CN113718138A - Vidp+vhcc双联生产粉末高温合金母合金的方法和粉末高温合金母合金 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法和粉末高温合金母合金。VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法，包括：将所述粉末高温合金母合金的原料使用VIDP炉熔炼，然后加入渣料，同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气，进行渣金反应；所述渣金反应结束并达到浇铸温度时进行真空水平连铸，得到所述粉末高温合金母合金棒坯。粉末高温合金母合金，使用所述的VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法制得。本申请提供的VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法，可显著提升合金的纯净度，改善合金的力学性能和热工艺性能，达到提高粉末高温合金成品率、服役寿命和可靠性的要求。

Description

VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法和粉末高温 合金母合金

技术领域

本申请涉及冶金领域，尤其涉及一种VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法和粉末高温合金母合金。

背景技术

粉末高温合金是制造先进航空航天发动机热端部件（涡轮盘）的关键材料，其优点是无宏观偏析、组织均匀、晶粒细小，具有优异的力学性能（高温强度、疲劳性能等）和热工艺性能，因而能够有效地保证发动机的可靠性和耐久性。目前，随着我国航空发动机推重比的不断提高，对粉末高温合金性能有了更高的要求，进而对合金纯净度提出了新的挑战。然而，非金属夹杂物作为粉末高温合金中的缺陷，会在其周围引起应力集中，造成裂纹和孔洞，导致合金的疲劳、断裂等，严重地影响了粉末高温合金的性能，束缚了粉末高温合金的发展和应用。近四十年来，我国粉末高温合金材料的研究中遇到的最大困难就是无法有效地去除粉末中存在的非金属夹杂物。

母合金制备是粉末高温合金涡轮盘生产的第一道工序，也是最为关键的工序之一，母合金质量的好坏对工件的质量起到决定性的作用。制备出高纯净的母合金棒料，可以为后续加工提供有利的条件，并为最终产品质量提供保障。在变形高温合金领域，为解决夹杂物和组织问题，从早期的VIM（真空感应熔炼）单联工艺发展出VIM+VAR（真空电弧重熔）、VIM+ESR（电渣重熔）双联工艺乃至VIM+ESR+VAR三联工艺。在这些制备工艺中，熔炼好的钢液经过浇流槽，采用顶铸的方式浇注进入钢模中，在浇铸过程中，不可避免地会将浮于钢液表面的夹杂物和浇流槽中的非金属材料带入铸锭，而造成母合金的污染。三联冶炼工艺可制备高洁净粉末高温合金电极棒，但操作工艺复杂、成本昂贵，仅限于实验室探索。此外，由于粉末高温合金母合金小断面尺寸的特点，无法直接将变形高温合金领域成功应用的多联工艺移植过来，必须先解决小断面尺寸高温合金锭坯的ESR或VAR的制备工艺问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法和粉末高温合金母合金，以解决上述问题。

为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

一种VIDP（真空感应脱气浇铸熔炼）+VHCC（真空水平连铸）双联生产粉末高温合金母合金的方法，包括：

将所述粉末高温合金母合金的原料使用VIDP炉熔炼，然后加入渣料，同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气，进行渣金反应；

所述渣金反应结束并达到浇铸温度时进行真空水平连铸，得到所述粉末高温合金母合金的棒坯；

所述原料以质量百分比计算，包括：C0.02%-0.05%、Cr15%-16.5%、Co12.5%-13.5%、W3.8%-4.2%、Mo3.8%-4.2%、Al2%-2.4%、Ti3.5%-3.9%、Nb0.6%-1%、B0.006%-0.015%、Zr0.025%-0.05%和Ce0.005%-0.01%，余量为Ni。

优选地，所述熔炼包括：将Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni装入VIDP炉的坩埚内，然后洗炉；

加热至原料熔化后加入C粉，继续升温精炼，然后加入Al、Ti、Zr、B、Ce，搅拌、静置；

优选地，所述洗炉包括：反复抽真空、充入氩气2-3次；

优选地，所述加热的温度为1360℃-1400℃；

优选地，所述精炼的温度为1450℃-1500℃，时间为30min -50min。

优选地，所述渣料，以质量百分比计算，包括：CaO 18%-24%、Al₂O₃ 20%-25%、MgO0%-7%、CaF₂ 47%-53%、TiO₂ 0%-9%、ZrO₂ 1%-3%和CeO₂ 0.5%-2%。

优选地，所述渣料的用量为所述粉末高温合金母合金的总质量的0.5%-2%。

优选地，所述渣料分多次加入；

优选地，所述渣料的制备方法包括：将所述渣料的原料熔化，然后水淬冷却、粉碎得到所述渣料。

优选地，所述底部供气元件为环缝式底吹供气元件；

优选地，所述环缝式底吹供气元件包括第一供气点、第二供气点和第三供气点，所述第一供气点设置在所述VIDP炉的熔池0.45D圆周处且与结晶器呈180°布置，所述第二供气点和所述第三供气点对称设置在所述VIDP炉的熔池0.4D圆周处，相邻两个供气点与所述熔池的底部中心点的连线之间的夹角为120°。

