CN111575540B - Gh5188合金电极锭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金技术领域，公开了一种GH5188合金电极锭及其制备方法，所述方法包括以下步骤：将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算并配制各元素原材料用量，合金原料的金属镧元素按0.2‑0.4质量％配入；将配好的原材料装入真空感应炉，对原材料进行熔化、精炼，得到合金溶液；调整出钢温度与液相线温度之间的温差；将所得的合金溶液在真空条件下浇铸到经烘烤的钢锭模里面，得到电极锭，钢锭模温度为500‑800℃；冷却。本发明通过对GH5188合金在真空感应炉熔炼时镧元素加入量的控制，及对浇铸钢锭模进行烘烤，避免了电极开裂，且在满足产品对镧含量要求的条件下节约金属镧含量的使用量。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金制备领域，具体涉及一种GH5188合金电极锭及其制备方法。
背景技术
GH5188合金是在国内航空发动机中用量最大的钴基变形高温合金，已用于制作航空发动机燃烧室火焰筒、导向叶片等高温部件，在国外还广泛用于燃气涡轮及导弹的高温部件，如燃烧室、尾喷管等，在核能工业中，也被用作热交换器等零部件。GH5188合金是Co-Ni-Cr基固溶强化型变形高温合金，使用温度小于1100℃，合金加入14％的W进行固溶强化，使合金具有良好的综合性能；加入0.02-0.12％的La和20-24％的Cr，使合金具有良好的抗氧化性能，及具有较好的冷热加工塑形和焊接等工艺性能。
真空感应电极是钴基高温合金生产的基本环节，若电极出现开裂，则严重影响合金后续精炼过程，导致电渣重熔过程中的电压、电流、熔滴率等工艺参数大幅度波动，造成各种宏观冶金缺陷，导致铸锭产品判废。
目前GH5188钴基高温合金在工业生产中，电极锭浇铸凝固过程中容易在枝晶间或晶界上析出大量膨胀系数比基体小且硬度比基体高的脆性相，且在浇铸过程中电极锭内部存在较大的温度梯度，使得电极锭产生很大的热应力，最终导致电极开裂。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的GH5188合金在凝固过程容易析出脆性相且电极容易开裂的问题，提供一种GH5188合金电极锭及其制备方法，利用该方法生成的电极锭产品能够避免电极开裂，且在满足产品对镧含量要求的条件下节约稀有金属镧含量的使用量。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种GH5188合金电极锭的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算并配制各元素原材料用量，其中，所述合金原料的金属镧元素按0.2-0.4质量％配入；
(2)将步骤(1)配好的原材料装入真空感应炉，对所述原材料进行熔化、精炼，得到合金溶液；
(3)依据步骤(2)中的所述合金溶液的化学成分对应的液相线温度来确定出钢温度，并调整所述出钢温度与所述液相线温度之间的温差；
(4)将步骤(3)所得的合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤的钢锭模里面，得到电极锭，其中，所述钢锭模温度为500-800℃；
(5)冷却。
优选地，所述合金原料的金属镧元素质量为所述合金原料质量的0.25-0.4质量％。
优选地，所述合金原料的金属镧元素质量为所述合金原料质量的0.3-0.35质量％。
优选地，在步骤(3)中所述钢温度高于所述合金液相线温度60～80℃。
优选地，在步骤(3)中所述钢温度高于所述合金液相线温度60～75℃。
优选地，在步骤(3)中所述钢温度高于所述合金液相线温度65～70℃。
优选地，所述钢锭模温度为550-800℃。
优选地，所述钢锭模温度为600-750℃。
优选地，步骤(5)中所述冷却为随模自然冷却。
本发明为解决上述技术问题，本发明第二方面提供由上述任意一项所述的方法制备得到的GH5188合金电极锭。
本发明所述的技术方案，通过将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算各元素原材料用量，并将金属镧元素按0.2-0.4质量％配入，将配好的原材料装入真空感应炉经过熔化、精炼后，获得气体、化学成分满足GH5188合金成分控制要求的合金溶液，然后调整出钢温度与合金液相线温度之间的温差，将合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤且温度为500～800℃的钢锭模里面，从而生成电极锭。本发明通过对GH5188钴基高温合金真空感应炉熔炼时镧元素加入量的控制，及对浇铸钢锭模进行烘烤，避免了电极开裂，同时在满足产品对镧含量要求的条件下节约了稀有金属镧含量的使用量。
附图说明
图1是实施例1中的电极锭凝固组织示意图；
图2是实施例2中的电极锭凝固组织示意图；
图3是实施例3中的电极锭凝固组织示意图；
图4是对比例1中的电极锭裂纹处镧化物脆性相示意图；
图5是对比例2中的电极锭裂纹处镧化物脆性相示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
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。
