CN115305404B - 一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，属于高温合金制备技术领域。首先精选高纯石墨、金属Co、金属Cr、金属Ni、金属W、电解Mn、工业硅、硼铁、金属镧等原料，并配制各元素原料，装料后抽真空，达到真空度后开始化料，熔清后工频搅拌脱气，进入精炼期，控制特定的精炼温度和精炼时间，合金化期过程在充入Ar条件下进行，首先将电解Mn、硼铁加入钢液中并搅拌均匀，其次加入Al并搅拌均匀，再次加入Ni‑Mg合金并搅拌均匀，最后控制钢液温度在1400℃左右下加入采用该钢种板坯包裹的金属镧，工频搅拌均匀后升温到出钢温度后在较短时间内完成出钢。实现钴基高温合金真空感应熔炼过程中镧含量准确与稳定控制。

Description

一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺

技术领域

本发明属于高温合金制备技术领域，具体涉及一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺。

背景技术

钴基高温合金作为航空、航天、燃气轮机等最重要的高温结构材料，使用环境极其复杂，在高温、应力、长时间交互作用下，要求具有高强度、高组织稳定性、耐热腐蚀性及抗氧化性等性能。其中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。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，可以提高氧化皮的粘附力，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；但是镧是一种极活泼的稀土元素，在钢液中极其容易与O、S结合形成镧的氧硫化物夹杂显著影响镧的收得率，同时镧在高温下容易烧损，镧的加入方式、加入温度、加入时间等工艺影响着镧的烧损；因此，熔炼工艺显著影响着镧含量准确与稳定控制，研究开发一种高镧含量及稳定性易控的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺成为当前亟待研究的重要课题。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供了一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，解决钴基高温合金真空感应熔炼过程中镧含量准确与稳定难以控制的技术问题。

本发明目的是通过以下方式实现：

本发明提供一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，含镧钴基高温合金感应锭的组分及重量百分比含量如下：C：0.05％～0.15％，Cr：20％～24％，Ni：20％～24％，W：13％～16％，Fe：≤3％，Mn：≤1.25％，Si：0.2％～0.5％，P：≤0.02％，S：≤0.0010％，B：≤0.015％，La：0.15％～0.40％，Al：0.1％～0.5％，Mg：≤0.0050％，O:≤0.0015％，余量为Co；

主要包括以下步骤：

(1)原料精选：精选高纯石墨、金属Co、金属Cr、Ni板、W条、电解Mn、工业硅、硼铁、金属镧、Al条、Ni-Mg合金作为原料，根据含镧钴基高温合金成分控制要求，计算并配制各元素原料；

(2)装料：采用分批次装料，第一批次装料，先后加入全部的Ni板、全部的高纯石墨、全部的W条和1/2的金属Co；第二批次装料，先后加入剩余的金属Co、全部的金属Cr和工业硅；

(3)熔化期：装料完成后开始抽真空，保证真空感应炉漏气率≤1Pa/min，避免冶炼过程漏气钢液增氧；熔化期真空度≤10Pa时开始送电，第一批料熔化前期逐渐增大功率到1500kW保证熔池形成后，降低供电功率到1000～1200kW化料，保证熔化期时间在8h～10h；第一、二批料熔清后升温到1500℃～1550℃，工频搅拌20～60min脱气，最后一批料熔清搅拌结束后进入精炼期；

(4)精炼期：精炼期控制真空度0.5～1.0Pa，降低熔池温度采用低温精炼脱氧，控制精炼温度1450℃～1500℃，精炼时间60～180min，控制钢液中O含量≤0.0015％、S含量≤0.0010％后进入合金化期；

(5)合金化期：精炼结束后进入合金化期，控制钢液温度1400℃～1450℃，合金化期在充入Ar20000～30000Pa条件下进行，首先将电解Mn、硼铁加入钢液中并搅拌20～40min，其次再加入钢液总重量0.1％～0.5％的Al并搅拌20～40min深脱O，再次加入钢液总重量0.0020％～0.0050％的Ni-Mg合金并搅拌10～20min更进一步脱除钢液中残余的O和S，最后控制钢液温度在1350～1450℃加入采用该钢种板坯包裹的金属镧，采用工频搅拌5～10min后用1500Kw功率供电升温到1460℃～1480℃出钢；