优选地，所述吹氩气的流量为16L/min-20 L/min，氩气压强为0.2MPa -0.5MPa。

优选地，所述VIDP炉的结晶器前设置过滤器；

优选地，所述结晶器采用石墨铸型和水冷铜模；

优选地，所述结晶器的冷却水温度为20℃-30℃，冷却水量为4t/h -6t/h。

优选地，所述连铸的过程中，拉坯机的拉坯速度为0.4 m/min-1.2m/min。

本申请还提供一种粉末高温合金母合金，使用所述的VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法制得。

与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

本申请提供的VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法，与三联工艺相比，工艺简单、成本低；VIDP具有高真空，抽真空更快更稳定，浇注的合金棒料具有纯净度高、气体含量低等优点；采用底部供气元件吹氩气，利用底铸充型可以有效地使夹杂物上浮至熔池顶面，远离充型区，尤其是大尺寸夹杂物的上浮效果好，达到显著降低合金中夹杂物和脱氮的目的；且母合金是在真空条件下直接连续铸造成形的，避免了传统工艺所必须的浇流槽、保温棉等非金属材料的二次污染，从而可显著降低母合金中的夹杂物数量。

本申请提供的粉末高温合金母合金，纯净度高，力学性能和热工艺性能优异，粉末高温合金成品率、服役寿命和可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。

图1为实施例使用的冶炼设备的示意图；

图2为实施例使用的冶炼设备的底部供气元件的位置结构示意图；

图3为实施例提供的VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法的工艺流程图；

图4为所得粉末高温合金的电子扫描显微镜下夹杂物形貌示意图。

附图标记：

1-加料漏斗；2-真空阀门；3-真空表；4-感应线圈；5-金属液；6-底部供气元件；7-熔渣；8-石墨铸型；9-水冷铜模；10-过滤器；11-真空锁；12-拉坯装置；13-铸坯。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK（K为任意数，表示倍数因子）。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

一种VIDP（真空感应脱气浇铸熔炼）+VHCC（真空水平连铸）双联生产粉末高温合金母合金的方法，包括：

将所述粉末高温合金母合金的原料使用VIDP炉熔炼，然后加入渣料，同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气，进行渣金反应；

所述渣金反应结束并达到浇铸温度时进行真空水平连铸，得到所述粉末高温合金母合金的棒坯；

所述原料以质量百分比计算，包括：C0.02%-0.05%、Cr15%-16.5%、Co12.5%-13.5%、W3.8%-4.2%、Mo3.8%-4.2%、Al2%-2.4%、Ti3.5%-3.9%、Nb0.6%-1%、B0.006%-0.015%、Zr0.025%-0.05%和Ce0.005%-0.01%，余量为Ni。

粉末高温合金母合金后续需要进行等离子旋转电极雾化制粉，因此要求粉末高温合金母合金棒坯断面尺寸小，通常为φ50mm~φ80mm。而现有的多联工艺生产出的高温合金棒坯断面尺寸通常为φ500mm~φ1000mm，不能直接用于等离子旋转电极雾化制粉工艺。本申请提供的方法可以满足上述需要。

所有原材料用酒精冲洗后烘烤，以保证其纯净度。

可选的，所述原料以质量百分比计算，C的用量可以为0.02%、0.03%、0.04%、0.05%或者0.02%-0.05%之间的任一值，Cr的用量可以为15%、15.5%、16%、16.5%或者15%-16.5%之间的任一值，Co的用量可以为12.5%、13%、13.5%或者12.5%-13.5%之间的任一值，W的用量可以为3.8%、3.9%、4.0%、4.1%、4.2%或者3.8%-4.2%之间的任一值，Mo的用量可以为3.8%、3.9%、4.0%、4.1%、4.2%或者3.8%-4.2%之间的任一值，Al的用量可以为2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%或者2%-2.4%之间的任一值，Ti的用量可以为3.5%、3.6%、3.7%、3.8%、3.9%或者3.5%-3.9%之间的任一值，Nb的用量可以为0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%或者0.6%-1%之间的任一值，B的用量可以为0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.010%、0.011%、0.012%、0.013%、0.014%、0.015%或者0.006%-0.015%之间的任一值，Zr的用量可以为0.025%、0.03%、0.035%、0.04%、0.045%、0.05%或者0.025%-0.05%之间的任一值，Ce的用量可以为0.005%、0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.01%或者0.005%-0.01%之间的任一值，余量为Ni。

在一个可选的实施方式中，所述熔炼包括：将Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni装入VIDP炉的坩埚内，然后洗炉；

加热至原料熔化后加入C粉，继续升温精炼，然后加入Al、Ti、Zr、B、Ce，搅拌、静置；

装料应遵循：①坩埚底部放小块料，以便快速形成熔池，大块料放在坩埚中上部，利于预热和顺利塌料；②装料应依照下紧上松的原则，防止炉料熔化过程中“架桥”；③W是高熔点金属，其熔点高达3400℃，应将其装在坩埚下部，以便顺利化料。

