CN114369737A - 一种向高温合金熔体中添加微量o、n、s、c的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属冶炼和铸造技术领域，具体涉及一种向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法。该方法首先将高温合金熔化，将含有O、N、S、C的目标粉体装在Ni箔或特制的镍囊中置于熔体上方预热，在一定的预热温度下将目标粉体迅速插入到高温合金熔体中。本发明可以避免传统向熔体中加入粉体发生的喷溅现象，进而精确控制熔体中O、N、S、C的加入量，可以有效提高O、N、S、C等微量元素在合金中的回收率和均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及金属冶炼和铸造技术领域，具体涉及一种向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法。
背景技术
航空发动机生产被视为国家战略性产业，而镍基高温合金是航空发动机的重要保障。几十年来，高温合金材料一直是我国航空发动机和舰用燃气轮机研制和生产的“卡脖子”材料。
高温合金目前作为航空发动机热端部件的唯一材料，但随着我国工业生产和科学技术的日益发展以及航空发动机日益严苛的工作条件，对镍基合金的质量提出了更加严苛的要求，尤其高温合金中的各种类型的非金属夹杂物对合金的安全稳定服役造成巨大威胁。合金中非金属夹杂物的类型、形貌、尺寸等强烈地依赖于先进熔铸技术的发展，对发挥合金的最佳性能具有十分重要的意义。
氧、氮、硫等杂质元素对高温合金的危害极大，一般情况下，杂质元素会与合金元素形成夹杂物，这些夹杂物通常是疲劳裂纹的萌生地及扩展通道，因而影响高温合金的蠕变和持久强度等性能。由于晶界结构与晶内不同，氧、氮、硫、等杂质元素倾向于在晶界处发生偏析，即使它们在合金中的平均含量很低，也会在晶界上产生很高的偏聚量。另外，一些与杂质元素亲和性较强的合金元素由于发生枝晶偏析在枝晶间偏聚，导致杂质元素也会在枝晶间产生很高的偏聚量。因此，最终导致高温合金中的夹杂物大都在晶界处和枝晶间聚集。
O在高温合金中通常以氧化物夹杂的形式存在，这些夹杂物是疲劳裂纹的萌生地和扩展通道，显著降低高温合金的疲劳寿命。如氧化铝夹杂会严重降低高温合金的蠕变、疲劳和屈服强度等性能。研究发现氧含量小于50ppm时，高温合金的断裂寿命有了明显提升。
N在高温合金中以高熔点的氮化物或碳氮化物的形式存在，如TiN和Ti(C，N)等，它们往往会成为碳化物析出的核心，形成碳化物包裹氮化物的大块状碳氮化物，阻塞枝晶间的通道，显著影响高温合金液的补缩性，造成碳化物的边界处出现显微疏松，增加疲劳裂纹的萌生概率和扩展速率，严重影响合金的高温力学性能。
S极易偏聚于晶界，严重降低高温合金晶界的结合力。硫含量增加，晶界能明显降低，晶界被弱化，合金的持久性能受到严重影响。S与Ti、Zr、Cr会形成M2SC(Y相)，会成为裂纹的萌生地，显著降低高温合金的持久强度寿命。
C是高温合金中最重要的晶界和枝晶间强化元素，它在γ相中的溶解度极低，又不进入γ′相。偏聚与晶界和枝晶间的C形成MC、M6C、M23C6等碳化物，合金在时效过程或使用期间析出的二次碳化物可以有效改善合金的力学性能，在晶界析出的颗粒状不连续碳化物阻止沿晶滑动和裂纹延展，提高持久寿命，改善持久塑性和韧性。
因此，O、N、S是高温合金中最主要的杂质元素，对于这些元素在不同高温合金的中作用以及去除机制需要系统的研究以提出深度去除机制和含量控制准则。而C是高温合金中最重要的强化元素，需要根据不同合金的碳化物形成元素的含量精确控制C元素的加入量。综上，无论是科学研究的需要还是工业化生产的要求，都需要对于O、N、S、C等微量元素或杂质元素的加入进行精确控制。由于O、N、S、C等元素主要是低密度的粉体，在向高温熔体加入的过程中存在严重的喷溅，存在加料量难以控制、粉体收率不稳定的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，解决现有技术中存在加料量难以控制、粉体收率不稳定等问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，包括以下步骤：
(1)将确定成分的母合金在真空感应熔炼炉中熔化成合金熔体，并保持惰性气氛；
(2)将目标粉体加入到加料装置中，并将加料装置在熔体上方预热；
加料装置为以下之一种：
1)镍箔包裹的粉体，镍箔的厚度为0.05～0.3mm；
