CN112974740B - 一种gh4151合金的真空感应熔炼浇铸工艺和锭模装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的工艺和锭模装置。所述装置包括：模壳（3），所述模壳（3）呈圆筒形并具有用于容纳合金铸锭的腔体（1）；保温冒口（2），所述保温冒口（2）的形状为平截空心锥体，并且套接在模壳（3）的一端；电磁搅拌装置（4），所述电磁搅拌装置（4）呈圆筒形并套接在模壳（3）的没有布置所述保温冒口的位置。本发明所用的工艺及装置可有效降低偏析，减小合金凝固过程中的内应力，提高合金强度，从而防止裂纹的产生。

Description

一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸工艺和锭模装置

技术领域

本发明涉及合金冶炼技术领域，尤其涉及一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸工艺和锭模装置。

背景技术

GH4151合金是一种以γ'相沉淀强化的先进难变形高温合金，具有优异的抗疲劳、抗蠕变、抗腐蚀性能，常用于制作航空发动机涡轮盘。GH4151合金化程度非常高，其中时效沉淀强化元素（Al+Ti+Nb）含量高达10 wt.%，主要强化相γ'体积分数高于45%，为变形合金之最；此外，大量添加的固溶强化元素Cr、Co、Mo、W等，使得合金室温强度高达1700MPa。然而由于大量强化元素的添加，使得合金在熔炼过程中出现严重的偏析，导致枝晶间出现大量的低熔点脆性相，如（γ+γ'）共晶相，使得合金的热塑性显著恶化。同时，在合金的凝固收缩应力的共同作用下造成铸锭产生裂纹。

由于合金特殊的材料属性以及不合理的真空感应浇铸工艺，在真空感应熔炼的铸锭中常出现明显的横裂、纵裂以及中心裂纹，这是一种不可逆转的严重铸造缺陷，影响后面工序的进行。甚至在铸锭凝固过程中，形成通心裂纹导致整根铸锭报废。目前，针对难变形高温合金开裂控制的研究主要集中在锻造和热处理过程，而针对真空感应熔炼浇铸工艺的开裂控制研究较少。

因此，针对以上不足，需要提供一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸工艺和锭模装置。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是在真空感应熔炼的铸锭中常出现明显的横裂、纵裂以及中心裂纹，影响后面工序的进行，甚至在铸锭凝固过程中，形成通心裂纹导致整根铸锭报废等问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明在第一方面提供了一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的锭模装置，所述装置包括：模壳3，所述模壳3呈圆筒形并具有用于容纳合金铸锭的腔体1；

保温冒口2，所述保温冒口2的形状为平截空心锥体，并且套接在模壳3的一端；

电磁搅拌装置4，所述电磁搅拌装置4呈圆筒形并套接在模壳3的没有布置所述保温冒口的位置。

优选地，所述保温冒口2的材料选自岩棉、石棉、耐火纤维中的一种或多种。

优选地，所述保温冒口2的底面直径比所述模壳3的外径大400~500mm，高度为500~600mm，所述保温冒口2的内腔直径设置成能够套接在模壳3的外面。

优选地，所述模壳3由球墨铸铁制得。

优选地，所述电磁搅拌装置4为多对感应线圈，所述感应线圈成对布置在模壳3的四周，所述感应线圈的高度为2450mm。

优选的是，所述电磁搅拌装置4为三对线圈：第一感应线圈40和第二感应线圈43、第三感应线圈41和第四感应线圈44、第五感应线圈42和第六感应线圈45，并且所述三对线圈中的每一对线圈都串联连接而作为三相交流电的连接端。

本发明第二方面提供了一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的工艺，所述浇铸工艺利用本发明第一方面所述的锭模装置进行，并包括如下步骤：

（1）冶炼前对真空感应炉坩埚进行镍洗，在镍洗后的真空感应炉中进行装料，然后抽真空至真空度小于0.5Pa；

（2）将装料到真空感应炉坩埚中的物料进行电冶炼，所述电冶炼依次包括熔化、精炼、合金化阶段，并使所得合金熔体的温度达到预设温度；熔化阶段真空感应炉功率从420kW逐渐上升至1500kW，历时10至12小时；精炼阶段保持功率在1320kw±50kW条件下，精炼2.5至3.5小时；合金化阶段加入Al、Zr、Nb和Ti，这些元素按质量百分比计为Al3.8%、Zr0.04%、Nb3.4%、Ti2.8%，以保证烧损元素保持在合理化区间，所述合理化区间按质量百分比计为Zr 0.02%~0.05%，Ti 2.50%~3.10%，Al 3.5%~4.0%，Nb 3.0%~3.5%，合金化时期熔炼功率为1520±50kW，历时1.5小时；

