CN116516205A - 一种涡轮盘用高温合金gh710合金钢锭及其制备方法 - Google Patents

一种涡轮盘用高温合金gh710合金钢锭及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭及其制备方法，原料包括组分A与组分B，组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍53～55％、金属铬17～19％、金属钴14～15.5％、金属钨1.5～1.9％、金属钼3～3.4％、高纯石墨块0.06～0.09％和本钢，组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝2.3～3.8％、海绵钛4.8～5.3％、硼铁0.075～0.125％、镁合金0.05～0.15％、金属铈0.01～0.03％。本发明采用真空感应冶炼+保护气氛电渣重熔+真空自耗重熔，锭型由Φ305mm扩大到Φ508mm，提高了合金锭材率，能稳定地制备出最大尺寸为Φ508mm的自耗锭，解决了大尺寸自耗锭的开裂问题，制备的Φ508mm自耗锭硫和夹杂物含量大大降低，提高了合金纯净度。

Description

一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金领域，特别涉及一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭及其制备方法。
背景技术
GH710合金作为镍基铸锻两用难变形高温合金，合金在900℃以下均有较高的强度、抗氧化和抗腐蚀性能，广泛用于制造涡轮转子叶片和盘件等。GH710合金作为难变形高温合金使用时，由于合金化程度高，热加工过程塑性与铸锭组织致密性和成分均匀紧密相关。传统GH710合金锭的制备采用真空感应冶炼+真空自耗重熔双联工艺，锭型Φ305mm。由于真空冶炼浇铸电极棒组织疏松、缩孔严重等问题，给真空自耗重熔过程带来不稳定风险因素，导致铸锭冶金质量差。
由于该合金的合金化程度高，再加上VIM锭和VAR锭的热塑性差，制备的自耗锭容易开裂，尤其是对于大锭型开裂更明显；同时VIM制备的电极常有裂纹和较深缩孔，直接进行VAR冶炼，冶炼曲线波动大，导致枝晶偏析难控制并增大了冶金缺陷出现的风险，严重影响了自耗锭的冶金质量。因此，为控制合金枝晶偏析程度和防止钢锭开裂，国外该合金自耗锭最大尺寸为Φ305mm。由于自耗锭尺寸小，要制备大规格棒材和大尺寸盘锻件，一直存在工艺复杂、容易开裂、枝晶偏析程度高、杂质较多、成本高，不适宜批量工业生产，影响了该合金的推广应用。
因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的技术问题。
本发明与传统GH710合金冶炼方法不同，冶炼方法采用真空感应冶炼+保护气氛电渣重熔+真空自耗重熔，锭型由Φ305mm扩大到Φ508mm，提高了合金锭材率。
发明内容
针对上述问题，本发明一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，包括：
选取原料：所述原料包括组分A与组分B，所述组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍53～55％、金属铬17～19％、金属钴14～15.5％、金属钨1.5～1.9％、金属钼3～3.4％、高纯石墨块0.06～0.09％和本钢，所述组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝2.3～3.8％、海绵钛4.8～5.3％、硼铁0.075～0.125％、镁合金0.05～0.15％、金属铈0.01～0.03％。
真空感应冶炼：对组分A进行真空感应冶炼，随后加入组分B，搅拌浇
铸铸得到电极棒；
电渣重熔：将所述电极棒电渣重熔，得到电渣锭；
真空自耗重熔：将所述电渣锭自耗重熔，得到合金钢锭。
其进一步的优选技术方案为：真空感应冶炼中，真空度≤5Pa。
其进一步的优选技术方案为：真空感应冶炼中，冶炼温度为1500－1600℃，冶炼时间为30－90min。
其进一步的优选技术方案为：搅拌中，搅拌时间为10～60min，出钢温度为1400～1470℃。
其进一步的优选技术方案为：电渣重熔使用CaO渣系，所述CaO渣系化学成分按质量百分比包括：CaF2：45～60％，Al2O3：18～25％，CaO：18～25％，所述渣系熔速3.0～6.0kg/min.