在一个可选的实施方式中，所述洗炉包括：反复抽真空、充入氩气2-3次；

原料装入VIDP炉后关闭舱门，将炉内抽真空至10Pa以下，再充入氩气至微正压，然后抽真空再充氩气反复循环2~3次进行洗炉。

可选的，反复抽真空、充入氩气的次数可以为2次或3次，在不考虑成本的情况下也可以适当增加次数。

在一个可选的实施方式中，所述加热的温度为1360℃-1400℃；

优选以感应方式进行加热。

在一个可选的实施方式中，所述精炼的温度为1450℃-1500℃，时间为30min -50min。

可选的，所述加热的温度可以为1360℃、1370℃、1380℃、1390℃、1400℃或者1360℃-1400℃之间的任一值；所述精炼的温度可以为1450℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃、1500℃或者1450℃-1500℃之间的任一值，时间可以为30min、40min、50min或者30min -50min之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述渣料，以质量百分比计算，包括：CaO 18%-24%、Al₂O₃ 20%-25%、MgO 0%-7%、CaF₂ 47%-53%、TiO₂ 0%-9%、ZrO₂ 1%-3%和CeO₂ 0.5%-2%。

真空水平连铸渣系以CaF2为基础，加入适量的CaO、Al₂O₃、MgO和TiO₂等氧化物。此外，向渣中添加少量ZrO₂、CeO₂，抑制粉末高温合金中Zr、Ce元素的烧损。为了使熔渣具有较强的脱硫能力，渣系组成要保证熔渣的光学碱度要高，同时具有良好的流动性和合适的过热度。

在VIDP熔炼过程中造渣，利用熔渣中CaO、MgO等碱性氧化物与金属液内的[S]反应，生成CaS、MgS等不溶于金属液而溶于渣的稳定化合物，从而使金属液中的[S]转移到渣中而被脱除。

可选的，所述渣料，以质量百分比计算，CaO 的含量可以是18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%或者18%-24%之间的任一值，Al₂O₃的含量可以是20%、21%、22%、23%、24%、25%或者20%-25%之间的任一值，MgO的含量可以是0、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%或者0%-7%之间的任一值，CaF₂的含量可以是47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%或者47%-53%之间的任一值，TiO₂的含量可以是0、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%或者0%-9%之间的任一值，ZrO₂的含量可以是1%、2%、3%或者1%-3%之间的任一值，CeO₂的含量可以是0.5%、1%、1.5%、2%或者0.5%-2%之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述渣料的用量为所述粉末高温合金母合金的总质量的0.5%-2%。

可选的，所述渣料的用量可以为所述粉末高温合金母合金的总质量的0.5%、1%、1.5%、2%或者0.5%-2%之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述渣料分多次加入；

在一个可选的实施方式中，所述渣料的制备方法包括：将所述渣料的原料熔化，然后水淬冷却、粉碎得到所述渣料。

具体的，可以按照以下操作：高纯CaO、MgO、CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CeO₂试剂按比例称取后放入管式炉中，在1500℃下保温30min，以确保完全熔化和均质，熔化的渣样取出后水淬冷却并研磨成粉末待用。

在一个可选的实施方式中，所述底部供气元件为环缝式底吹供气元件；

在一个可选的实施方式中，所述环缝式底吹供气元件包括第一供气点、第二供气点和第三供气点，所述第一供气点设置在所述VIDP炉的熔池0.45D圆周处且与结晶器呈180°布置，所述第二供气点和所述第三供气点对称设置在所述VIDP炉的熔池0.4D圆周处，相邻两个供气点与所述熔池的底部中心点的连线之间的夹角为120°。

此种供气元件结构简单、稳定，且具有较大的流量调节范围。合理的炉底供气元件的布置方式能够大大的提高冶金效果。供气元件的非对称及多环布置缩短了熔池混匀时间，降低了终点氧含量。

在一个可选的实施方式中，所述吹氩气的流量为16L/min-20 L/min，氩气压强为0.2MPa -0.5MPa。

VIDP底吹氩气以钢液表面没有溅射为前提，氩气流量偏低时，氩气脱氧、脱硫、脱气效果得不到充分发挥，氩气流量偏高时，容易引发熔池喷溅。在上述范围内溶液顶部稳定没有溅射，并且出现小气泡群有利于氩气泡粘附夹杂物并去除氮元素。

一方面，底吹氩气具有良好的脱氮效果；另一方面，在VIDP熔炼过程中金属液中小尺寸夹杂物靠静力作用很难实现充分上浮，高密度夹杂物在浮力作用下基本不会上浮，采用底吹氩气的方法，可使实现低密度小尺寸夹杂物和高密度夹杂物的有效上浮去。此外，底吹氩气增大了金属液与熔渣的接触面积，促进渣/金反应的充分进行，提高脱硫效率。