2)可密封镍囊，容积为0.5～10000cm3，厚度为0.1～10mm；
3)带螺纹可密封的加料装置，包括：镍制腔体、粉体加料仓，镍制腔体为底部封闭的圆筒形结构，镍制腔体下部为粉体加料仓，含有O、N、S、C的目标粉体装入粉体加料仓，刚性棒状结构下端头伸至镍制腔体，且与镍制腔体内壁通过螺纹连接，将含有O、N、S、C的目标粉体封装于粉体加料仓；
(3)将预热后的加料装置迅速插入到熔体中，待熔体表面稳定后提高真空度并加功率升温；
(4)高温精炼后，降低到浇注温度将熔体浇注。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，步骤(1)中，惰性气氛为高纯氩气或氦气，即首先将高温合金母合金物料放置在真空感应熔炼炉中，将熔体密闭后启动抽真空装置，待炉内真空度降至0.1Pa以下开始送电升温，合金完全熔化后关闭抽真空装置并向炉内充入1000～80000Pa高纯氩气或氦气。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，步骤(2)中，目标粉体的种类根据合金和添加目标微量元素的种类不同分类如下：
(1)镍基合金
添加微量O：NiO、CoO、Cr2O3、TiO2、Ti2O3、Nb2O5中的一种或两种以上；
添加微量N：CrN、TiN、CoxN、NixN、NbN中的一种或两种以上；
添加微量S：NiS、CoS、MoS2、WS2中的一种或两种以上；
添加微量C：石墨、TiC、NbC、MoC、WC、VC、Cr3C2中的一种或两种以上；
(2)钴基合金
添加微量O：NiO、CoO、Cr2O3、TiO2、Ti2O3、Nb2O5中的一种或两种以上；
添加微量N：CrN、TiN、CoxN、NixN、NbN中的一种或两种以上；
添加微量S：NiS、CoS、MoS2、WS2中的一种或两种以上；
添加微量C：石墨、TiC、NbC、MoC、WC、VC、Cr3C2中的一种或两种以上；
(3)铁基合金
添加微量O：NiO、CoO、Cr2O3、TiO2、Ti2O3、Nb2O5、Fe2O3、Fe3O4、MnO中的一种或两种以上；
添加微量N：CrN、TiN、CoxN、NixN、NbN、氮化铁、氮化锰、氮化镍铁中的一种或两种以上；
添加微量S：NiS、CoS、MoS2、WS2、FeS、MnS中的一种或两种以上；
添加微量C：石墨、TiC、NbC、MoC、WC、VC、Cr3C2、Fe3C中的一种或两种以上；
根据合金的种类和目标微量元素的量，目标粉体是上述粉体中的一种或两种以上的组合。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，目标粉体的加入量按照下式计算：
i—目标微量元素种类，O、N、S、C的一种或两种以上；
j—含微量元素粉体的种类；
ai—微量元素目标含量，wt％；
t—微量元素回收率％；
mi(j)—含某种微量元素粉体的质量，g；
wi(j)—某种粉体中含微量元素的质量百分数，％；
mt—合金熔体的质量，g；
其中，根据目标含量的不同，各种粉体的回收率不同；微量元素含量在0～50ppm，t值为0.7；微量元素含量在50～100ppm，t值为0.75；微量元素含量在100～500ppm，t值为0.8；微量元素含量在500～2000ppm，t值为0.85；微量元素含量大于2000ppm，t值为0.9。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，步骤(2)中，可密封镍囊和带螺纹可密封的加料装置上部带有透气孔。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，步骤(2)中，预热温度在600～1300℃范围内，加料装置的预热保证粉体的实际温度为熔体温度以下10～300℃。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，步骤(3)中，插入到熔体指在达到预热温度后利用刚性棒状结构将加料装置迅速插入到熔体中的某一深度，利用熔体温度将粉体外层的加料装置熔化在熔体内部直接释放目标粉体，插入深度根据不同的熔体尺寸有不同，不少于2cm。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，刚性棒状结构为镍棒、钴棒、铁棒或者直接用热电偶管，利用刚性棒状结构将加料装置深入熔体中，根据目标粉体和合金种类的不同选择插入不同的熔体深度。