(6)出钢：钢锭模必须用钢水烫过，清洁干净，出钢温度1460℃～1480℃，使用Φ32mm的水口控制浇铸速度，保证每支钢锭浇铸时间5min～6min，镧的收得率稳定在85％～92.5％。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中保证原料总带入O含量≤0.020％、S含量≤0.0010％，合金原料的金属镧元素按0.2％～0.4％配入，通过控制入炉O、S含量，降低真空熔炼过程脱O、脱S的压力，减少与镧发生反应形成镧的氧硫化物，影响镧的得率。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中所有原料去除表面的氧化物、油污及杂质。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中第一批次装料加入全部的高纯石墨，保证熔池里的C浓度，有利于促进熔化过程C-O反应，提高熔化期脱气效果。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(3)中每批料熔清后在1500℃～1550℃，工频搅拌30min，可为C-O反应提供良好的热力学和动力学条件，促进真空感应过程的脱气。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(4)中控制精炼期真空度并采用低温精炼和合适的精炼时间，可以保证C-O反应使钢液中O含量降低到0.0015％以下的同时避免坩埚供氧反应，使钢中氧含量反而上升。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(5)中合金化期采用低温和高于电解Mn、硼铁、Ni-Mg合金等原料挥发的饱和蒸汽压情况下充Ar，加入O含量较高的电解Mn、硼铁并搅拌保证其均匀溶解在钢液中，由于在充Ar条件下C不具备了真空脱氧能力，因此加入Al主要是将精炼结束后钢液中的溶解O和电解Mn、硼铁带入的O脱除，最后再加入脱O能力更强的Ni-Mg合金更进一步脱除钢液中残余的O，同时脱除部分S，减少与镧发生反应形成镧的氧硫化物，影响镧的收得率；在1350～1450℃下加镧可以减少镧的烧损；采用该钢种板坯包裹金属镧的方式加镧同时配合工频搅拌，首先是增加了镧的密度使其在钢液中下沉，同时外面包裹的该钢种钢板首先熔化，避免了镧在加入钢液中立刻与钢液接触发生氧化烧损，另外，采用工频搅拌使镧快速的卷入钢液内部并溶解均匀，可显著提高镧的收得率。

本发明还提供上述制备工艺制得的含镧钴基高温合金。

本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

本发明的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺通过控制入炉O、S含量，降低真空熔炼过程脱O、脱硫S的压力；经过装料、熔化期、精炼期工艺控制保证进入合金化期钢液中O≤0.0015％、S≤0.0010％，为镧含量准确与稳定控制创造基本条件；合金化期通过控制合金化钢液温度、充Ar强度、电解Mn、硼铁和脱氧剂Al、Ni-Mg合金的加入量、加入顺序及搅拌时间的控制，更进一步降低加镧时钢液中的O、S含量，同时控制加镧的温度、加入方式和搅拌工艺，实现钴基高温合金真空感应熔炼镧含量准确与稳定控制，镧的收得率稳定在85％～92.5％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但本发明的实施方式不限于此，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的部分实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，获得其他的类似的实施例均落入本发明的保护范围。

实施例1

该实施例是采用12吨真空感应炉采用本发明提供的一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，实现钴基高温合金真空感应熔炼镧含量准确与稳定控制，含镧钴基高温合金感应锭的组分及重量百分比含量如下：

C：0.09％，Cr：22％，Ni：22％，W：14％，Fe：1％，Mn：0.6％，Si：0.3％，P：0.002％，S：0.0008％，B:0.0015％，La：0.17％，Al：0.5％，Mg：0.0020％，O：0.0008％，余量为Co；

主要包括以下步骤：

①原料精选：

精选高纯石墨、金属Co、金属Cr、Ni板、W条、电解Mn、工业硅、硼铁、金属镧、Al条、Ni-Mg合金作为原料，将合金原料根据含镧钴基高温合金成分控制要求，按质量百分比计算并配制各元素原材料用量，保证原料按照成分体系总带入O含量≤0.020％、S含量≤0.0010％，合金原料的金属镧元素按0.2％配入，所有原料去除表面的氧化物、油污及杂质；

②装料：

采用分批次装料，第一批次装料，先后加入全部的Ni板、全部的高纯石墨、全部的W条和1/2的金属Co；第二批次装料，先后加入剩余的金属Co、全部的金属Cr和工业硅；其他炉料在合金化期加入；

③熔化期：

装料完成后开始抽真空，漏气率0.8Pa/min，真空度达到10Pa开始送电，第一批料熔化前期逐渐增大功率到1500kW熔池形成后，降低供电功率到1000kW化料，熔化期时间为10h；第一、二批料熔清后升温到1550℃，工频搅拌30min脱气，最后一批料熔清搅拌结束后进入精炼期；

④精炼期：

精炼期控制真空度0.5Pa，控制精炼温度1500℃，精炼时间60min，钢液中O含量≤0.0015％、S含量≤0.0010％后进入合金化期；

⑤合金化期：

控制钢液温度1450℃，合金化通入压力20000Pa的氩气条件下进行，首先将电解Mn、硼铁加入钢液中并搅拌20min，其次再加入钢液总重量0.5％的Al并搅拌20min深脱O，再次加入钢液总重量0.0050％的Ni-Mg合金并搅拌10min更进一步脱除钢液中残余的O和S，最后控制钢液温度在1400℃加入采用用该钢种板坯包裹的金属镧0.2％，采用工频搅拌5min后用1500kW功率供电升温到1480℃出钢；

