CN115612949A - 一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯及其冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温合金冶炼技术领域，具体涉及一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯及其冶炼方法。本发明提供了一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，包括如下步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液经浇注得到铸坯；将所述铸坯进行退火处理，其中退火处理温度为1000‑1100℃；将退火后的铸坯加工成电极，然后进行重熔冶炼，得到重熔锭坯。通过提高退火步骤中的退火温度，避免低温退火过程中强化相γ’相不断析出，防止组织应力不断增大诱使母材开裂。工艺调整后，有效解决电极内部开裂问题，在真空自耗重熔过程中实现稳定冶炼，从工艺上降低了产生黑斑、白斑等缺陷风险，从而可以获得均匀、纯净合格的自耗锭产品。
Description
技术领域
本发明属于高温合金冶炼技术领域，具体涉及一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯及其冶炼方法。
背景技术
随着航空发动机和重型燃油机不断发展，对锻件的单重需求逐步趋向大型化，以满足现在高功率、高热效率发动机使用需求。同时，为了满足耐更高温度、具备更高高温强度、更高耐热腐蚀性能的先进发动机选材需求，高温合金材料发展趋势是合金含量越来越高，尤其是对高温合金起主要强化作用的γ相的形成元素Al、Ti含量不断提高，如目前工业上批量供货的GH761合金，锭型已扩大至6t。锭型扩大后带来一系列冶炼技术难题，如偏析问题、热裂问题等，也是目前冶金厂共同技术难题。
为了追求大型化、低偏析、高纯净的高温合金产品，目前高端用途高温合金基本采用的真空感应冶炼、真空电弧重熔冶炼双联工艺或真空感应冶炼、电渣重熔、真空电弧重熔冶炼三联工艺。
合金锭型在扩大后，作为二次重熔的母材也随之增大，因合金含量高，加之截面增大，采用现有退火工艺对真空感应冶炼得到的母材进行退火时，热应力加上组织应力会导致母材内部开裂，从而导致真空电弧重熔冶炼或者电渣重熔冶炼过程不稳定而产生黑斑、白斑等冶金缺陷，最终影响产品质量和使用寿命。
发明内容
本发明提供一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯及其冶炼方法，其目的是为了解决现有技术中，合金锭型在扩大后，作为二次重熔的母材也随之增大，因合金含量高，加之截面增大，采用现有退火工艺对真空感应冶炼得到的母材进行退火时，热应力加上组织应力会导致母材内部开裂，从而导致真空电弧重熔冶炼或者电渣重熔冶炼过程不稳定而产生黑斑、白斑等冶金缺陷，最终影响产品质量和使用寿命。
针对上述技术缺陷，本发明目的之一是提供一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法。本发明目的之二是提供所述冶炼方法得到的高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯。
第一方面，本发明提供了一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液经浇注得到铸坯(即母材)；
退火步骤：将所述铸坯进行退火处理，其中退火处理的保温温度为1000-1100℃(比如：1010℃、1020℃、1030℃、1050℃、1060℃、1070℃、1090℃)；
重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极，然后进行重熔冶炼，得到重熔锭坯。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，在所述真空感应冶炼步骤完成后(即脱模后)，需在5-30min(比如：10min、15min、20min、25min、30min)内对所述铸坯进行退火处理；
和/或，所述退火处理的保温时间为10-15h(比如：11h、12h、13h、14h)；
和/或，在退火处理中，保温后随炉冷却至400℃以下，出炉避风空冷。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述电极直径为φ580mm以上(对应6t以上锭型电极)，更优选为580mm-810mm(对应6t-10t锭型电极)。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述重熔锭坯的截面直径为660mm以上，更优选为660-950mm。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述重熔锭坯中Al和Ti的总含量≥4.5％。