可选的，所述吹氩气的流量可以为16L/min、17L/min、18L/min、19L/min、20L/min或者16L/min-20 L/min之间的任一值，氩气压强可以为0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5MPa或者0.2MPa -0.5MPa之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述VIDP炉的结晶器前设置过滤器；

在结晶器前设置过滤器，使金属液进入结晶器时夹杂物黏附在过滤器上，从而有效地去除金属液中的夹杂物数量，提升金属液的纯净度，使浇铸出的棒坯表面平滑。

在一个可选的实施方式中，所述结晶器采用石墨铸型和水冷铜模；

在一个可选的实施方式中，所述结晶器的冷却水温度为20℃-30℃，冷却水量为4t/h -6t/h。

可选的，所述结晶器的冷却水温度可以为20℃、25℃、30℃或者20℃-30℃之间的任一值，冷却水量可以为4t/h、5t/h、6t/h或者4t/h -6t/h之间的任一值。

在一个可选的实施方式中，所述连铸的过程中，拉坯机的拉坯速度为0.4 m/min-1.2m/min。

可选的，所述连铸的过程中，拉坯机的拉坯速度可以为0.4m/min、0.5m/min、0.6m/min、0.7m/min、0.8m/min、0.9m/min、1.0m/min、1.1m/min、1.2m/min或者0.4 m/min-1.2m/min之间的任一值。

本申请还提供一种粉末高温合金母合金，使用所述的VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法制得。

下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种冶炼设备，包括VIDP炉和连铸设施，VIDP炉包括真空室以及置于真空室内的熔池；真空室的顶部设置有加料漏斗1、真空阀门2、真空表3，加料漏斗1与熔池相对应设置，熔池的上部外围设置有用于对熔池内的物质进行感应加热的感应线圈4，冶炼过程中，金属液5置于熔池下部，熔池底部设置有底部供气元件6，熔渣7置于金属液5的顶部；熔池下部一侧设置有结晶器，结晶器采用石墨铸型8和水冷铜模9，结晶器沿着金属液体流动的方向的前端设置有过滤器10，真空室上与结晶器出口对应的位置设置有真空锁11。连铸设施包括拉坯装置12，经过VIDP+VHCC双联生产后，得到铸坯13。

如图2所示，底部供气元件6分布在熔池底部，为环缝式底吹供气元件，其包括第一供气点、第二供气点和第三供气点（图中三个小圆圈表示），第一供气点（图2左侧小圆圈表示）设置在熔池0.45D圆周处且与水冷结晶器呈180°布置，第二供气点（图2右侧上部小圆圈表示）和第三供气点（图2右侧下部小圆圈表示）对称设置在熔池0.4D圆周处，相邻两个供气点与熔池的底部中心点（图2中虚线交叉点）的连线之间的夹角为120°。

如图3所示，本实施例提供一种VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法，其步骤具体如下：

（1）配料：

真空水平连铸渣系各组分及其质量百分比为：CaO：22% ，Al₂O₃：21%，MgO：3%，CaF₂：48%，TiO₂：3%，ZrO₂：2%，CeO₂：1%。高纯CaO、MgO、CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CeO₂试剂按比例称取后放入管式炉中，在1500℃下保温30min，以确保完全熔化和均质，熔化的渣样取出后水淬冷却并研磨成粉末待用。

所述粉末高温合金料选用优质原材料，原料纯度≥99.99%，各组分及质量百分比为 C：0.05%，Cr：16.00%，Co：13.50%，W：4.00%，Mo：4.00%，Al：2.20%，Ti：3.90%，Nb：0.80%，B：0.015%，Zr：0.050%，Ce：0.010%，Ni按余量，所有原材料用酒精冲洗后烘烤。

（2）装料：

按照装料要求将预先烘干的Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni等金属放入坩埚中，将C粉、Al、Ti、Zr、B、Ce等易烧损、微量金属和渣料分别放到炉膛上方的多格料斗中。渣料的加入量为金属液的1%。原料装入VIDP炉后关闭舱门，将炉内抽真空至6Pa，再充入氩气至微正压，然后抽真空再充氩气反复循环2~3次进行洗炉。

（3）熔炼：

真空度达到要求后送电加热，以感应加热的方式升温至1370℃，待合金完全熔化后打开多格料斗，加入C进行碳氧反应，达到脱氧的目的。继续升温至1470℃，在此温度下精炼30min。精炼后期充分脱氧、去气后，加入Al、Ti、Zr、B、Ce等合金进行合金化（合金加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Ce）。加入合金后大功率搅拌2min，待合金完全熔化后静置5min，使金属液成分、温度均匀化。

脱氧合金化后，将渣料分两批加入熔池内（合金化后5min加入第一批渣料，15min后加入第二批渣料，两批渣料的质量比为2：1），同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气（氩气需预先通过热风炉加热，防止常温氩气通入高温熔体后造成熔池的喷溅），调节氩气流量至16L/min，氩气压强至0.2MPa，使液面有气泡溢出。渣/金反应结束后，降低温度，当达到浇注温度（1420℃）后关闭隔离阀，并停止吹氩气。

