看出，铸锭中枝晶间析出相有硼化物、一次碳化物(碳化物)、富锆相和η相等；

图10为实施例2制备得到的锭坯S2的微观组织形貌图，从图10能够看出，锭坯S2中除一次碳化物外，无其它析出相，并且一次碳化物的析出相尺寸较小，平均尺寸约为5μm；

图11为对比例1制备得到的铸锭的枝晶间析出相观测图，从图11能够看出锭坯DS1中除了一次碳化物外，还有粗大的η相，并且一次碳化物尺寸大于10um，η相的尺寸大于40um。

图12为对比例1得到的锭坯DS1的微观组织形貌图，从图12能够看看出所述锭坯DS1中存在明显的十字形状的枝晶偏析。

从上述结果能够看出，本发明提供的方法，通过真空感应冶炼、电渣重熔连续定向凝固以及特定地热处理工艺进行配合，制备得到的锭坯元素偏析程度小，枝晶间析出相少，且析出的一次碳化物尺寸较小，具有较好的成分组织均匀性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种高温合金锭坯，其特征在于，该高温合金锭坯中含有C元素、Co元素、Cr元素、W元素、Mo元素、Ti元素、Al元素、B元素、Zr元素、Nb元素、Ta元素、Fe元素和Ni元素；

在所述锭坯的纵向截面的二分之一半径处，所述锭坯的柱状晶粒的轴向取向偏离度≤20°，所述锭坯的平均二次枝晶臂间距为50-150μm，所述锭坯的一次碳化物析出相的平均尺寸为1-10μm；以及，

在所述锭坯的纵向截面的中心处，所述锭坯中无等轴晶粒；

其中，所述高温合金锭坯的制备方法包括以下步骤：

(1)将原料进行真空感应冶炼和退火，得到电极棒；

(2)将所述电极棒进行抽锭式电渣重熔连续定向凝固冶炼，得到铸锭；

(3)将所述铸锭进行热处理，得到锭坯；

其中，在步骤(2)中，抽锭速率为3-10mm/min；

所述原料中含有C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni元素；

所述热处理包括：

将所述铸锭从室温以升温速率V₁升温至温度T₁进行保温时间t₁以进行第一热处理；然后以升温速率V₂升温至温度T₂进行保温时间t₂以进行第二热处理；再以升温速率V₃升温至温度T₃进行保温时间t₃以进行第三热处理；然后再以升温速率V₄升温至温度T₄进行保温时间t₄以进行第四热处理；再以降温速率V₅降温至温度T₅进行保温时间t₅以进行第五热处理；再以降温速率V₆降温至温度T₆进行保温时间t₆以进行第六热处理；再以降温速率V₇降温至温度T₇进行保温时间t₇以进行第七热处理；

其中，所述温度T₁为400-600℃，所述保温时间t₁为≥4h，所述升温速率V₁为≤120℃/h；所述温度T₂为1100-1160℃，所述保温时间t₂为≥6h，所述升温速率V₂为≤50℃/h；所述温度T₃为1160-1180℃，所述保温时间t₃为≥6h，所述升温速率V₃为≤10℃/h；所述温度T₄为1180-1200℃，所述保温时间t₄为≥24h，所述升温速率V₄为≤10℃/h；所述温度T₅为1130-1160℃，所述保温时间t₅为≥2h，所述降温速率V₅为≤50℃/h；所述温度T₆为1100-1130℃，所述保温时间t₆为≥2h，所述降温速率V₆为≤50℃/h；所述温度T₇为900-1000℃，所述保温时间t₇为≥2h，所述降温速率V₇为≤50℃/h。

2.根据权利要求1所述的锭坯，其中，以所述锭坯的总重量为基准，所述锭坯中含有0.01-0.06重量％的C元素、12-21重量％的Co元素、12-17重量％的Cr元素、1.9-4.2重量％的W元素、3.0-4.3重量％的Mo元素、3.2-5.2重量％的Ti元素、1.8-3.6重量％的Al元素、0.01-0.03重量％的B元素、0.03-0.06重量％的Zr元素、0.60-1.2重量％的Nb元素、0-2.8重量％的Ta元素、0-0.5重量％的Fe元素。