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述高钛铝含量的铁镍基合金包括GH761合金、GH2302合金、GH4738合金、GH4141中的一种。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，在浇注后模冷40-60min(比如：45min、50min、55min)破空脱模，得到铸坯。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，在所述退火步骤中，进入退火炉进行所述退火处理时，所述铸坯的表面温度为800-1100℃(比如850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃)。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述重熔冶炼为真空电弧重熔冶炼。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述真空电弧重熔冶炼的熔速为3-5kg/min(比如：4kg/min)；
所述真空电弧重熔冶炼的熔滴为0.1-0.6ms(比如：0.2ms、0.3ms、0.4ms、0.5ms)；
所述真空电弧重熔冶炼的电压为22-24V(比如：23V)；
所述真空电弧重熔冶炼的电流为5000-7000A(比如：5500A、6000A、6500A)。
在上述冶炼方法中，作为一种优选实施方式，在所述真空电弧重熔冶炼过程中，采用氦冷技术进行冷却；
优选地，所述冷却的速率为30-50℃/min(比如：35℃/min、40℃/min、45℃/min)。
第二方面，本发明还提供了一种采用上述冶炼方法得到的高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明提供了一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，包括如下步骤：真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液经浇注得到铸坯；退火步骤：将所述铸坯进行退火处理，其中退火处理温度为1000-1100℃；重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极，然后进行重熔冶炼，得到重熔锭坯。本发明通过提高退火步骤中的退火温度，避免了低温退火过程中强化相γ’相不断析出，防止了组织应力不断增大诱使母材开裂。工艺调整后，有效解决了电极内部开裂问题，在真空自耗重熔过程中实现稳定冶炼，从工艺上大大降低了产生黑斑、白斑等缺陷风险，从而可以获得均匀、纯净合格的自耗锭产品。
2.本发明提供的高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，不再由常规退火工艺从低温逐步升温至设定退火温度，而是在脱模后直接红送进行退火，有效的避免了大锭型合金因截面大热应力大导致在低温阶段边缘与心部冷却梯度不均匀的开裂问题。
3.本发明提供的高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，采用氦冷技术加快合金自耗锭凝固，可以获得高纯净、低偏析的大锭型合金自耗锭。
附图说明
图1为实施例1电极冶炼曲线图；
图2为对比例1电极冶炼曲线图；
其中，1-熔速；2-电流电压。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够实践和再现。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明方法可以生产6t-10t锭型，锭型越大，母材截面增大，比如10t锭型电极母材约710mm左右，母材尺寸大会加剧了边缘与心部冷却梯度不均匀程度，增大开裂风险。本发明采用脱模后控制30min(即铸坯表面温度≥800℃)内进退火炉，按照1000-1100℃高温退火，规格越大退火时间越长，对于电极母材约710mm左右时退火时间可适当延长至900min。本发明方法可以有效避免母材因截面增大，边缘到心部冷却梯度不均匀产生的开裂，从而解决冶炼过程中波动问题，降低产生黑斑、白斑等冶金缺陷的风险。
以下实施例中未详细说明的方法步骤为本领域常规操作。
实施例1
本实施例提供了一种GH761合金大锭坯(φ660mm)的冶炼方法，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液进行浇注，浇注后模冷40min破空脱模，得到铸坯；
退火步骤：将得到的铸坯立即置于退火炉中进行退火处理，从铸坯脱模到进入退火炉的时间不超过30min(即进入退火炉时铸坯表面温度约为800℃)，退火处理的保温温度为1000℃，退火处理的保温时间为600min，保温处理后随炉冷却至＜450℃，出炉避风空冷；