（4）连铸：

熔炼结束后开始浇铸，浇铸时在结晶器前设置过滤器可进一步去除金属液中的夹杂物，提升金属液的纯净度，使浇铸出的棒坯表面平滑。

拉坯机的拉坯速度为0.6m/min。结晶器采用石墨铸型和水冷铜模，能获得良好的冷却效果，从而细化晶粒。结晶器冷却水温度为23℃，冷却水量为4t/h，以确保足够的冷却能力。在水冷结晶器的作用下溶液凝固成型，通过配置在出料架上的定尺锯按参数在线同步切断，即得致密性好、无宏观缩孔、表面质量好的高纯净粉末高温合金母合金棒坯。

所得粉末高温合金母合金中硫含量为10ppm，氧含量7ppm，氮含量为8ppm，夹杂物尺寸≤13μm，含量≤4mg/10kg。

图4为所得粉末高温合金的电子扫描显微镜下夹杂物形貌示意图。

对比例1

（1）配料：

真空水平连铸渣系各组分及其质量百分比为CaO：22% ，Al₂O₃：21%，MgO：3%，CaF₂：48%，TiO₂：3%，ZrO₂：2%，CeO₂：1%。高纯CaO、MgO、CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CeO₂试剂按比例称取后放入管式炉中，在1500℃下保温30min，以确保完全熔化和均质，熔化的渣样取出后水淬冷却并研磨成粉末待用。

所述粉末高温合金料选用优质原材料，原料纯度≥99.99%，各组分及质量百分比为 C：0.05%，Cr：16.00%，Co：13.50%，W：4.00%，Mo：4.00%，Al：2.20%，Ti：3.90%，Nb：0.80%，B：0.015%，Zr：0.050%，Ce：0.010%，Ni按余量，所有原材料用酒精冲洗后烘烤。

（2）装料：

按照装料要求将预先烘干的Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni等金属放入坩埚中，将C粉、Al、Ti、Zr、B、Ce等易烧损、微量金属和渣料分别放到炉膛上方的多格料斗中。渣料的加入量为金属液的1%。原料装入VIDP炉后关闭舱门，将炉内抽真空至6Pa，再充入氩气至微正压，然后抽真空再充氩反复循环2~3次进行洗炉。

（3）熔炼：

真空度达到要求后送电加热，以感应加热的方式升温至1370℃，待合金完全熔化后打开多格料斗，加入C进行碳氧反应。继续升温至1470℃，在此温度下精炼30min。精炼后期充分脱氧、去气后，加入Al、Ti、Zr、B、Ce等合金进行合金化（合金加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Ce）。加入合金后大功率搅拌2min，待合金完全熔化后静置5min，使金属液成分、温度均匀化。

脱氧合金化后，将渣料分两批加入熔池内（合金化后5min加入第一批渣料，15min后加入第二批渣料，两批渣料的质量比为2：1）。渣/金反应结束后，降低温度，当达到浇注温度（1420℃）后关闭隔离阀。

（4）连铸：

熔炼结束后开始浇铸，浇铸时在结晶器前设置过滤器可进一步去除金属液中的夹杂物，提升金属液的纯净度，使浇铸出的棒坯表面平滑。

拉坯机的拉坯速度为0.6m/min。结晶器采用石墨铸型和水冷铜模，能获得良好的冷却效果，从而细化晶粒。结晶器冷却水温度为23℃，冷却水量为4t/h，以确保足够的冷却能力。在水冷结晶器的作用下溶液凝固成型，通过配置在出料架上的定尺锯按参数在线同步切断，即得致密性好、无宏观缩孔、表面质量好的高纯净粉末高温合金母合金棒坯。

所得粉末高温合金母合金中硫含量为12ppm，氧含量23ppm，氮含量为27ppm，夹杂物尺寸≤34μm，含量为9mg/10kg。

对比实验分析：对比例1相较于实施例1，在VIDP熔炼过程中没有底吹氩气，导致金属液中小尺寸夹杂物和高密度夹杂物无法上浮到熔渣中而去除，最终产品中O、N以及夹杂物含量较高。

实施例2

（1）配料：

真空水平连铸渣系各组分及其质量百分比为CaO：24% ，Al₂O₃：20%，MgO：3%，CaF₂：48%，TiO₂：2%，ZrO₂：2%，CeO₂：1%。高纯CaO、MgO、CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CeO₂试剂按比例称取后放入管式炉中，在1500℃下保温30min，以确保完全熔化和均质，熔化的渣样取出后水淬冷却并研磨成粉末待用。

所述粉末高温合金料选用优质原材料，原料纯度≥99.99%，各组分及质量百分比为 C：0.05%，Cr：16.50%，Co：13.00%，W：4.10%，Mo：4.10%，Al：2.30%，Ti：3.90%，Nb：0.70%，B：0.015%，Zr：0.050%，Ce：0.010%，Ni按余量，所有原材料用酒精冲洗后烘烤。