（3）将锭模装置移至锭模室，抽真空至真空度小于5Pa，充入氩气；

（4）浇铸；

（5）浇铸完成后，搅拌预设时间；

（6）炉冷5~8h，脱模取锭。

优选地，在步骤（2）中，所述预设温度采用热电偶测定，所述预设温度为1405℃~1425℃。

优选地，在步骤（3）中，所述充入氩气的流量为200~220mL/min；充入氩气的时间为10~15min。

优选地，在步骤（4）中，所述浇铸的速度为8~15kg/s，浇铸的时间小于5min。

优选地，在步骤（5）中，向所述电磁搅拌装置4通以20~50Hz，300~400A的交流电，预设时间为40~60min。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

（1）浇铸温度控制在液相线温度以上70℃~90℃，即熔体温度在1405℃~1425℃，有效降低合金的局部冷却时间，减少偏析和脆性相的析出；

（2）在锭模头部设置锥形的保温冒口，既可以有效保证头部合金液缓慢凝固，达到补缩效果，又可使得铸锭内的合金液较快凝固，减少偏析；此外，保温冒口的形状为上宽下窄，上面可以起到保温效果，下面起到快速冷却的效果，从而减少偏析；

（3）设置电磁搅拌装置，可在合金凝固过程中使液态合金扰动，破碎枝晶，提高形核率，降低晶粒尺寸，提高合金强度；另外混匀合金液降低温度梯度，减小凝固热应力。

附图说明

图1是本发明GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的装置；其中，1、合金铸锭的腔体，2、保温冒口，3、模壳，4、电磁搅拌装置；

图2是本发明GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的锭模装置（不含保温冒口）的俯视图；

图3是本发明锭模装置中一个感应线圈的左视图；

图4是本发明实施例1铸锭的共晶相形貌。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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。

如图1所示，本发明第一方面提供了一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的锭模装置，所述装置包括：模壳3，所述模壳3呈圆筒形并具有用于容纳合金铸锭的腔体1；保温冒口2，所述保温冒口2的形状为平截空心锥体，并且套接在模壳3的一端；电磁搅拌装置4，所述电磁搅拌装置4呈圆筒形并套接在模壳3的没有布置所述保温冒口的位置。

根据一些优选的实施方式，所述保温冒口2的材料选自岩棉、石棉、耐火纤维的一种或多种。

根据一些优选的实施方式，所述保温冒口2的底面直径比所述模壳3的外径大400~500mm，高度为500~600mm，所述保温冒口2的内腔直径设置成能够套接在模壳3的外面。例如，所述保温冒口2的内腔直径设置成比模壳3的外径大0至20mm，例如大1至20mm，使得所述保温冒口2能够套接在所述模壳3的外面。所述保温冒口2可以保证合金熔体在较快凝固的前提下，有效减小偏析和补充缩孔。

根据一些优选的实施方式，所述模壳3由球墨铸铁制得。

根据一些优选的实施方式，所述电磁搅拌装置4为多对感应线圈，所述感应线圈成对布置在模壳3的四周，所述感应线圈的高度为2450mm。

优选的是，所述电磁搅拌装置4为三对线圈：第一感应线圈40和第二感应线圈43、第三感应线圈41和第四感应线圈44、第五感应线圈42和第六感应线圈45，并且所述三对线圈中的每一对线圈都串联连接而作为三相交流电的连接端。所述感应线圈形状如图2和图3所示。所述电磁搅拌装置设置在模壳的周围，可在合金凝固过程中使液态合金扰动，破碎枝晶，提高形核率，降低晶粒尺寸，提高合金强度；另外混匀合金液降低温度梯度，减小凝固热应力。

本发明第二方面提供了一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的工艺，所述浇铸工艺利用本发明第一方面所述的锭模装置进行，并包括如下步骤：

