CN114875253A - 镍基粉末高温合金fgh4096大规格铸锭的冶炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，具体为：采用真空感应熔炼(VIM)+保护性气氛电渣熔炼(ESR)+真空自耗熔炼(VAR)三联熔炼工艺生产大规格铸锭。采用VIM熔炼，通过高强度搅拌和高真空气氛获得成分均匀、气体含量低的大规格VIM电极。然后采用ESR熔炼，降低合金中非金属夹杂含量，尤其是降低合金中S元素含量，获得组织致密的大规格ESR铸锭。最后进行VAR熔炼，采用合适的熔速和冷却强度以减轻合金易偏析元素的成分偏析。采用本发明可以得到组织致密、成分均匀、杂质元素和气体元素更低的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭。

Description

镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺

技术领域

本发明涉及高温合金冶炼技术领域，具体为镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺。

背景技术

FGH4096是镍基沉强化型粉末高温合金，γ＇相体积分数约为36％，700℃以下长期使用。该合金是第二代损伤容县型粉末高温合金，与第一代粉末高温合金相比，降低了γ＇相含量，调整了晶粒尺寸，适当降低了强度水平，提高了合金的抗裂纹扩展性能，使合金具有了更优异的综合力学性能、耐腐蚀和抗高温氧化性能，是当前在700℃工作条件下强度水平最高的涡轮盘用高温合金之一。

近年来，国内外生产的FGH4096合金有单联(真空感应熔炼)、双联(真空感应熔炼+真空自耗熔炼或真空感应熔炼+保护气氛电渣熔炼)合金铸锭。经真空感应熔炼浇注的单联铸锭，其内部缩孔较多，电极致密度较差，不利于后续粉末制备或点击锻造。双联铸锭致密度虽有增加，但由于锭型限制，所产出的铸锭规格较小，生产效率和成品率均较低。更为重要的是，双联生产过程稳定性较差，熔炼过程对夹杂物和气体含量脱出量有限，难以得到高纯净度、高均匀性、高一致性的大规格铸锭。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，解决了背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，具体包括以下内容：

步骤1：真空感应熔炼(VIM)

1)原材料：根据成分配比确定原材料种类和重量如下：镍板1500-1550kg、石墨碳1.0-1.5kg、电积钴380-400kg、钼条110-130kg、镍钨中间合金260-280kg、金属铬470-500kg、铌条20-22kg、海绵钛110-120kg、铝豆64-66kg、海绵锆1.2-1.5、镍硼中间合金2.9-3.1kg；其中，镍钨中间合金中W元素质量分数为42％；镍硼中间合金中B元素含量为15％；原材料投料量约为3t；

2)熔炼工艺：真空感应熔炼采用3t坩埚，钢锭模规格为Φ350mm；共可分为四个阶段，分别为熔化期→精炼前物料加入期→精炼期→合金化及调成分期→浇注期；加料前对熔炼室进行测漏，当漏率小于25mbar*L/s时，将混合有石墨碳的镍板加入坩埚；当真空值小于0.25hPa后，以50-100kW功率进行低功率烘烤，目的是将熔炼室内部的气体排出；当真空值小于0.10hPa后，开始采用300-500kW功率进行熔化；待物料熔清后，将电积钴、钼条、镍钨中间合金依次加入炉内；上述操作步骤为熔化期，待熔物料全部熔清后，依次将金属铬和铌条加入坩埚，继续保持300-500kW功率进行熔化；待物料熔清后，搅拌10min的同时打开高真空泵；上述操作步骤为精炼前物料加入期，搅拌结束后，采用热电偶测量钢液温度，同时观察熔炼室真空值；当钢液温度为1560-1570℃、同时熔炼室真空度小于0.05hPa时，继续保持高真空泵打开，并以100-300kW功率精炼30-50min；上述操作步骤为精炼期，精炼结束后，依次加入海绵钛、铝豆、海绵锆、镍硼中间合金。每种物料加入时，需要将温度控制为1450-1460℃；物料加入后以100-300kW熔清，熔清后均要搅拌5min；上述操作执行完毕，取样进行炉前检测；根据炉前检测结果对钢液中各元素进行补加，直至每种元素含量均满足要求；上述操作步骤为合金化期及调成分期；成分合格后，采用热电偶测量钢液温度，钢液温度为1450-1460℃时，将熔炼室充氩至250hPa，然后将钢液浇注至准备好的钢锭模中；