（2）装料：

按照装料要求将预先烘干的Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni等金属放入坩埚中，将C粉、Al、Ti、Zr、B、Ce等易烧损、微量金属和渣料分别放到炉膛上方的多格料斗中。渣料的加入量为金属液的1.5%。原料装入VIDP炉后关闭舱门，将炉内抽真空至4Pa，再充入氩气至微正压，然后抽真空再充氩反复循环2~3次进行洗炉。

（3）熔炼：

真空度达到要求后送电加热，以感应加热的方式升温至1380℃，待合金完全熔化后打开多格料斗，加入C进行碳氧反应。继续升温至1480℃，在此温度下精炼40min。精炼后期充分脱氧、去气后，加入Al、Ti、Zr、B、Ce等合金进行合金化（合金加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Ce）。加入合金后大功率搅拌2min，待合金完全熔化后静置5min，使金属液成分、温度均匀化。

脱氧合金化后，将渣料分两批加入熔池内（合金化后5min加入第一批渣料，15min后加入第二批渣料，两批渣料的质量比为2：1），同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气（氩气需预先通过热风炉加热，防止常温氩气通入高温熔体后造成熔池的喷溅），调节氩气流量至18L/min，氩气压强至0.3MPa，使液面有气泡溢出。渣/金反应结束后，降低温度，当达到浇注温度（1430℃）后关闭隔离阀，并停止吹氩气。

（4）连铸：

熔炼结束后开始浇铸，浇铸时在结晶器前设置过滤器可进一步去除金属液中的夹杂物，提升金属液的纯净度，使浇铸出的棒坯表面平滑。

拉坯机的拉坯速度为0.8m/min。结晶器采用石墨铸型和水冷铜模，能获得良好的冷却效果，从而细化晶粒。结晶器冷却水温度为25℃，冷却水量为5t/h，以确保足够的冷却能力。在水冷结晶器的作用下溶液凝固成型，通过配置在出料架上的定尺锯按参数在线同步切断，即得致密性好、无宏观缩孔、表面质量好的高纯净粉末高温合金母合金棒坯。

所得粉末高温合金母合金中硫含量为7ppm，氧含量8ppm，氮含量为6ppm，夹杂物尺寸≤10μm，含量≤3.4mg/10kg。

对比例2

（1）配料：

所述粉末高温合金料选用优质原材料，原料纯度≥99.99%，各组分及质量百分比为 C：0.05%，Cr：16.50%，Co：13.00%，W：4.10%，Mo：4.10%，Al：2.30%，Ti：3.90%，Nb：0.70%，B：0.015%，Zr：0.050%，Ce：0.010%，Ni按余量，所有原材料用酒精冲洗后烘烤。

（2）装料：

按照装料要求将预先烘干的Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni等金属放入坩埚中，将C粉、Al、Ti、Zr、B、Ce等易烧损、微量金属分别放到炉膛上方的多格料斗中。原料装入VIDP炉后关闭舱门，将炉内抽真空至4Pa，再充入氩气至微正压，然后抽真空再充氩反复循环2~3次进行洗炉。

（3）熔炼：

真空度达到要求后送电加热，以感应加热的方式升温至1380℃，待合金完全熔化后打开多格料斗，加入C进行碳氧反应。继续升温至1480℃，在此温度下精炼40min。同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气（氩气需预先通过热风炉加热，防止常温氩气通入高温熔体后造成熔池的喷溅），调节氩气流量至18L/min，氩气压强至0.3MPa，使液面有气泡溢出。精炼后期充分脱氧、去气后，加入Al、Ti、Zr、B、Ce等合金进行合金化（合金加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Ce）。加入合金后大功率搅拌2min，待合金完全熔化后静置5min，使金属液成分、温度均匀化。降低温度，当达到浇注温度（1430℃）后关闭隔离阀，并停止吹氩气。

（4）连铸：

熔炼结束后开始浇铸，浇铸时在结晶器前设置过滤器可进一步去除金属液中的夹杂物，提升金属液的纯净度，使浇铸出的棒坯表面平滑。

拉坯机的拉坯速度为0.8m/min。结晶器采用石墨铸型和水冷铜模，能获得良好的冷却效果，从而细化晶粒。结晶器冷却水温度为25℃，冷却水量为5t/h，以确保足够的冷却能力。在水冷结晶器的作用下溶液凝固成型，通过配置在出料架上的定尺锯按参数在线同步切断，即得致密性好、无宏观缩孔、表面质量好的高纯净粉末高温合金母合金棒坯。

所得粉末高温合金母合金中硫含量为23ppm，氧含量34ppm，氮含量为37ppm，夹杂物尺寸≤35μm，含量为11.7mg/10kg。

对比实验分析：对比例2相较于实施例2，在VIDP熔炼过程中没有加渣，导致金属液中的硫无法通过渣/金反应去除，此外，金属液中的夹杂物上浮至金属液面时，没有被熔渣吸附而重新回到钢液中，最终产品中O、N、S以及夹杂物含量较高。