所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，步骤(4)中，高温精炼过程指在合金液相线温度100℃以上进行保温精炼过程，高温精炼过程保证加入的含O、N、S、C元素的粉体完全分解，O、N、S、C元素能够均匀地分布在熔体中；将预热后的目标粉体插入熔体后，首先发生加料装置的熔化，随即释放目标粉体，目标粉体在高温熔体中进行反应将O、N、S、C元素释放到熔体中，经过高温保温过程达到O、N、S、C元素均匀地在熔体中分布的目的。
本发明的设计思想是：
本发明首先将高温合金熔化，将含有O、N、S、C的目标粉体装在Ni箔、可密封镍囊或带螺纹可密封的加料装置中，并置于熔体上方预热，在一定的预热温度下将目标粉体迅速插入到高温合金熔体中。本发明通过加料气氛、加料装置、粉体预热及粉体种类四方面入手，可以有效解决向熔体中加入粉体物料的喷溅问题，有效提高粉体的回收率和生产工艺的稳定性，达到精确向熔体中加入O、N、S、C等微量元素的目的。
本发明具有以下特点及有益效果：
(1)本发明粉体回收率高。
(2)本发明粉体含量可在大范围内精确控制。
(3)本发明O、N、S、C等多种元素可同时加入并精确控制含量。
(4)本发明有效抑制了向熔体加入粉体物料过程的喷溅，反应过程可控。
附图说明
图1(a)为真空感应熔炼炉示意图，图1(b)为图1(a)虚线处带螺纹可密封的加料装置放大示意图。图中，1加料装置(11镍制腔体，12粉体加料仓)，2感应线圈，3熔体，4真空感应熔炼炉，5刚性棒状结构(51刚性棒状结构下端头)。
图2为镍箔与刚性棒状结构配合方式示意图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其工艺具体包括以下步骤：
(1)将确定成分的母合金在真空感应熔炼炉中熔化成合金熔体，并保持一定的惰性气氛；
(2)将目标粉体加入到特定的加料装置中，并将加料装置在熔体上方预热至一定温度；
(3)将预热后的加料装置迅速插入到熔体中，待熔体表面稳定后提高真空度并加功率升温；
(4)高温精炼一段时间后降低到浇注温度将熔体浇注。
上述步骤(1)中，一定的惰性气氛为高纯氩气或氦气等惰性气体，即首先将高温合金母合金物料放置在真空感应熔炼炉中，将熔体密闭后启动抽真空装置，待炉内真空度降至0.1Pa以下开始送电升温，合金完全熔化后关闭抽真空装置并向炉内充入1000～80000Pa高纯氩气或氦气；
上述步骤(2)中，目标粉体的种类根据合金和添加料的种类不同分类见表1。
表1合金种类与含微量元素粉体的对应关系表
根据合金的种类和目标微量元素的量，目标粉体可以是上述粉体中的一种或若干种的组合。
目标粉体的加入量按照下式计算：
i—微量元素种类，如O、N、S、C；
j—含微量元素粉体的种类，见表1；
ai—微量元素目标含量，wt％；
t—微量元素回收率％；
mi(j)—含某种微量元素粉体的质量，g；
wi(j)—某种粉体中含微量元素的质量百分数，％；
mt—合金熔体的质量，g。
其中，根据目标含量的不同，各种粉体的回收率不同。微量元素含量在0～50ppm，t值为0.7；微量元素含量在50～100ppm(不含50ppm)，t值为0.75；微量元素含量在100～500ppm(不含100ppm)，t值为0.8；微量元素含量在500～2000ppm(不含500ppm)，t值为0.85；微量元素含量大于2000ppm，t值为0.9。
上述步骤(2)中，加料装置为：
1)镍箔包裹的粉体，镍箔的厚度为0.05～0.3mm；
2)可密封镍囊，容积为0.5～10000cm3，厚度为0.1～10mm；
3)如图1(b)所示，带螺纹可密封的加料装置1主要包括：镍制腔体11、粉体加料仓12，镍制腔体11为底部封闭的圆筒形结构，镍制腔体11下部为粉体加料仓12，含有O、N、S、C的目标粉体装入粉体加料仓12，刚性棒状结构下端头51伸至镍制腔体11，且与镍制腔体11内壁通过螺纹连接，将含有O、N、S、C的目标粉体封装于粉体加料仓12。
如图1(a)、图2所示，使用时将高温合金母合金物料放置在真空感应熔炼炉4中，真空感应熔炼炉4的外侧面设置感应线圈2，通过感应线圈2加热使高温合金母合金溶化形成熔体3。粉体通过镍箔包裹或者装入可密封镍囊或者装入镍制腔体内，镍箔、可密封镍囊或镍制腔体安装在刚性棒状结构5下端。
其中，镍箔只起到包裹、承接粉体的作用，可密封镍囊和带螺纹可密封的加料装置上部带有透气孔，既能有效容纳粉体物料又可以保证与炉内气氛平衡，避免含有过多气体导致插入熔体中发生喷溅。