⑥出钢：

钢锭模必须用钢水烫过，清洁干净，出钢温度1480℃，使用Φ32mm的水口控制浇铸速度，保证每支钢锭浇铸时间6min。

采用该工艺生产的铸锭取样进行气体及化学成分分析，铸锭中O含量为0.0008％、S含量为0.0008％、镧含量为0.17％，镧的收得率85％；后续将感应锭再经过电渣重熔后可生产出满足标准要求的含镧钴基高温合金。

实施例2

该实施例是采用12吨真空感应炉采用本发明提供的一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，实现钴基高温合金真空感应熔炼镧含量准确与稳定控制，含镧钴基高温合金感应锭的组分及重量百分比含量如下：

C：0.12％，Cr：23％，Ni：23％，W：15％，Fe：0.5％，Mn：0.75％，Si：0.40％，P：0.0018％，S：0.0006％，B：0.0035％，La：0.27％，Al：0.29％，Mg：0.0015％，O：0.0005％，余量为Co；

主要包括以下步骤：

①原料精选：

精选高纯石墨、金属Co、金属Cr、Ni板、W条、电解Mn、工业硅、硼铁、金属镧、Al条、Ni-Mg合金作为原料，将合金原料根据含镧钴基高温合金成分控制要求，按质量百分比计算并配制各元素原材料用量，保证原料按照成分体系总带入O含量≤0.018％、S含量≤0.0008％，合金原料的金属镧元素按0.3％配入，所有原料去除表面的氧化物、油污及杂质；

②装料：

采用分批次装料，第一批次装料，先后加入全部的Ni板、全部的高纯石墨、全部的W条和1/2的金属Co；第二批次装料，先后加入剩余的金属Co、全部的金属Cr和工业硅；其他炉料在合金化期加入；

③熔化期：

装料完成后开始抽真空，漏气率0.5Pa/min，真空度达到8Pa开始送电，第一批料熔化前期逐渐增大功率到1500kW熔池形成后，降低供电功率到1100kW化料，熔化期时间为9h；第一、二批料熔清后升温到1530℃，工频搅拌30min脱气，最后一批料熔清搅拌结束后进入精炼期；

④精炼期：

精炼期控制真空度0.8Pa，控制精炼温度1480℃，精炼时间90min，钢液中O含量≤0.0010％、S含量≤0.0008％后进入合金化期；

⑤合金化期：

控制钢液温度1430℃，合金化通入压力25000Pa的氩气条件下进行，首先将电解Mn、硼铁加入钢液中并搅拌30min，其次再加入钢液总重量0.3％的Al并搅拌30min深脱O，再次加入钢液总重量0.0035％的Ni-Mg合金并搅拌15min更进一步脱除钢液中残余的O和S，最后控制钢液温度在1400℃加入采用用该钢种板坯包裹的金属镧0.3％，采用工频搅拌8min后用1500kW功率供电升温到1470℃出钢；

⑥出钢：

钢锭模必须用钢水烫过，清洁干净，出钢温度1470℃，使用Φ32mm的水口控制浇铸速度，保证每支钢锭浇铸时间5.5min。

采用该工艺生产的铸锭取样进行气体及化学成分分析，铸锭中O含量为0.0005％、S含量为0.0006％、镧含量为0.27％，镧的收得率90％；后续将感应锭再经过电渣重熔后可生产出满足标准要求的含镧钴基高温合金。

实施例3

该实施例是采用12吨真空感应炉采用本发明提供的一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，实现钴基高温合金真空感应熔炼镧含量准确与稳定控制，含镧钴基高温合金感应锭的组分及重量百分比含量如下：

C：0.15％，Cr：24％，Ni：20％，W：13％，Fe：2.5％，Mn：1.0％，Si：0.45％，P：0.0015％，S：0.0004％，B：0.0025％，La：0.37％，Al：0.1％，Mg：0.0008％，O：0.0005％，余量为Co；

主要包括以下步骤：

①原料精选：

精选高纯石墨、金属Co、金属Cr、Ni板、W条、电解Mn、工业硅、硼铁、金属镧、Al条、Ni-Mg合金作为原料，将合金原料根据含镧钴基高温合金成分控制要求，按质量百分比计算并配制各元素原材料用量，保证原料按照成分体系总带入O含量0.015％、S含量0.0006％，合金原料的金属镧元素按0.4％配入，所有原料去除表面的氧化物、油污及杂质；

②装料：

采用分批次装料，第一批次装料，先后加入全部的Ni板、全部的高纯石墨、全部的W条和1/2的金属Co；第二批次装料，先后加入剩余的金属Co、全部的金属Cr和工业硅；其他炉料在合金化期加入；