（1）冶炼前对真空感应炉坩埚进行镍洗，在镍洗后的真空感应炉中进行装料，然后抽真空至真空度小于0.5Pa；

（2）将装料到真空感应炉坩埚中的物料进行电冶炼，所述电冶炼依次包括熔化、精炼、合金化阶段，并使所得合金熔体的温度达到预设温度；熔化阶段真空感应炉功率从420kW逐渐上升至1500kW，历时10至12小时；精炼阶段保持功率在1320kw±50kW条件下，精炼2.5至3.5小时；合金化阶段加入Al、Zr、Nb和Ti，这些元素按质量百分比计为Al3.8%、Zr0.04%、Nb3.4%、Ti2.8%，以保证烧损元素保持在合理化区间，所述合理化区间按质量百分比计为Zr 0.02%~0.05%，Ti 2.50%~3.10%，Al 3.5%~4.0%，Nb 3.0%~3.5%，合金化时期熔炼功率为1520±50kW，历时1.5小时

（3）将锭模装置移至锭模室，抽真空至真空度小于5Pa，充入氩气；

（4）浇铸；

（5）浇铸完成后，搅拌预设时间；

（6）炉冷5~8h，脱模取锭。

根据一些优选的实施方式，在步骤（2）中，所述预设温度采用热电偶测定，所述预设温度在GH4151合金液相线温度以上70℃~90℃，即熔体温度在1405℃~1425℃。

根据一些优选的实施方式，在步骤（3）中，所述充入氩气的流量为200~220mL/min；充入氩气的时间为10~15min，以防止浇铸过程中铸锭氧化。

根据一些优选的实施方式，在步骤（4）中，所述浇铸的速度为8~15kg/s，浇铸的时间小于5min。保证合金熔体在5min之内浇铸完成，减少合金在浇铸过程中的热损失，保证合金熔体温度的均匀性。低频交流电，加热效果不明显。

根据一些优选的实施方式，在步骤（5）中，向所述电磁搅拌装置4通以20~50Hz，300~400A的交流电，预设时间为40-60min。

实施例1

采用图1所示的锭模装置对GH4151合金进行熔炼浇铸。所述装置的模壳由球墨铸铁制得，模壳的外径为800mm。所述装置采用岩棉作为保温冒口的材料，所述保温冒口的直径为1200mm，高度为500mm，所述保温冒口2截头的内腔直径与模壳3的外径一致。所述装置的电磁搅拌装置为三对感应线圈，第一感应线圈40和第二感应线圈43、第三感应线圈41和第四感应线圈44、第五感应线圈42和第六感应线圈45，并且所述每一对线圈都串联连接而作为三相交流电的连接端。

GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的工艺如下：

（1）GH4151合金按照质量百分比计，含有：0.06%C，14.5%Co，11%Cr，4.5%Mo，3%W，0.007%B，0.02%Zr，0.55%V，2.82%Ti，3.9%Al，3.28%Nb，余Ni；

（2）冶炼前对真空感应炉坩埚进行镍洗，按照步骤（1）所述合金的元素配比称取原料，装料，抽真空至0.4Pa。

（3）将装料到真空感应炉坩埚中的物料进行电冶炼，然后熔化原料，熔化阶段真空感应炉功率从420kW逐渐上升至1500kW，历时10小时；精炼，保持功率在1320kw条件下，精炼2.5小时；合金化阶段加入Al、Zr、Nb和Ti，这些元素按质量百分比计为Al3.8%、Zr0.04%、Nb3.4%、Ti2.8%，合金化时期熔炼功率为1520kW，历时1.5小时；合金化后，采用热电偶测得合金熔体的温度为1412℃，准备浇铸。

（4）将图1所示的锭模装置移至锭模室，抽真空至3Pa，以200mL/min的流量充入氩气，充入15min。

（5）开始浇铸，控制浇铸速度为10kg/s，总浇铸时长为4.8min。

（6）浇铸完成后，立即打开电磁搅拌装置，设置搅拌频率为30Hz，搅拌电流为350A，搅拌45min后，停止搅拌。

（7）经炉冷6.5h后，脱模取锭。铸锭没有明显裂纹，缩孔深度为12cm，取样检测（γ+γ'）共晶相平均尺寸，共晶相的形貌如图4所示，Ti、Nb、Mo的偏析系数，如表1所示。

实施例2

本实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤（1）中，GH4151合金按照质量百分比计，含有0.06%C，14.5%Co，11%Cr，4.5%Mo，3.4%W，0.007%B，0.02%Zr，0.55%V，3.03%Ti，3.9%Al，3.28%Nb，余Ni；