上述步骤(2)中，预热温度在600～1400℃范围内；
加料装置的预热保证粉体的实际温度与熔体温度接近，避免了插入熔体过程中由于粉体温度的骤升带来的喷溅，导致粉体的损失；
上述步骤(3)中，插入到熔体指在达到预热温度后利用刚性棒状结构将加料装置迅速插入到熔体中的某一深度，利用熔体温度将粉体外层的加料装置熔化在熔体内部直接释放粉体物料，避免了粉体物料加入熔体表面引起的喷溅。插入深度根据不同的熔体尺寸有不同，不少于2cm；刚性棒状结构可以用镍棒、钴棒、铁棒或者直接用热电偶管(图2)，利用刚性棒状结构可以有效将加料装置深入熔体中，可以根据物料和合金种类的不同选择插入不同的熔体深度；
上述步骤(4)中，高温精炼过程指在合金液相线温度100℃以上进行保温精炼过程，高温精炼过程可以保证加入的含O、N、S、C元素的粉体完全分解，O、N、S、C元素能够均匀地分布在熔体中。将预热后的物料插入熔体后，首先发生加料装置的熔化，随即释放目标粉体，目标粉体在高温熔体中进行反应将O、N、S、C元素释放到熔体中，经过高温保温过程达到O、N、S、C元素均匀地在熔体中分布的目的。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，向镍基高温合金K465中加入25ppm的S，原始K465合金成分见表2。
表2K465合金原始成分表
具体加料过程为：
(1)将重量为4.6Kg的K465合金放置在密闭的真空感应熔炼炉中，待炉内真空度为0.069Pa时将功率升高至26KW开始熔化K465合金，待合金熔化成熔体后，关闭抽真空装置向炉体内充入体积纯度高于99.999％的高纯氩气，至炉内压力为20000Pa；
(2)将0.65gNiS粉体用0.4mm厚的两层镍箔包裹后固定在热电偶上，将加料装置在熔体上方预热至900℃；
(3)将预热后的加料装置迅速插入到熔体中，插入深度为4cm，待熔体表面稳定后提高真空度0.053Pa，并加功率至15KW将熔体升温。
(4)在1500℃高温精炼5min后降低到1450℃将熔体浇注成合金锭，待合金锭冷却后将合金锭上下部分别取样测定成分见表3。
表3加料后K465合金成分表
实施例2
本实施例中，向钴基高温合金K40M中加入20ppm的O，原始K465合金成分见表4。
表4K40M合金原始成分表
具体加料过程为：
(1)将重量为42Kg的K40M合金放置在密闭的真空感应熔炼炉中，待炉内真空度为0.055Pa时将功率升高至56KW开始熔化K40M合金，待合金熔化成熔体后，关闭抽真空装置向炉体内充入体积纯度高于99.999％的高纯氩气，至炉内压力为25000Pa；
(2)将12.1g NiO粉体用0.2mm厚的三层镍箔包裹后固定在热电偶上，将加料装置在熔体上方预热至800℃；
(3)将预热后的加料装置迅速插入到熔体中，插入深度为8cm，待熔体表面稳定后保持炉内压力为15000～25000Pa，并加功率至35KW将熔体升温。
(4)在1480℃高温精炼15min后降低到1450℃将熔体浇注成合金锭，待合金锭冷却后将合金锭上下部分别取样测定成分见表5。
表5加料后K40M合金成分表
实施例3
本实施例中，向镍基高温合金DD90中加入50ppm的C，原始DD90合金成分见表6。
表6DD90合金原始成分表
具体加料过程为：
(1)将重量为100Kg的DD90合金放置在密闭的真空感应熔炼炉中，待炉内真空度为0.035Pa时将功率升高至78KW开始熔化DD90合金，待合金熔化成熔体后，关闭抽真空装置向炉体内充入体积纯度高于99.999％的高纯氩气，至炉内压力为26000Pa；
(2)将33.4g TiC粉体用0.4mm厚的两层镍箔包裹后固定在热电偶上，将加料装置在熔体上方预热至1100℃；
(3)将预热后的加料装置迅速插入到熔体中，插入深度为10cm，待熔体表面稳定后提高真空度0.044Pa，并加功率至55KW将熔体升温。
(4)在1500℃高温精炼20min后降低到1450℃将熔体浇注成Φ75mm长度为1m合金锭，待合金锭冷却后任取一根上下部分别取样，测定成分见表7。
表7加料后DD90合金成分表
实施例4
本实施例中，向镍铁基高温合金K4169中加入30ppm的N，原始K4169合金成分见表8。
表8K465合金原始成分表
具体加料过程为：
(1)将重量为2200Kg的K4169合金放置在密闭的真空感应熔炼炉中，待炉内真空度为0.070Pa时将功率升高至500KW开始熔化K4169合金，待合金熔化成熔体后，关闭抽真空装置向炉体内充入体积纯度高于99.999％的高纯氩气，至炉内压力为24000Pa；