实施例3

（1）配料：

真空水平连铸渣系各组分及其质量百分比为：CaO：23% ，Al₂O₃：22%，MgO：1%，CaF₂：50%，TiO₂：2%，ZrO₂：1%，CeO₂：1%。高纯CaO、MgO、CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CeO₂试剂按比例称取后放入管式炉中，在1500℃下保温30min，以确保完全熔化和均质，熔化的渣样取出后水淬冷却并研磨成粉末待用。

所述粉末高温合金料选用优质原材料，原料纯度≥99.99%，各组分及质量百分比为 C：0.05%，Cr：15.50%，Co：13.30%，W：3.90%，Mo：3.90%，Al：2.40%，Ti：3.80%，Nb：0.75%，B：0.015%，Zr：0.050%，Ce：0.010%，Ni按余量，所有原材料用酒精冲洗后烘烤。

（2）装料：

按照装料要求将预先烘干的Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni等金属放入坩埚中，将C粉、Al、Ti、Zr、B、Ce等易烧损、微量金属和渣料分别放到炉膛上方的多格料斗中。渣料的加入量为金属液的2%。原料装入VIDP炉后关闭舱门，将炉内抽真空至3Pa，再充入氩气至微正压，然后抽真空再充氩气反复循环2~3次进行洗炉。

（3）熔炼：

真空度达到要求后送电加热，以感应加热的方式升温至1400℃，待合金完全熔化后打开多格料斗，加入C进行碳氧反应。继续升温至1500℃，在此温度下精炼50min。精炼后期充分脱氧、去气后，加入Al、Ti、Zr、B、Ce等合金进行合金化（合金加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Ce）。加入合金后大功率搅拌2min，待合金完全熔化后静置5min，使金属液成分、温度均匀化。

脱氧合金化后，将渣料分两批加入熔池内（合金化后5min加入第一批渣料，15min后加入第二批渣料，两批渣料的质量比为2：1），同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气（氩气需预先通过热风炉加热，防止常温氩气通入高温熔体后造成熔池的喷溅），调节氩气流量至20L/min，氩气压强至0.4MPa，使液面有气泡溢出。渣/金反应结束后，降低温度，当达到浇注温度（1450℃）后关闭隔离阀，并停止吹氩气。

（4）连铸：

熔炼结束后开始浇铸，浇铸时在结晶器前设置过滤器可进一步去除金属液中的夹杂物，提升金属液的纯净度，使浇铸出的棒坯表面平滑。

拉坯机的拉坯速度为1.0m/min。结晶器采用石墨铸型和水冷铜模，能获得良好的冷却效果，从而细化晶粒。结晶器冷却水温度为26℃，冷却水量为6t/h，以确保足够的冷却能力。在水冷结晶器的作用下溶液凝固成型，通过配置在出料架上的定尺锯按参数在线同步切断，即得致密性好、无宏观缩孔、表面质量好的高纯净粉末高温合金母合金棒坯。

所得粉末高温合金母合金中硫含量为4ppm，氧含量6ppm，氮含量为7ppm，夹杂物尺寸≤10μm，含量≤3.6mg/10kg。

对比例3

（1）配料：

真空水平连铸渣系各组分及其质量百分比为：CaO：23% ，Al₂O₃：22%，MgO：1%，CaF₂：50%，TiO₂：2%，ZrO₂：1%，CeO₂：1%。高纯CaO、MgO、CaF₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CeO₂试剂按比例称取后放入管式炉中，在1500℃下保温30min，以确保完全熔化和均质，熔化的渣样取出后水淬冷却并研磨成粉末待用。

所述粉末高温合金料选用优质原材料，原料纯度≥99.99%，各组分及质量百分比为 C：0.05%，Cr：15.50%，Co：13.30%，W：3.90%，Mo：3.90%，Al：2.40%，Ti：3.80%，Nb：0.75%，B：0.015%，Zr：0.050%，Ce：0.010%，Ni按余量，所有原材料用酒精冲洗后烘烤。

（2）装料：

按照装料要求将预先烘干的Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni等金属放入坩埚中，将C粉、Al、Ti、Zr、B、Ce等易烧损、微量金属和渣料分别放到炉膛上方的多格料斗中。渣料的加入量为金属液的2%。原料装入VIDP炉后关闭舱门，将炉内抽真空至3Pa，再充入氩气至微正压，然后抽真空再充氩气反复循环2~3次进行洗炉。

（3）熔炼：

真空度达到要求后送电加热，以感应加热的方式升温至1400℃，待合金完全熔化后打开多格料斗，加入C进行碳氧反应。继续升温至1500℃，在此温度下精炼50min。精炼后期充分脱氧、去气后，加入Al、Ti、Zr、B、Ce等合金进行合金化（合金加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Ce）。加入合金后大功率搅拌2min，待合金完全熔化后静置5min，使金属液成分、温度均匀化。

脱氧合金化后，将渣料分两批加入熔池内（合金化后5min加入第一批渣料，15min后加入第二批渣料，两批渣料的质量比为2：1），同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气（氩气需预先通过热风炉加热，防止常温氩气通入高温熔体后造成熔池的喷溅），调节氩气流量至20L/min，氩气压强至0.4MPa，使液面有气泡溢出。渣/金反应结束后，降低温度，当达到浇注温度（1450℃）后关闭隔离阀，并停止吹氩气。