步骤2：保护性气氛电渣熔炼(ESR)

1)预熔渣渣系：CaF2:MgO:Al2O3:CaO＝65％:5％:20％:10％；渣量30-100kg；

2)熔炼工艺：保护性气氛电渣熔炼采用Φ430mm的铜结晶器，可分为三个阶段，分别为化渣阶段→稳定熔炼阶段→热封顶阶段；将烘烤过的渣料装入加渣仓，同时设定加渣参数，初始加渣量为加渣总重量的20-50％，送电后2-5min开始补给加渣，补给加渣时间8-20min；化渣阶段采用功率+渣阻控制，为了快速形成渣池然后逐渐向稳态阶段过渡，功率和渣阻均采用先快速增加后缓慢降低的制度，化渣阶段总持续时间40-70min；稳定熔炼阶段采用熔速+渣摆控制，同时通入惰性气体Ar气0.1-0.3bar以保护熔炼过程钢液与空气发生反应；热封顶阶段采用功率+渣阻控制，热封顶起始重量100-150kg，结束重量20-50kg；

步骤3：真空自耗熔炼(VAR)

1)熔炼时采用Φ508mm的铜结晶器，同时预真空<0.40Pa，漏率<0.40Pa/min；

2)VAR熔炼：真空自耗熔炼可分为三个阶段，起弧阶段→稳定熔炼阶段→热封顶阶段；预真空和漏率达到要求后，即可送电开始熔炼；起弧阶段采用电流+电压控制，电流采用先快速增加后缓慢降低的趋势，起弧阶段时间为50-80min；稳定熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，为加强钢液冷却、减轻成分偏析，此阶段需要通入He气，压力为300-1000Pa；热封顶阶段采用电流+熔滴控制；热封顶起始重量120-150kg，结束重量20-50kg；熔炼结束后真空冷却3h出炉，即可获得大规格FGH4096高温合金铸锭。

优选地，所述大规格FGH4096高温合金铸锭的成分及其质量百分比为：C：0.02-0.06％，Cr：15.00-16.50％，Co：12.50-13.50％，W：3.80-4.20％，Mo：3.80-4.20％，Al：2.00-2.40％，Ti：3.50-3.90％，Nb：0.60-1.00％，Zr：0.025-0.050％，B：0.006-0.015％，Ni余量。

优选地，所述真空感应熔炼(VIM)、保护性气氛电渣熔炼(ESR)和真空自耗熔炼(VAR)对应的规格演变为Φ350mm-Φ430mm-Φ508mm。

优选地，所述步骤2中的化渣阶段采用功率+渣阻控制，化渣功率为200-500kW，渣阻为4-7mohm。

优选地，所述步骤2中的稳定熔炼阶段采用熔速+渣摆控制，熔速为230-350kg/h，渣摆为0.20-0.35mohm。

优选地，所述步骤2中的热封顶阶段采用功率+渣阻控制，功率从稳定熔炼阶段功率缓慢降低至稳态的35-45％，渣阻维持为稳定熔炼阶段渣阻的100-120％。

优选地，所述步骤3中的起弧阶段采用电流+电压控制，电流4.0-8.0kA，电压23.0-24.5V。

优选地，所述步骤3中的稳定熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速为3.70-3.90kg/min，熔滴5-101/s。

优选地，所述步骤3中的热封顶阶段采用电流+熔滴控制，电流从稳定熔炼阶段电流逐渐降低至1.5-2.2kA，熔滴由稳态熔滴数增加到9-121/s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)采用本发明的三联冶炼工艺生产的大规格FGH4096高温合金铸锭成分均匀性较好，C、Cr、Co、W、Mo、Al、Ti、Nb、Zr、B、Ni等元素极差较小。