(2)将4149gCrN粉体用0.3mm厚的三层镍箔包裹后固定在热电偶上，将加料装置在熔体上方预热至1000℃；
(3)将预热后的加料装置迅速插入到熔体中，插入深度为28cm，待熔体表面稳定后保持炉内压力为20000～24000Pa，并加功率至400KW将熔体升温。
(4)在1470℃高温精炼25min后降低到1450℃将熔体浇注成Φ75mm长度为1m的合金锭，待合金锭冷却后将任取一根合金锭上下部分别取样，测定成分见表9。
表9加料后K4169合金成分表
实施例结果表明，本发明可以避免传统向熔体中加入粉体发生的喷溅现象，进而精确控制熔体中O、N、S、C的加入量，可以有效提高O、N、S、C等微量元素在合金中的回收率和均匀性。
Claims (9)
1.一种向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将确定成分的母合金在真空感应熔炼炉中熔化成合金熔体，并保持惰性气氛；
(2)将目标粉体加入到加料装置中，并将加料装置在熔体上方预热；
加料装置为以下之一种：
1)镍箔包裹的粉体，镍箔的厚度为0.05～0.3mm；
2)可密封镍囊，容积为0.5～10000cm3，厚度为0.1～10mm；
3)带螺纹可密封的加料装置，包括：镍制腔体、粉体加料仓，镍制腔体为底部封闭的圆筒形结构，镍制腔体下部为粉体加料仓，含有O、N、S、C的目标粉体装入粉体加料仓，刚性棒状结构下端头伸至镍制腔体，且与镍制腔体内壁通过螺纹连接，将含有O、N、S、C的目标粉体封装于粉体加料仓；
(3)将预热后的加料装置迅速插入到熔体中，待熔体表面稳定后提高真空度并加功率升温；
(4)高温精炼后，降低到浇注温度将熔体浇注。
2.按照权利要求1所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，步骤(1)中，惰性气氛为高纯氩气或氦气，即首先将高温合金母合金物料放置在真空感应熔炼炉中，将熔体密闭后启动抽真空装置，待炉内真空度降至0.1Pa以下开始送电升温，合金完全熔化后关闭抽真空装置并向炉内充入1000～80000Pa高纯氩气或氦气。
3.按照权利要求1所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，步骤(2)中，目标粉体的种类根据合金和添加目标微量元素的种类不同分类如下：
(1)镍基合金
添加微量O：NiO、CoO、Cr2O3、TiO2、Ti2O3、Nb2O5中的一种或两种以上；
添加微量N：CrN、TiN、CoxN、NixN、NbN中的一种或两种以上；
添加微量S：NiS、CoS、MoS2、WS2中的一种或两种以上；
添加微量C：石墨、TiC、NbC、MoC、WC、VC、Cr3C2中的一种或两种以上；
(2)钴基合金
添加微量O：NiO、CoO、Cr2O3、TiO2、Ti2O3、Nb2O5中的一种或两种以上；
添加微量N：CrN、TiN、CoxN、NixN、NbN中的一种或两种以上；
添加微量S：NiS、CoS、MoS2、WS2中的一种或两种以上；
添加微量C：石墨、TiC、NbC、MoC、WC、VC、Cr3C2中的一种或两种以上；
(3)铁基合金
添加微量O：NiO、CoO、Cr2O3、TiO2、Ti2O3、Nb2O5、Fe2O3、Fe3O4、MnO中的一种或两种以上；
添加微量N：CrN、TiN、CoxN、NixN、NbN、氮化铁、氮化锰、氮化镍铁中的一种或两种以上；
添加微量S：NiS、CoS、MoS2、WS2、FeS、MnS中的一种或两种以上；
添加微量C：石墨、TiC、NbC、MoC、WC、VC、Cr3C2、Fe3C中的一种或两种以上；
根据合金的种类和目标微量元素的量，目标粉体是上述粉体中的一种或两种以上的组合。
4.按照权利要求3所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，目标粉体的加入量按照下式计算：
i—目标微量元素种类，O、N、S、C的一种或两种以上；
j—含微量元素粉体的种类；
ai—微量元素目标含量，wt％；
t—微量元素回收率％；
mi(j)—含某种微量元素粉体的质量，g；
wi(j)—某种粉体中含微量元素的质量百分数，％；
mt—合金熔体的质量，g；
其中，根据目标含量的不同，各种粉体的回收率不同；微量元素含量在0～50ppm，t值为0.7；微量元素含量在50～100ppm，t值为0.75；微量元素含量在100～500ppm，t值为0.8；微量元素含量在500～2000ppm，t值为0.85；微量元素含量大于2000ppm，t值为0.9。