（4）连铸：

熔炼结束后开始浇铸，结晶器前不设置过滤器。拉坯机的拉坯速度为1.0m/min。结晶器采用石墨铸型和水冷铜模，能获得良好的冷却效果，从而细化晶粒。结晶器冷却水温度为26℃，冷却水量为6t/h，以确保足够的冷却能力。在水冷结晶器的作用下溶液凝固成型，通过配置在出料架上的定尺锯按参数在线同步切断，即得致密性好、无宏观缩孔、表面质量好的高纯净粉末高温合金母合金棒坯。

所得粉末高温合金母合金中硫含量为15ppm，氧含量21ppm，氮含量为23ppm，夹杂物尺寸≤17μm，含量≤7.1mg/10kg。

对比实验分析：对比例3相较于实施例3，在结晶器前没有设置过滤器，导致浇铸时金属液进入结晶器前夹杂物无法被吸附去除，最终产品中O、N以及夹杂物含量较高。

实施例1-3和对比例1-3得到的合金检测数据如下表1所示。

表1 检测数据

本申请提供的VIDP+VHCC双联工艺制备高纯净粉末高温合金母合金的方法，一方面，在VIDP熔炼过程中辅之以底吹氩气和造渣技术，利用底吹氩气良好的脱氮、促进夹杂物上浮作用以及熔渣捕获夹杂物和脱硫的效果，降低母合金中夹杂物及杂质元素含量；另一方面，在结晶器前设置过滤器，浇铸过程中金属液流经过滤器夹杂物被捕获，从而进一步降低金属液中夹杂物数量，最终可显著提升合金的纯净度，改善合金的力学性能和热工艺性能，达到提高粉末高温合金成品率、服役寿命和可靠性的要求。

通过本申请提供的VIDP+VHCC双联工艺制备高纯净粉末高温合金母合金的方法，有效地去除粉末高温合金母合金中非金属夹杂物以及降低杂质元素含量，实现母合金高纯净化，使粉末高温合金母合金棒料中硫含量≤10ppm，氧含量≤8ppm，氮含量≤8ppm，夹杂物尺寸≤15μm，含量≤4mg/10kg。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法，其特征在于，包括：

将所述粉末高温合金母合金的原料使用VIDP炉熔炼，然后加入渣料，同时通过VIDP炉底部供气元件吹氩气，进行渣金反应；

所述渣金反应结束并达到浇铸温度时进行真空水平连铸，得到所述粉末高温合金母合金的棒坯；

所述原料以质量百分比计算，包括：C0.02%-0.05%、Cr15%-16.5%、Co12.5%-13.5%、W3.8%-4.2%、Mo3.8%-4.2%、Al2%-2.4%、Ti3.5%-3.9%、Nb0.6%-1%、B0.006%-0.015%、Zr0.025%-0.05%和Ce0.005%-0.01%，余量为Ni。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔炼包括：将Cr、Co、W、Mo、Nb、Ni装入VIDP炉的坩埚内，然后洗炉；

加热至原料熔化后加入C粉，继续升温精炼，然后加入Al、Ti、Zr、B、Ce，搅拌、静置；

优选地，所述洗炉包括：反复抽真空、充入氩气2-3次；

优选地，所述加热的温度为1360℃-1400℃；

优选地，所述精炼的温度为1450℃-1500℃，时间为30min -50min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渣料，以质量百分比计算，包括：CaO18%-24%、Al₂O₃ 20%-25%、MgO 0%-7%、CaF₂ 47%-53%、TiO₂ 0%-9%、ZrO₂ 1%-3%和CeO₂ 0.5%-2%。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述渣料的用量为所述粉末高温合金母合金的总质量的0.5%-2%。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述渣料分多次加入；

优选地，所述渣料的制备方法包括：将所述渣料的原料熔化，然后水淬冷却、粉碎得到所述渣料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底部供气元件为环缝式底吹供气元件；

优选地，所述环缝式底吹供气元件包括第一供气点、第二供气点和第三供气点，所述第一供气点设置在所述VIDP炉的熔池0.45D圆周处且与结晶器呈180°布置，所述第二供气点和所述第三供气点对称设置在所述VIDP炉的熔池0.4D圆周处，相邻两个供气点与所述熔池的底部中心点的连线之间的夹角为120°。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述吹氩气的流量为16L/min-20 L/min，氩气压强为0.2MPa -0.5MPa。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述VIDP炉的结晶器前设置过滤器；

优选地，所述结晶器采用石墨铸型和水冷铜模；

优选地，所述结晶器的冷却水温度为20℃-30℃，冷却水量为3t/h -6t/h。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述连铸的过程中，拉坯机的拉坯速度为0.4 m/min-1.2m/min。

10.一种粉末高温合金母合金，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述的VIDP+VHCC双联生产粉末高温合金母合金的方法制得。

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