重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极(6t锭型电极，直径580mm)，然后进行重熔冶炼，重熔冶炼采用真空电弧重熔冶炼，熔速为4Kg/min，熔滴为0.2ms，电压为23V，电流为6000A，在真空电弧重熔冶炼过程中，采用氦冷技术进行冷却，冷却速率为40℃/min，真空电弧重熔冶炼完成后，得到重熔锭坯。
从真空电弧重熔的母材电极来看，表面并无开裂现象出现。另外，图1为本实施例电极真空电弧重熔冶炼曲线，从熔速曲线来看，整个熔炼过程波动很小，位于±2％以内，由此说明，本实施例工艺真空电弧重熔熔炼过程稳定，母材内部无开裂。
从最终得到的重熔锭坯来看，重熔锭坯质量良好，未产生黑斑、白斑等冶金缺陷。多批次生产重熔锭坯的质量100％合格。
实施例2
本实施例提供了一种GH761合金大锭坯(φ660mm)的冶炼方法，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液进行浇注，浇注后模冷40min破空脱模，得到铸坯；
退火步骤：将得到的铸坯立即置于退火炉中进行退火处理，从铸坯脱模到进入退火炉的时间不超过30min(即进入退火炉时铸坯表面温度约为800℃)，退火处理的保温温度为1050℃，退火处理的保温时间为600min，保温处理后随炉冷却至＜450℃，出炉避风空冷；
重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极(6t锭型电极，直径580mm)，然后进行重熔冶炼，重熔冶炼采用真空电弧重熔冶炼，熔速为4Kg/min，熔滴为0.2ms，电压为23V，电流为6000A，在真空电弧重熔冶炼过程中，采用氦冷技术进行冷却，冷却速率为40℃/min，真空电弧重熔冶炼完成后，得到重熔锭坯。
从真空电弧重熔的母材电极来看，表面并无开裂现象出现。冶炼曲线与实施例1图1类似，从熔速曲线来看，整个熔炼过程波动很小，位于±2％以内，由此说明，本实施例工艺真空电弧重熔熔炼过程稳定，母材内部无开裂。
从最终得到的重熔锭坯来看，重熔锭坯质量良好，未产生黑斑、白斑等冶金缺陷。多批次生产重熔锭坯的质量100％合格。
实施例3
本实施例提供了一种GH761合金大锭坯(φ660mm)的冶炼方法，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液进行浇注，浇注后模冷40min破空脱模，得到铸坯；
退火步骤：将得到的铸坯立即置于退火炉中进行退火处理，从铸坯脱模到进入退火炉的时间不超过30min(即进入退火炉时铸坯表面温度约为800℃)，退火处理的保温温度为1100℃，退火处理的保温时间为600min，保温处理后随炉冷却至＜450℃，出炉避风空冷；
重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极(6t锭型电极，直径580mm)，然后进行重熔冶炼，重熔冶炼采用真空电弧重熔冶炼，熔速为4Kg/min，熔滴为0.2ms，电压为23V，电流为6000A，在真空电弧重熔冶炼过程中，采用氦冷技术进行冷却，冷却速率为40℃/min，真空电弧重熔冶炼完成后，得到重熔锭坯。
从真空电弧重熔的母材电极来看，表面并无开裂现象出现。冶炼曲线与实施例1图1类似，从熔速曲线来看，整个熔炼过程波动很小，位于±2％以内，由此说明，本实施例工艺真空电弧重熔熔炼过程稳定，母材内部无开裂。
从最终得到的重熔锭坯来看，重熔锭坯质量良好，未产生黑斑、白斑等冶金缺陷。多批次生产重熔锭坯的质量100％合格。
实施例4
本实施例提供了一种GH4141合金大锭坯(φ660mm)的冶炼方法，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液进行浇注，浇注后模冷40min破空脱模，得到铸坯；
退火步骤：将得到的铸坯立即置于退火炉中进行退火处理，从铸坯脱模到进入退火炉的时间不超过30min(即进入退火炉时铸坯表面温度约为800℃)，退火处理的保温温度为1080℃，退火处理的保温时间为600min，保温处理后随炉冷却至＜450℃，出炉避风空冷；
重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极(6t锭型电极，直径580mm)，然后进行重熔冶炼，重熔冶炼采用真空电弧重熔冶炼，熔速为4.5Kg/min，熔滴为0.2ms，电压为23V，电流为6200A，在真空电弧重熔冶炼过程中，采用氦冷技术进行冷却，冷却速率为40℃/min，真空电弧重熔冶炼完成后，得到重熔锭坯。
从真空电弧重熔的母材电极来看，表面并无开裂现象出现。冶炼曲线与实施例1图1类似，从熔速曲线来看，整个熔炼过程波动很小，位于±2％以内，由此说明，本实施例工艺真空电弧重熔熔炼过程稳定，母材内部无开裂。
从最终得到的重熔锭坯来看，重熔锭坯质量良好，未产生黑斑、白斑等冶金缺陷。多批次生产重熔锭坯的质量100％合格。
实施例5
本实施例提供了一种GH4738合金大锭坯(φ660mm)的冶炼方法，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液进行浇注，浇注后模冷40min破空脱模，得到铸坯；