5.按照权利要求1所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，步骤(2)中，可密封镍囊和带螺纹可密封的加料装置上部带有透气孔。
6.按照权利要求1所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，步骤(2)中，预热温度在600～1300℃范围内，加料装置的预热保证粉体的实际温度为熔体温度以下10～300℃。
7.按照权利要求1所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，步骤(3)中，插入到熔体指在达到预热温度后利用刚性棒状结构将加料装置迅速插入到熔体中的某一深度，利用熔体温度将粉体外层的加料装置熔化在熔体内部直接释放目标粉体，插入深度根据不同的熔体尺寸有不同，不少于2cm。
8.按照权利要求7所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，刚性棒状结构为镍棒、钴棒、铁棒或者直接用热电偶管，利用刚性棒状结构将加料装置深入熔体中，根据目标粉体和合金种类的不同选择插入不同的熔体深度。
9.按照权利要求1所述的向高温合金熔体中添加微量O、N、S、C的方法，其特征在于，步骤(4)中，高温精炼过程指在合金液相线温度100℃以上进行保温精炼过程，高温精炼过程保证加入的含O、N、S、C元素的粉体完全分解，O、N、S、C元素能够均匀地分布在熔体中；将预热后的目标粉体插入熔体后，首先发生加料装置的熔化，随即释放目标粉体，目标粉体在高温熔体中进行反应将O、N、S、C元素释放到熔体中，经过高温保温过程达到O、N、S、C元素均匀地在熔体中分布的目的。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115896543A (zh) * | 2022-10-30 | 2023-04-04 | 西北工业大学 | 一种高温耐磨的镍钛合金及制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103757451A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 南京理工大学 | 一种镍基高温合金的高纯净冶炼方法 |
| RU2016117588A (ru) * | 2016-05-05 | 2017-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства высокопрочной мартенситностареющей стали |
| CN112538577A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种用于高温合金纯净化冶炼的稀土元素控制方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103757451A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 南京理工大学 | 一种镍基高温合金的高纯净冶炼方法 |
| RU2016117588A (ru) * | 2016-05-05 | 2017-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства высокопрочной мартенситностареющей стали |
| CN112538577A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种用于高温合金纯净化冶炼的稀土元素控制方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115896543A (zh) * | 2022-10-30 | 2023-04-04 | 西北工业大学 | 一种高温耐磨的镍钛合金及制备方法 |
| CN115896543B (zh) * | 2022-10-30 | 2024-03-01 | 西北工业大学 | 一种高温耐磨的镍钛合金及制备方法 |
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