本发明第一方面提供了一种GH5188合金电极锭的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算并配制各元素原材料用量，其中，所述合金原料的金属镧元素按0.2-0.4质量％配入；
(2)将步骤(1)配好的原材料装入真空感应炉，对所述原材料进行熔化、精炼，得到合金溶液；
(3)依据步骤(2)中的所述合金溶液的化学成分对应的液相线温度来确定出钢温度，并调整所述出钢温度与所述液相线温度之间的温差；
(4)将步骤(3)所得的合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤的钢锭模里面，得到电极锭，其中，所述钢锭模温度为500-800℃；
(5)冷却。
本发明所述的技术方案，通过将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算各元素原材料用量，并将金属镧元素按0.2-0.4质量％配入，将配好的原材料装入真空感应炉经过熔化、精炼后，获得气体、化学成分满足GH5188合金成分控制要求的合金溶液，然后调整出钢温度与合金液相线温度之间的温差，将合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤且温度为500～800℃的钢锭模里面，从而生成电极锭。本发明通过对GH5188钴基高温合金真空感应炉熔炼时镧元素加入量的控制，及对浇铸钢锭模进行烘烤，避免了电极开裂，同时在满足产品对镧含量要求的条件下节约了稀有金属镧含量的使用量。
优选地，所述合金原料的金属镧元素质量为所述合金原料质量的0.25-0.4质量％，进一步优选为0.3-0.35质量％。所述金属镧元素的质量占所述合金原料质量比可为0.2质量％、0.25质量％、0.3质量％、0.35质量％或0.4质量％，当然，不限于此，只要满足所述金属镧元素的质量占所述合金原料质量比在0.2-0.4质量％之间即可。
由于镧固溶在钴基合金溶液的溶解度有限，加入过量的镧会导致合金在凝固过程中过量的镧与基体元素一起在枝晶间或晶界上析出大量膨胀系数比基体小且硬度比基体高的镧化物相，即脆性相，大大增加了合金的裂纹敏感性。本发明通过采用加入适量的镧，避免凝固过程脆性相的产生，同时还可以节约稀有金属镧的使用量。
将配好的原材料装入真空感应炉经过熔化、精炼后，获得气体、化学成分满足GH5188合金成分控制要求的合金溶液，然后调整出钢温度在合金液相线温度以上60～80℃。
本发明使用真空感应炉对原材料进行熔化、精炼，在真空条件下，没有空气和炉渣污染，金属不易氧化，能够准确的调整和控制化学成分；真空下冶炼创造了良好的去气条件，可以用碳脱氧，脱氧产物是气体，同时熔池中存在一定强度的电磁搅拌，可促进钢水成分和温度均匀，钢中夹杂合并、长大、上浮，从而能够获得合金纯净度高、气体含量低、化学成分满足GH5188合金成分控制要求的合金溶液。
合金溶液的液相线温度(又称初晶温度，指的是物体开始由液态变为固态的最高温度)并不是一个恒定的值，根据含碳量和各种合金微量元素的多少，其液相线温度也不同，一般加入的合金多，其液相线温度就越低，本发明为了保证合金溶液在真空条件下的浇铸更好地进行，调控得到钢温度高于合金液相线温度60～80℃，优选为60～75℃。在优选情况下，进一步优选为65～70℃，本发明中具体温差可选为60℃、65℃、70℃、75℃或80℃，当然，不限于此，只要满足钢温度高于合金液相线温度以上60～80℃即可。通过根据实际每炉钢冶炼化学成分对应的液相线温度来确定出钢温度，并调整出钢温度与合金液相线温度的温差，浇铸过程中避免电极锭内部产生较大的温度梯度从而导致电极锭产生很大的热应力，防止电极锭受内部热应力开裂。
将合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤且温度为500～800℃的钢锭模里面，从而生成电极锭，最后模冷至室温。
本发明采用经过高温烘烤的钢锭模对合金溶液进行浇铸，减小了合金在凝固过程中铸锭内外部存在的较大的温度梯度，减小了铸锭凝固热应力，从而避免浇铸电极锭出现电极开裂现象。其中，所述钢锭模经过烘烤的温度可优选为550-800℃，进一步所述钢锭模经过烘烤的温度优选为600-750℃，所述钢锭模经过高温烘烤的温度可为500℃、550℃、600℃、750℃或800℃，所述电极锭的生产规格可为φ110mm、φ360mm，当然，不限于此，只要能满足在本发明的技术方案下生成的电极锭不会出现电极开裂现象即可。
本发明中所述电极锭的冷却方式为自然冷却(指通过热交换、对流、热辐射等热传递形式由物体向环境介质排出热量，降低物体的温度，最终达到与环境温度相同的自发性的过程)，此种冷却方式相对于淬火等发生急剧热交换的冷却方式，能够保证电极锭在冷却过程中不会出现电极开裂的现象。
本发明第二方面提供一种GH5188合金电极锭，所述GH5188合金电极锭通过执行如上述GH5188合金电极锭的制备方法的步骤得到，所述GH5188合金电极锭具备的效果与GH5188合金电极锭的制备方法的效果一致，在此不作赘述。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
该实施例是运用本发明GH5188合金电极锭的制备方法，生产规格为φ110mm的电极锭。
(1)将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算各元素原材料用量，其中，金属镧元素按0.4质量％配入；
(2)将步骤(1)所得原材料装入真空感应炉，经过熔化、精炼后，获得气体、化学成分满足GH5188合金成分控制要求的合金溶液，然后调整出钢温度在合金液相线温度以上80℃；