退火步骤：将得到的铸坯立即置于退火炉中进行退火处理，从铸坯脱模到进入退火炉的时间不超过30min(即进入退火炉时铸坯表面温度约为800℃)，退火处理的保温温度为1080℃，退火处理的保温时间为600min，保温处理后随炉冷却至＜450℃，出炉避风空冷；
重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极(6t锭型电极，直径580mm)，然后进行重熔冶炼，重熔冶炼采用真空电弧重熔冶炼，熔速为4.2Kg/min，熔滴为0.2ms，电压为23V，电流为6000A，在真空电弧重熔冶炼过程中，采用氦冷技术进行冷却，冷却速率为40℃/min，真空电弧重熔冶炼完成后，得到重熔锭坯。
从真空电弧重熔的母材电极来看，表面并无开裂现象出现。冶炼曲线与实施例1图1类似，从熔速曲线来看，整个熔炼过程波动很小，位于±2％以内，由此说明，本实施例工艺真空电弧重熔熔炼过程稳定，母材内部无开裂。
从最终得到的重熔锭坯来看，重熔锭坯质量良好，未产生黑斑、白斑等冶金缺陷。多批次生产重熔锭坯的质量100％合格。
对比例1
本对比例提供了一种GH761合金大锭坯(φ660mm)的冶炼方法，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液进行浇注，浇注后模冷40min破空脱模，得到铸坯；
退火步骤：得到的铸坯并未立即置于退火炉中进行退火处理，进入退火炉时铸坯表面温度约为500-600℃，退火处理的工艺为：在600℃保温2.5h，然后再以50℃/h升温至900℃左右的退火处理温度，保温10h，保温处理后随炉冷却至＜450℃，出炉避风空冷；
重熔冶炼步骤：同实施例1。
由于进入退火炉进行退火时铸坯表面温度太低只有500-600℃，而且退火工艺复杂，退火温度低，所以得到的锭坯质量不理想。
从真空电弧重熔的母材电极来看，部分母材表面有开裂现象出现。另外，图2为本实施例电极真空电弧重熔冶炼曲线，从熔速曲线来看，整个熔炼过程波动很大，位于±30％以内，由此说明，本实施例工艺真空电弧重熔熔炼过程不稳定，母材内应力大，内部存在开裂现象。
从最终得到的重熔锭坯来看，重熔锭坯质量差，产生黑斑、白斑等冶金缺陷。多批次生产重熔锭坯的质量合格率低，仅为10％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，包括如下步骤：
真空感应冶炼步骤：将合金原料进行真空感应冶炼，冶炼后的钢液经浇注得到铸坯；
退火步骤：将所述铸坯进行退火处理，其中退火处理的保温温度为1000-1100℃；
重熔冶炼步骤：将退火后的铸坯加工成电极，然后进行重熔冶炼，得到重熔锭坯。
2.根据权利要求1所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，在所述真空感应冶炼步骤完成后，需在5-30min内对所述铸坯进行退火处理；
优选地，所述退火处理的保温时间为10-15h；
在所述退火处理中，保温后随炉冷却至400℃以下，出炉避风空冷。
3.根据权利要求1所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，所述电极直径为φ580mm以上，优选为580mm-810mm。
4.根据权利要求1所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，所述重熔锭坯的截面直径为660mm以上，优选为660-950mm。
5.根据权利要求4所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，所述重熔锭坯中Al和Ti的总含量≥4.5％。
6.根据权利要求1所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，所述高钛铝含量的铁镍基合金包括GH761合金、GH2302合金、GH4738合金、GH4141中的一种。
7.根据权利要求1所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，在浇注后模冷40-60min破空脱模，得到铸坯；
和/或，在所述退火步骤中，进入退火炉进行所述退火处理时，所述铸坯的表面温度为800-1100℃。
8.根据权利要求1所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，所述重熔冶炼为真空电弧重熔冶炼；
所述真空电弧重熔冶炼的熔速为3-5kg/min；
所述真空电弧重熔冶炼的熔滴为0.1-0.6ms；
所述真空电弧重熔冶炼的电压为22-24V；
所述真空电弧重熔冶炼的电流为5000-7000A。
9.根据权利要求1所述的铁镍基合金大锭坯的冶炼方法，其特征在于，在所述真空电弧重熔冶炼过程中，采用氦冷技术进行冷却；
和/或，冷却速率为30-50℃/min。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述冶炼方法得到的高钛铝含量的铁镍基合金大锭坯。
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