其进一步的优选技术方案为：渣系渣阻摆动0.3～0.7mOhm。
其进一步的优选技术方案为：电渣重熔为保护气氛电渣重熔，保护气为氩气，所述氩气流量为30～80L/min。
其进一步的优选技术方案为：真空自耗重熔中，熔速为3.0～4.5kg/min。
其进一步的优选技术方案为：真空自耗重熔中，熔滴为3～7。
其进一步的优选技术方案为：GH710合金钢锭化学成分按质量百分比包括：C≤0.10；Cr：16.5～19.5；Co：13.5～16.0；Mo：2.5～3.5；Al：2.0～3.0；Ti：4.5～5.5；W：1.0～2.0；Fe≤1.0；Mn≤0.15；Si≤0.15；Cu≤0.1；Zr≤0.06；Ce：0.02；B：0.01～0.03；P≤0.015；S≤0.01；Ag≤0.0005；Bi：≤0.0001；Pb≤0.0001；余量为Ni。
本发明的有益效果：
1.本发明采用真空感应冶炼+保护气氛电渣重熔冶炼+真空自耗重熔三联工艺制备Φ508mm自耗锭。真空感应冶炼电极棒经过保护电渣重熔后，组织更致密，提高真空自耗重熔冶炼过程稳定性。
2.保护气氛电渣重熔减少了空气接触，渣系的合理调整使易烧损元素C、Al、Ti成分可控；含CaO渣系进一步降低杂质元素S含量，提高合金热加工塑性和持久性能；真空自耗重熔过程的可控性提高，冶金质量明显改善。疏松、缩孔、裂纹情况降低30％。
3.能稳定地制备出最大尺寸为Φ508mm的自耗锭，解决了大尺寸自耗锭的开裂问题，制备的Φ508mm自耗锭硫和夹杂物含量大大降低，提高了合金纯净度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书中所指出的结构来实现和获得。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
选取原料：选用原料包括组分A与组分B，所述组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍53％、金属铬17％、金属钴14％、金属钨1.5％、金属钼3～3.4％、高纯石墨块0.06％和本钢，所述组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝2.3％、海绵钛4.8％、硼铁0.075％、镁合金0.05％、金属铈0.01％。
所述本钢为本钢返回料，本钢返回料化学成分按质量百分比包括：Ni：54.45％，Cr：18％，Co：15％，Mo：3.2％，Al：2.6％，Ti：5％，W：1.5％。
真空感应冶炼：将以上原料投入真空冶炼加料仓中，对加料仓进行抽真空，加料原则尊新上松下紧，从而有效防止架桥现象。保持其真空度为5Pa，随后进行升温融化，熔化温度为1500℃；
待合金溶液完全融化后，保持其温度为1500℃并开始精炼，精炼时间为90min；
精炼完成后，保持合金温度为1500℃，加入铝条、纯钛原料、硼铁、金属铈和镁合金，进行停电结膜，即停止加热，并对合金溶液及进行搅拌，搅拌10min；
搅拌完成后，对合金溶液进行测温，测的温度为1400℃时出钢，随后进行浇铸，浇铸得用于保护气氛电渣重熔的Φ360mm电极棒。
保护气氛电渣重熔：真空感应炉冶炼(VIM)制备的电极棒，表面进行车光处理后，在Φ360mm电极棒冒口端切除100mm，底部切除20mm，随后进行车光；
选择渣系：CaO渣系化学成分按质量百分比包括：CaF2：45％，Al2O3：28％，CaO：27％；
熔炼阶段采用熔速+渣阻摆动控制，熔速3.0kg/min，渣阻摆动0.3mOhm；保护气氛电渣重熔过程充氩气保护，氩气流量30L/min；
保护气氛电渣炉中进行重熔生产GH710合金Φ430mm电渣锭。
真空自耗重熔：将保护气氛电渣重熔生产的电渣锭的充填端切除20mm，起弧端切除100mm，并进行车光，至两端面平行；
将初始真空度控制为0.1Pa，进行真空自耗重熔，熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速控制为3.0kg/min，熔滴设定为3；
得到Φ508mm自耗锭，即涡轮盘用高温合金钢锭，其合金成分重量百分比含量如下：
C：0.10；Cr：16.5；Co：13.5；Mo：2.5；Al：2.0；Ti：4.5；W：1.0；Fe：1.0；Mn：0.15；Si：0.15；Cu：0.1；Zr：0.06；Ce：0.02；B：0.01；P：0.015；Ag：0.0005；Bi：0.0001；Pb：0.0001；余量为Ni。
保护气氛电渣重熔减少了空气接触，渣系的合理调整使易烧损元素C、Al、Ti成分可控；含CaO渣系进一步降低杂质元素S含量，提高合金热加工塑性和持久性能；真空自耗重熔过程的可控性提高，冶金质量明显改善。
实施例2：