③熔化期：

装料完成后开始抽真空，漏气率0.3Pa/min，真空度达到5Pa送开始电，第一批料熔化前期逐渐增大功率到1500kW熔池形成后，降低供电功率到1200kW化料，熔化期时间为8h；第一、二批料熔清后升温到1500℃，工频搅拌30min脱气，最后一批料熔清搅拌结束后进入精炼期；

④精炼期：

精炼期控制真空度1.0Pa，控制精炼温度1450℃，精炼时间180min，钢液中O含量≤0.0007％、S含量≤0.0006％后进入合金化期；

⑤合金化期：

控制钢液温度1400℃，合金化通入压力30000Pa的氩气条件下进行，首先将电解Mn、硼铁加入钢液中并搅拌40min，其次再加入钢液总重量0.1％的Al并搅拌40min深脱O，再次加入钢液总重量0.0020％的Ni-Mg合金并搅拌20min更进一步脱除钢液中残余的O和S，最后控制钢液温度在1400℃加入采用用该钢种板坯包裹的金属镧0.4％，采用工频搅拌10min后用1500kW功率供电升温到1460℃出钢；

⑥出钢：

钢锭模必须用钢水烫过，清洁干净，出钢温度1460℃，使用Φ32mm的水口控制浇铸速度，保证每支钢锭浇铸时间5min。

采用该工艺生产的铸锭取样进行气体及化学成分分析，铸锭中O含量为0.0004％、S含量为0.0004％、镧含量为0.37％，镧的收得率为92.5％；后续将感应锭再经过电渣重熔后可生产出满足标准要求的含镧钴基高温合金。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，含镧钴基高温合金感应锭的组分及重量百分比含量如下：C：0.05％～0.15％，Cr：20％～24％，Ni：20％～24％，W：13％～16％，Fe：≤3％，Mn：≤1.25％，Si：0.2％～0.5％，P：≤0.02％，S：≤0.0010％，B：≤0.015％，La：0.15％～0.40％，Al：0.1％～0.5％，Mg：≤0.0050％，O：≤0.0015％，余量为Co；

主要包括以下步骤：

(1)原料精选：精选高纯石墨、金属Co、金属Cr、金属Ni、金属W、电解Mn、工业硅、硼铁、金属镧、金属Al、Ni-Mg合金作为原料，根据含镧钴基高温合金成分控制要求，计算并配制各元素原料；

(2)装料：先后加入全部的金属Ni、高纯石墨、金属W、金属Co、金属Cr和工业硅；

(3)熔化期：装料完成后开始抽真空，保证真空感应炉漏气率≤5Pa/min，熔化期真空度≤50Pa时开始化料，熔清后升温到1500℃～1550℃，工频搅拌脱气；

(4)精炼期：精炼期控制真空度0.5～5.0Pa，控制精炼温度1450℃～1500℃，精炼时间60～180min；

(5)合金化期：控制钢液温度1400℃～1450℃，合金化期在充入Ar 20000～30000Pa条件下进行，首先将电解Mn、硼铁加入钢液中并搅拌10～60min，其次加入钢液总重量0.1％～0.5％的Al并搅拌10～60min，再次加入钢液总重量0.0020％～0.0050％的Ni-Mg合金并搅拌10～60min，最后控制钢液温度在1350～1450℃条件下加入采用钢种板坯包裹的金属镧，工频搅拌5～10min后升温到1460℃～1480℃；

(6)出钢：出钢温度1460℃～1500℃，保证每支钢锭浇铸时间4min～6min，镧的收得率稳定在85％～92.5％；

步骤(1)中保证原料总带入O含量≤0.020％、S含量≤0.0010％，合金原料的金属镧元素按0.2％～0.4％配入。

2.根据权利要求1所述的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤(1)中所有原料去除表面的氧化物、油污及杂质。

3.根据权利要求1所述的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤(2)中所述装料的具体过程为：采用分批次装料，第一批次装料，先后加入全部的金属Ni、全部的高纯石墨、全部的金属W和1/2的金属Co；第二批次装料，先后加入剩余的金属Co、全部的金属Cr和工业硅。

4.根据权利要求1所述的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤(3)中保证真空感应炉漏气率≤1Pa/min，熔化期真空度≤10Pa时开始化料，保证熔化期时间在8h～10h。

5.根据权利要求1-4任一项所述的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤(4)中控制钢液中O含量≤0.0015％、S含量≤0.0010％后进入合金化期。

6.根据权利要求1所述的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤(6)中钢锭模清洁干净，且用钢水烫过。

7.根据权利要求6所述的含镧钴基高温合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤(6)中出钢温度为1460℃～1480℃，保证每支钢锭浇铸时间5min～6min。

8.权利要求1-7任一项所述的工艺制得的含镧钴基高温合金感应锭。