在步骤（3）中，合金熔体的温度为1420℃；

在步骤（4）充入氩气的流量为215mL/min，充入10min。

在步骤（5）中，浇铸速度为13kg/s，总浇铸时长为3.5min。

Ti、Nb、Mo的偏析系数，如表1所示。

对比例1

本对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤（3）中，合金熔体温度为1550℃。

对比例2

本对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤（4）中，所用装置没有设置保温冒口。

对比例3

本对比例3与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤（4）中，所用装置的保温冒口为圆柱形，套接在模壳的一端，所述圆柱形保温冒口的直径为1000mm。

对比例4

本对比例4与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤（4）中，所用装置没有电磁搅拌装置。

对比例5

本对比例5与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤（4）中，所用装置没有保温冒口和电磁搅拌装置。

表1 各实施例和对比例制得的铸锭共晶相尺寸及偏析系数

综上所述，通过实施例1和对比例1发现，本领域采用的温度范围为1410-1550℃，本发明采用的温度范围为1405-1425℃，降低浇铸温度，并缩小浇铸温度的限制范围，可以保证在顺利浇铸的基础上，有效减少合金的局部冷却时间，降低合金中偏析元素的非平衡凝固扩散动能，从而抑制合金中大尺寸脆性相的析出。

通过实施例1和对比例2-5对比发现，本发明所述形状为平截空心锥体的保温冒口，可以有效减少偏析，本发明设置电磁搅拌装置，可以有效降低晶粒尺寸。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (9)

1.一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的工艺，其特征在于，所述工艺利用一种GH4151合金的真空感应熔炼浇铸的锭模装置进行，所述锭模装置包括：

模壳（3），所述模壳（3）呈圆筒形并具有用于容纳合金铸锭的腔体（1）；

保温冒口（2），所述保温冒口（2）的形状为平截空心锥体，并且套接在所述模壳（3）的一端；

电磁搅拌装置（4），所述电磁搅拌装置（4）呈圆筒形并套接在所述模壳（3）的没有布置所述保温冒口（2）的位置；

并且所述工艺包括如下步骤：

（1）冶炼前对真空感应炉坩埚进行镍洗，在镍洗后的真空感应炉中进行装料，然后抽真空至真空度小于0.5Pa；

（2）将装料到真空感应炉坩埚中的物料进行电冶炼，所述电冶炼依次包括熔化、精炼、合金化阶段，并使所得合金熔体的温度达到预设温度；熔化阶段真空感应炉功率从420kW逐渐上升至1500kW，历时10至12小时；精炼阶段保持功率在1320kw±50kW条件下，精炼2.5至3.5小时；合金化阶段加入Al、Zr、Nb和Ti，这些元素按质量百分比计为Al3.8%、Zr0.04%、Nb3.4%、Ti2.8%，以保证烧损元素保持在合理化区间，所述合理化区间按质量百分比计为Zr0.02%~0.05%，Ti 2.50%~3.10%，Al 3.5%~4.0%，Nb 3.0%~3.5%，合金化时期熔炼功率为1520±50kW，历时1.5小时；

（3）将锭模装置移至锭模室，抽真空至真空度小于5Pa，充入氩气；

（4）浇铸；

（5）浇铸完成后，搅拌预设时间；

（6）炉冷5~8h，脱模取锭。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：

所述保温冒口（2）的材料选自岩棉、石棉、耐火纤维中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：

所述保温冒口（2）的底面直径比所述模壳（3）的外径大400~500mm，高度为500~600mm，所述保温冒口（2）的内腔直径设置成能够套接在所述模壳（3）的外面。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述模壳（3）由球墨铸铁制得。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述电磁搅拌装置（4）为多对感应线圈，所述感应线圈成对布置在所述模壳（3）的四周，所述感应线圈的高度为2450mm。

6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述电磁搅拌装置（4）为三对线圈：第一感应线圈（40）和第二感应线圈（43）、第三感应线圈（41）和第四感应线圈（44）、第五感应线圈（42）和第六感应线圈（45），并且所述三对线圈中的每一对线圈都串联连接而作为三相交流电的连接端。

7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：

在步骤（2）中，所述预设温度采用热电偶测定，所述预设温度为1405℃~1425℃。

8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：

在步骤（3）中，所述充入氩气的流量为200~220mL/min；

充入氩气的时间为10~15min。

9.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：

在步骤（4）中，所述浇铸的速度为8~15kg/s，所述浇铸的时间小于5min；

在步骤（5）中，向所述电磁搅拌装置（4）通以20~50Hz，300~400A的交流电，预设时间为40~60min。

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