选取原料：选用原料包括组分A与组分B，所述组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍55％、金属铬19％、金属钴15.5％、金属钨1.9％、金属钼3.4％、高纯石墨块0.09％和本钢，所述组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝3.8％、海绵钛5.3％、硼铁0.125％、镁合金0.15％、金属铈0.03％。
真空感应冶炼：将以上原料投入真空冶炼加料仓中，对加料仓进行抽真空，加料原则尊新上松下紧，从而有效防止架桥现象。保持其真空度为5Pa，随后进行升温融化，熔化温度为1600℃；
待合金溶液完全融化后，保持其温度为1600℃并开始精炼，精炼时间为30min；
精炼完成后，保持合金温度为1600℃，加入铝条、纯钛原料、硼铁、金属铈和镁合金，进行停电结膜，即停止加热，并对合金溶液及进行搅拌，搅拌60min；
搅拌完成后，对合金溶液进行测温，测的温度为1470℃时出钢，随后进行浇铸，浇铸得用于保护气氛电渣重熔的Φ360mm电极棒。
保护气氛电渣重熔：真空感应炉冶炼(VIM)制备的电极棒，表面进行车光处理后，在Φ360mm电极棒冒口端切除300mm，底部切除50mm，随后进行车光；
选择渣系：CaO渣系化学成分按质量百分比包括：CaF2：50％，Al2O3：25％，CaO：25％；
熔炼阶段采用熔速+渣阻摆动控制，熔速6.0kg/min，渣阻摆动0.7mOhm；保护气氛电渣重熔过程充氩气保护，氩气流量80L/min；
保护气氛电渣炉中进行重熔生产GH710合金Φ450mm电渣锭。
真空自耗重熔：将保护气氛电渣重熔生产的电渣锭的充填端切除50mm，起弧端切除250mm，并进行车光，至两端面平行；
将初始真空度控制为0.3Pa，进行真空自耗重熔，熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速控制为4.5kg/min，熔滴设定为7；
得到Φ508mm自耗锭，即涡轮盘用高温合金钢锭，其合金成分重量百分比含量如下：
C：0.10；Cr：16.5；Co：13.5；Mo：2.5；Al：2.0；Ti：4.5；W：1.0；Fe：1.0；Mn：0.15；Si：0.15；Cu：0.1；Zr：0.06；Ce：0.02；B：0.01；P：0.015；Ag：0.0005；Bi：0.0001；Pb：0.0001；余量为Ni。
真空自耗重熔过程的可控性提高，冶金质量明显改善。
实施例3：
选取原料：选用原料包括组分A与组分B，所述组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍53％、金属铬17％、金属钴14％、金属钨1.5％、金属钼3～3.4％、高纯石墨块0.06％和本钢，所述组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝2.3％、海绵钛4.8％、硼铁0.075％、镁合金0.05％、金属铈0.01％
真空感应冶炼：将以上原料投入真空冶炼加料仓中，对加料仓进行抽真空，加料原则尊新上松下紧，从而有效防止架桥现象。保持其真空度为5Pa，随后进行升温融化，熔化温度为1550℃；
待合金溶液完全融化后，保持其温度为1550℃并开始精炼，精炼时间为30min；
精炼完成后，保持合金温度为1550℃，加入铝条、纯钛原料、硼铁、金属铈和镁合金，进行停电结膜，即停止加热，并对合金溶液及进行搅拌，搅拌60min；
搅拌完成后，对合金溶液进行测温，测的温度为1470℃时出钢，随后进行浇铸，浇铸得用于保护气氛电渣重熔的Φ360mm电极棒。
保护气氛电渣重熔：真空感应炉冶炼(VIM)制备的电极棒，表面进行车光处理后，在Φ360mm电极棒冒口端切除300mm，底部切除50mm，随后进行车光；
选择渣系：CaO渣系化学成分按质量百分比包括：CaF2：60％，Al2O3：20％，CaO：20％；
熔炼阶段采用熔速+渣阻摆动控制，熔速4.5kg/min，渣阻摆动0.5mOhm；保护气氛电渣重熔过程充氩气保护，氩气流量55L/min；
保护气氛电渣炉中进行重熔生产GH710合金Φ450mm电渣锭。
真空自耗重熔：将保护气氛电渣重熔生产的电渣锭的充填端切除50mm，起弧端切除250mm，并进行车光，至两端面平行；
将初始真空度控制为0.5Pa，进行真空自耗重熔，熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速控制为3.7kg/min，熔滴设定为5；
得到Φ508mm自耗锭，即涡轮盘用高温合金钢锭，其合金成分重量百分比含量如下：
C：0.10；Cr：16.5；Co：13.5；Mo：2.5；Al：2.0；Ti：4.5；W：1.0；Fe：1.0；Mn：0.15；Si：0.15；Cu：0.1；Zr：0.06；Ce：0.02；B：0.01；P：0.015；Ag：0.0005；Bi：0.0001；Pb：0.0001；余量为Ni。