2)采用本发明的三联冶炼工艺生产的大规格FGH4096高温合金铸锭纯净度高，O、N、H、S、P、Mn等杂质元素含量更低。

3)采用本发明的三联冶炼工艺生产的大规格FGH4096高温合金铸锭批次稳定性好，成品率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为Φ508mm大规格FGH4096高温合金铸锭实物图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，及进行非创造性的扩展而得出的其它结论，都属于本发明保护的范围。

实施例

步骤1，真空感应熔炼(VIM)

真空感应熔炼采用3t坩埚，钢锭模规格为Φ350mm。共可分为四个阶段，分别为熔化期→精炼前物料加入期→精炼期→合金化及调成分期→浇注期。熔化期：加料前对熔炼室进行测漏，当漏率为9.981mbar*L/s时，将混合有1.263kg石墨碳的1520kg镍板加入坩埚。当真空值为0.023hPa后，以80kW功率进行低功率烘烤。当真空值为0.023hPa后，开始采用400kW功率进行熔化。待物料熔清后，将390.1kg电积钴、121.5kg钼条、277.2kg镍钨中间合金依次加入炉内。精炼前物料加入期：待熔物料全部熔清后，依次将484.0kg金属铬和20.99kg铌条加入坩埚，继续保持400kW功率进行熔化。待物料熔清后，搅拌10min的同时打开高真空泵，并采用电磁搅拌对钢液进行搅拌。精炼期：搅拌结束后，采用热电偶测量钢液温度，同时观察熔炼室真空值。当钢液温度为1564℃、同时熔炼室真空度小于0.011hPa时，继续保持高真空泵打开，并以250kW功率精炼37min。合金化及调成分期：精炼结束后，依次加入114.2kg海绵钛、65.4kg铝豆、1.358kg海绵锆、3.007kg镍硼中间合金。上述物料加入时钢液温度均控制为1460℃。物料加入后以200kW熔清，熔清后均搅拌5min。待上述操作执行完毕，取样进行炉前检测。经检测，钢液成分合格。浇注期：成分合格后，采用热电偶测量钢液温度。钢液温度为1455℃满足浇注条件，将熔炼室充氩至250hPa，然后将钢液浇注至准备好的钢锭模中。

分别在电极头、尾取样进行成分检测，结果如表1所示。

表1 FGH4096真空感应熔炼铸锭成分

经过真空感应熔炼浇注形成的电极头、尾部各元素有一定差异，其中主元素Cr、Al、Ti、Mo、W、Co极差均较大，成分均匀性较差，杂质元素S含量15ppm，O含量约13ppm，N含量约15ppm。

步骤2，保护性气氛电渣熔炼(ESR)

将步骤1中制备的感应电极头尾锯切、表面打磨处理后，得到表面100％呈现金属光泽的备用电极。将此电极与辅助电极进行焊接后，进行保护气氛电渣熔炼。电渣熔炼采用Φ430mm铜结晶器，采用的预熔渣渣系为CaF2:MgO:Al2O3:CaO＝65％:5％:20％:10％，渣量为80kg。初始加渣量为总渣量的30％，送电后2min开始补给加渣，补给加渣时间8min。各阶段详细工艺参数如下：

化渣阶段采用功率+渣阻控制，功率设定为200kW→360kW→410kW→390kW→370kW→340kW→310kW→270kW；渣阻设定为4.8mohm→5.8mohm→6.2mohm→6.3mohm→6.4mohm→6.3mohm→6.2mohm→6.2mohm；时间设定为0min→5min→10min→15min→20min→25min→30min→40min。

稳定熔炼阶段采用熔速+渣摆控制，熔速设定为250kg/h，渣摆设定为0.33mohm，充氩压力为0.2bar。

热封顶阶段采用功率+渣阻控制，功率从稳定熔炼阶段功率缓慢降低，依次为100％→90％→85％→75％→65％→55％→45％→35％；渣阻维持为稳定熔炼阶段渣阻的110％，即为110％→110％→110％→110％→110％→110％→110％→110％；时间设定为0min→5min→10min→15min→20min→25min→30min→40min。热封顶起始重量140kg，结束重量30kg。