(3)将步骤(2)所得的合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤且温度为800℃的钢锭模里面，浇铸成电极锭，随后模冷至室温。
请参阅图1，图1为本实施例下的电极锭凝固组织示意图，对电极锭进行宏观检测，无裂纹，取样利用扫描电镜(型号为JSM-6390LV)进行金相检测，凝固组织为正常的M6C和M23C6碳化物，无脆性镧化物相形成。
实施例2
该实施例是运用本发明利用GH5188合金制备电极锭的方法，生产规格为φ110mm的电极锭。
(1)将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算各元素原材料用量，其中，金属镧元素按0.3质量％配入；
(2)将步骤(1)所得原材料装入真空感应炉，经过熔化、精炼后，获得气体、化学成分满足GH5188合金成分控制要求的合金溶液，然后调整出钢温度在合金液相线温度以上70℃；
(3)将步骤(2)所得的合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤且温度为600℃的钢锭模里面，浇铸成电极锭，随后模冷至室温。
请参阅图2，图2为本实施例下的电极锭凝固组织示意图，对电极锭进行宏观检测，无裂纹，取样利用扫描电镜(型号为JSM-6390LV)进行金相检测，凝固组织为正常的M6C和M23C6碳化物，无脆性镧化物相形成。
实施例3
该实施例是运用本发明利用GH5188合金制备电极锭的方法，生产规格为φ360mm的电极锭。
(1)将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算各元素原材料用量，其中，金属镧元素按0.2质量％配入；
(2)将步骤(1)所得原材料装入真空感应炉，经过熔化、精炼后，获得气体、化学成分满足GH5188合金成分控制要求的合金溶液，然后调整出钢温度在合金液相线温度以上60℃；
(3)将步骤(2)所得的合金溶液在真空条件下浇铸到经过高温烘烤且温度为500℃的钢锭模里面，浇铸成电极锭，随后模冷至室温。
请参阅图3，图3是本实施例的电极锭凝固组织示意图，对电极锭进行宏观检测，无裂纹，取样利用扫描电镜(型号为JSM-6390LV)进行金相检测，凝固组织为正常的M6C和M23C6碳化物，无脆性镧化物相形成。
对比例1
采用常规生产工艺利用真空感应炉冶炼生产电极锭，金属镧元素按0.9质量％配入，经过真空感应熔炼后，浇铸温度按1480℃进行浇铸，铸锭模为室温，浇铸直径为φ110mm的铸锭，随后脱模空冷至室温。
请参阅图4，图4是本对比例中的电极锭裂纹处镧化物脆性相示意图，对电极锭进行宏观检测，铸锭开裂；对开裂铸锭在光学显微镜(AX10 Imager.A1M)下观察发现在枝晶间或晶界上析出大量镧化物脆性相，从脆性相间开裂。
对比例2
采用常规生产工艺利用真空感应炉冶炼生产电极锭，金属镧元素按0.45质量％配入，经过真空感应熔炼后，浇铸温度按1460℃进行浇铸，铸锭模为室温，浇铸直径为φ360mm的铸锭，随后脱模空冷至室温。
请参阅图5，图5是本对比例2中的电极锭裂纹处镧化物脆性相示意图，对合金锭进行宏观检测，铸锭开裂；对开裂铸锭在光学显微镜(AX10 Imager.A1M)下观察发现在枝晶间或晶界上析出大量镧化物脆性相，从脆性相间开裂。
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 (6)
1.一种GH5188合金电极锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将合金原料根据GH5188合金成分控制要求，按质量百分比计算并配制各元素原材料用量，其中，所述合金原料的金属镧元素按0.2-0.4质量％配入；
(2)将步骤(1)配好的原材料装入真空感应炉，对所述原材料进行熔化、精炼，得到合金溶液；
(3)依据步骤(2)中的所述合金溶液的化学成分对应的液相线温度来确定出钢温度，并调整所述出钢温度与所述液相线温度之间的温差；
(4)将步骤(3)所得的合金溶液在真空条件下浇铸到经过烘烤的钢锭模里面，得到电极锭，其中，所述钢锭模温度为600-750℃；
(5)冷却；
其中，在步骤(3)中所述出钢温度高于所述合金液相线温度60～80℃。
2.根据权利要求1所述的GH5188合金电极锭的制备方法，其特征在于，所述合金原料的金属镧元素质量为所述合金原料质量的0.25-0.4质量％。
3.根据权利要求2所述的GH5188合金电极锭的制备方法，其特征在于，所述合金原料的金属镧元素质量为所述合金原料质量的0.3-0.35质量％。
4.根据权利要求1所述的GH5188合金电极锭的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中所述出钢温度高于所述合金液相线温度60～75℃。
5.根据权利要求4所述的GH5188合金电极锭的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中所述出钢温度高于所述合金液相线温度65～70℃。
6.根据权利要求1所述的GH5188合金电极锭的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述冷却为随模自然冷却。
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