3.根据权利要求2所述的锭坯，其中，以所述锭坯的总重量为基准，在所述锭坯中，Al元素、Ti元素、Nb元素和Ta元素的总含量为6.5-11重量％。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的锭坯，其中，所述锭坯的直径≤350mm。

5.一种制备高温合金锭坯的方法，其特征在于，该方法包括：

(1)将原料进行真空感应冶炼和退火，得到电极棒；

(2)将所述电极棒进行抽锭式电渣重熔连续定向凝固冶炼，得到铸锭；

(3)将所述铸锭进行热处理，得到锭坯；

其中，在步骤(2)中，抽锭速率为3-10mm/min；

所述原料中含有C、Co、Cr、W、Mo、Ti、Al、B、Zr、Nb、Ta、Fe和Ni元素；

所述热处理包括：

将所述铸锭从室温以升温速率V₁升温至温度T₁进行保温时间t₁以进行第一热处理；然后以升温速率V₂升温至温度T₂进行保温时间t₂以进行第二热处理；再以升温速率V₃升温至温度T₃进行保温时间t₃以进行第三热处理；然后再以升温速率V₄升温至温度T₄进行保温时间t₄以进行第四热处理；再以降温速率V₅降温至温度T₅进行保温时间t₅以进行第五热处理；再以降温速率V₆降温至温度T₆进行保温时间t₆以进行第六热处理；再以降温速率V₇降温至温度T₇进行保温时间t₇以进行第七热处理；

其中，所述温度T₁为400-600℃，所述保温时间t₁为≥4h，所述升温速率V₁为≤120℃/h；所述温度T₂为1100-1160℃，所述保温时间t₂为≥6h，所述升温速率V₂为≤50℃/h；所述温度T₃为1160-1180℃，所述保温时间t₃为≥6h，所述升温速率V₃为≤10℃/h；所述温度T₄为1180-1200℃，所述保温时间t₄为≥24h，所述升温速率V₄为≤10℃/h；所述温度T₅为1130-1160℃，所述保温时间t₅为≥2h，所述降温速率V₅为≤50℃/h；所述温度T₆为1100-1130℃，所述保温时间t₆为≥2h，所述降温速率V₆为≤50℃/h；所述温度T₇为900-1000℃，所述保温时间t₇为≥2h，所述降温速率V₇为≤50℃/h。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述原料的用量使得到的锭坯中，以所述锭坯的总重量为基准，所述锭坯中含有0.01-0.06重量％的C元素、12-21重量％的Co元素、12-17重量％的Cr元素、1.9-4.2重量％的W元素、3.0-4.3重量％的Mo元素、3.2-5.2重量％的Ti元素、1.8-3.6重量％的Al元素、0.01-0.03重量％的B元素、0.03-0.06重量％的Zr元素、0.60-1.2重量％的Nb元素、0-2.8重量％的Ta元素、0-0.5重量％的Fe元素。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述原料的用量使得到的锭坯中，以所述锭坯的总重量为基准，在所述锭坯中，Al元素、Ti元素、Nb元素和Ta元素的总含量为6.5-11重量％。

8.根据权利要求5-7中任意一项所述的方法，其中，所述锭坯的直径≤350mm。

9.根据权利要求5-7中任意一项所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述真空感应冶炼过程包括熔化、精炼和浇注。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述熔化的条件包括：温度≥1400℃，压力＜10Pa。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述精炼的条件包括：温度为1400-1600℃，压力＜10Pa，时间为60-120min。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述浇注的条件包括：温度为1450-1550℃，压力＜10Pa。

13.根据权利要求5-7中任意一项所述的方法，其中，所述退火的条件包括：温度为650-850℃，保温时间≥5h。

14.根据权利要求5-7中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)中，所述电渣为含有43-55重量％的CaF₂、25-35重量％的CaO、18-22重量％的Al₂O₃、0-5重量％的MgO、0.5-3重量％的ZrO₂和0.5-5重量％的TiO₂的复合渣系。

15.由权利要求5-14中任意一项所述的方法制备得到的高温合金锭坯。

16.由权利要求1-4和15中任意一项所述的高温合金锭坯制备得到的高温合金制件。

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