分别在铸锭头、尾取样进行成分检测，结果如表2所示。

表2 FGH4096保护气氛电渣熔炼铸锭成分

经过保护性气氛电渣重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、尾的极差变小，成分均匀性有所改善。铸锭中的S元素从15ppm降至8ppm，电渣脱硫效果非常明显。O含量约9ppm，N含量约11ppm，P、Mn等杂质元素含量均有降低。

步骤3，真空自耗熔炼(VAR)

将步骤2中制备的电渣铸锭头尾锯切、表面打磨处理后，得到表面100％呈现金属光泽的备用电极。将此电极与辅助电极进行焊接后，采用Φ508mm铜结晶器进行自耗熔炼。装炉后检测预真空0.05Pa，漏率0.12Pa/min，可以开始熔炼。各阶段详细工艺参数如下：

起弧阶段采用电流+电压控制，电流设定为4.0kA→8.2kA→7.5kA→6.6kA→6.4kA，电压设定为23.0V→23.9V→23.9V→23.4V→23.2V，时间：10min→15min→15min→20min→10min。

稳定熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速设定为3.75kg/min，熔滴设定为8.51/s。充氩压力为800Pa。

热封顶阶段采用电流+熔滴控制，电流设定为4.4kA→3.4kA→3.0kA→2.6kA→2.0kA；熔滴设定为9.01/s→9.51/s→10.01/s→11.01/s→12.01/s，时间20min→20min→15min→10min→20min。热封顶起始重量130kg，结束重量30kg，真空冷却3h出炉，即可获得大规格FGH4096高温合金铸锭，如图1所示。

分别在铸锭头、尾取样进行成分检测，结果如表3所示。

表3FGH4096真空自耗熔炼铸锭成分

经过真空自耗三次重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、尾的极差较小，成分均匀性进一步提高。铸锭中的杂质元素S含量5ppm，O含量约4ppm，N含量7ppm，气体元素含量有所降低。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：具体包括以下内容，

步骤1：真空感应熔炼(VIM)

1)原材料：根据成分配比确定原材料种类和重量如下：镍板1500-1550kg、石墨碳1.0-1.5kg、电积钴380-400kg、钼条110-130kg、镍钨中间合金260-280kg、金属铬470-500kg、铌条20-22kg、海绵钛110-120kg、铝豆64-66kg、海绵锆1.2-1.5、镍硼中间合金2.9-3.1kg；其中，镍钨中间合金中W元素质量分数为42％；镍硼中间合金中B元素含量为15％；原材料投料量约为3t；

2)熔炼工艺：真空感应熔炼采用3t坩埚，钢锭模规格为Φ350mm；共可分为四个阶段，分别为熔化期→精炼前物料加入期→精炼期→合金化及调成分期→浇注期；加料前对熔炼室进行测漏，当漏率小于25mbar*L/s时，将混合有石墨碳的镍板加入坩埚；当真空值小于0.25hPa后，以50-100kW功率进行低功率烘烤，目的是将熔炼室内部的气体排出；当真空值小于0.10hPa后，开始采用300-500kW功率进行熔化；待物料熔清后，将电积钴、钼条、镍钨中间合金依次加入炉内；上述操作步骤为熔化期，待熔物料全部熔清后，依次将金属铬和铌条加入坩埚，继续保持300-500kW功率进行熔化；待物料熔清后，搅拌10min的同时打开高真空泵；上述操作步骤为精炼前物料加入期，搅拌结束后，采用热电偶测量钢液温度，同时观察熔炼室真空值；当钢液温度为1560-1570℃、同时熔炼室真空度小于0.05hPa时，继续保持高真空泵打开，并以100-300kW功率精炼30-50min；上述操作步骤为精炼期，精炼结束后，依次加入海绵钛、铝豆、海绵锆、镍硼中间合金。每种物料加入时，需要将温度控制为1450-1460℃；物料加入后以100-300kW熔清，熔清后均要搅拌5min；上述操作执行完毕，取样进行炉前检测；根据炉前检测结果对钢液中各元素进行补加，直至每种元素含量均满足要求；上述操作步骤为合金化期及调成分期；成分合格后，采用热电偶测量钢液温度，钢液温度为1450-1460℃时，将熔炼室充氩至250hPa，然后将钢液浇注至准备好的钢锭模中；

步骤2：保护性气氛电渣熔炼(ESR)

1)预熔渣渣系：CaF2:MgO:Al2O3:CaO＝65％:5％:20％:10％；渣量30-100kg；

2)熔炼工艺：保护性气氛电渣熔炼采用Φ430mm的铜结晶器，可分为三个阶段，分别为化渣阶段→稳定熔炼阶段→热封顶阶段；将烘烤过的渣料装入加渣仓，同时设定加渣参数，初始加渣量为加渣总重量的20-50％，送电后2-5min开始补给加渣，补给加渣时间8-20min；化渣阶段采用功率+渣阻控制，为了快速形成渣池然后逐渐向稳态阶段过渡，功率和渣阻均采用先快速增加后缓慢降低的制度，化渣阶段总持续时间40-70min；稳定熔炼阶段采用熔速+渣摆控制，同时通入惰性气体Ar气0.1-0.3bar以保护熔炼过程钢液与空气发生反应；热封顶阶段采用功率+渣阻控制，热封顶起始重量100-150kg，结束重量20-50kg；

步骤3：真空自耗熔炼(VAR)

1)熔炼时采用Φ508mm的铜结晶器，同时预真空<0.40Pa，漏率<0.40Pa/min；

2)VAR熔炼：真空自耗熔炼可分为三个阶段，起弧阶段→稳定熔炼阶段→热封顶阶段；预真空和漏率达到要求后，即可送电开始熔炼；起弧阶段采用电流+电压控制，电流采用先快速增加后缓慢降低的趋势，起弧阶段时间为50-80min；稳定熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，为加强钢液冷却、减轻成分偏析，此阶段需要通入He气，压力为300-1000Pa；热封顶阶段采用电流+熔滴控制；热封顶起始重量120-150kg，结束重量20-50kg；熔炼结束后真空冷却3h出炉，即可获得大规格FGH4096高温合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述大规格FGH4096高温合金铸锭的成分及其质量百分比为：C：0.02-0.06％，Cr：15.00-16.50％，Co：12.50-13.50％，W：3.80-4.20％，Mo：3.80-4.20％，Al：2.00-2.40％，Ti：3.50-3.90％，Nb：0.60-1.00％，Zr：0.025-0.050％，B：0.006-0.015％，Ni余量。

3.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述真空感应熔炼(VIM)、保护性气氛电渣熔炼(ESR)和真空自耗熔炼(VAR)对应的规格演变为Φ350mm-Φ430mm-Φ508mm。

4.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述步骤2中的化渣阶段采用功率+渣阻控制，化渣功率为200-500kW，渣阻为4-7mohm。

5.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述步骤2中的稳定熔炼阶段采用熔速+渣摆控制，熔速为230-350kg/h，渣摆为0.20-0.35mohm。

6.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述步骤2中的热封顶阶段采用功率+渣阻控制，功率从稳定熔炼阶段功率缓慢降低至稳态的35-45％，渣阻维持为稳定熔炼阶段渣阻的100-120％。

7.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述步骤3中的起弧阶段采用电流+电压控制，电流4.0-8.0kA，电压23.0-24.5V。

8.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述步骤3中的稳定熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速为3.70-3.90kg/min，熔滴5-101/s。

9.根据权利要求1所述的镍基粉末高温合金FGH4096大规格铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述步骤3中的热封顶阶段采用电流+熔滴控制，电流从稳定熔炼阶段电流逐渐降低至1.5-2.2kA，熔滴由稳态熔滴数增加到9-121/s。

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