实施例4：选用原料包括组分A与组分B，所述组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍55％、金属铬19％、金属钴15.5％、金属钨1.9％、金属钼3.4％、高纯石墨块0.09％和本钢，所述组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝3.8％、海绵钛5.3％、硼铁0.125％、镁合金0.15％、金属铈0.03％；
真空感应冶炼：将以上原料投入真空冶炼加料仓中，对加料仓进行抽真空，加料原则尊新上松下紧，从而有效防止架桥现象。保持其真空度为5Pa，随后进行升温融化，熔化温度为1550℃；
待合金溶液完全融化后，保持其温度为1550℃并开始精炼，精炼时间为：45min；
精炼完成后，保持合金温度为1550℃，加入铝条、纯钛原料、硼铁、金属铈和镁合金，进行停电结膜，即停止加热，并对合金溶液及进行搅拌，搅拌35min；
搅拌完成后，对合金溶液进行测温，测的温度为1435℃时出钢，随后进行浇铸，浇铸得用于保护气氛电渣重熔的Φ360mm电极棒。
保护气氛电渣重熔：真空感应炉冶炼(VIM)制备的电极棒，表面进行车光处理后，在Φ360mm电极棒冒口端切除300mm，底部切除50mm，随后进行车光；
选择渣系：CaF2：50％，Al2O3：25％，CaO：25％；
熔炼阶段采用熔速+渣阻摆动控制，熔速4.5kg/min，渣阻摆动0.5mOhm；保护气氛电渣重熔过程充氩气保护，氩气流量55L/min；
保护气氛电渣炉中进行重熔生产GH710合金Φ450mm电渣锭。
真空自耗重熔：将保护气氛电渣重熔生产的电渣锭的充填端切除35mm，起弧端切除175mm，并进行车光，至两端面平行；
将初始真空度控制为0.7Pa，进行真空自耗重熔，熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速控制为3.7kg/min，熔滴设定为5；
得到Φ508mm自耗锭，即涡轮盘用高温合金钢锭，其合金成分重量百分比含量如下：
C：.10；Cr：16.5；Co：13.5；Mo：2.5；Al：2.0；Ti：4.5；W：1.0；Fe：1.0；Mn：0.15；Si：0.15；Cu：0.1；Zr：0.06；Ce：0.02；B：0.01；P：0.015；Ag：0.0005；Bi：0.0001；Pb：0.0001；余量为Ni。
经过电渣重熔后的合金S含量较低，且合金元素符合要求。该工艺得到较为致密、纯净和高表面质量的合金。
实施例5：
选用原料包括组分A与组分B，所述组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍55％、金属铬19％、金属钴15.5％、金属钨1.9％、金属钼3.4％、高纯石墨块0.09％和本钢，所述组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝3.8％、海绵钛5.3％、硼铁0.125％、镁合金0.15％、金属铈0.03％；
真空感应冶炼：将以上原料投入真空冶炼加料仓中，对加料仓进行抽真空，加料原则尊新上松下紧，从而有效防止架桥现象。保持其真空度为5Pa，随后进行升温融化，熔化温度为1600℃；
待合金溶液完全融化后，保持其温度为1600℃并开始精炼，精炼时间为：45min；
精炼完成后，保持合金温度为1600℃，加入铝条、纯钛原料、硼铁、金属铈和镁合金，进行停电结膜，即停止加热，并对合金溶液及进行搅拌，搅拌35min；
搅拌完成后，对合金溶液进行测温，测的温度为1470℃时出钢，随后进行浇铸，浇铸得用于保护气氛电渣重熔的Φ360mm电极棒。
保护气氛电渣重熔：真空感应炉冶炼(VIM)制备的电极棒，表面进行车光处理后，在Φ360mm电极棒冒口端切除300mm，底部切除50mm，随后进行车光；
选择渣系：CaF2：50％，Al2O3：25％，CaO：25％；
熔炼阶段采用熔速+渣阻摆动控制，熔速6kg/min，渣阻摆动0.7mOhm；保护气氛电渣重熔过程充氩气保护，氩气流量80L/min；
保护气氛电渣炉中进行重熔生产GH710合金Φ450mm电渣锭。
真空自耗重熔：将保护气氛电渣重熔生产的电渣锭的充填端切除35mm，起弧端切除175mm，并进行车光，至两端面平行；
将初始真空度控制为1Pa，进行真空自耗重熔，熔炼阶段采用熔速+熔滴控制，熔速控制为4.5kg/min，熔滴设定为7；
得到Φ508mm自耗锭，即涡轮盘用高温合金钢锭，其合金成分重量百分比含量如下：
C：.10；Cr：16.5；Co：13.5；Mo：2.5；Al：2.0；Ti：4.5；W：1.0；Fe：1.0；Mn：0.15；Si：0.15；Cu：0.1；Zr：0.06；Ce：0.02；B：0.01；P：0.015；Ag：0.0005；Bi：0.0001；Pb：0.0001；余量为Ni。
尽管参照前述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精神和范围。

Claims (10)

1.一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，包括：
选取原料：所述原料包括组分A与组分B，所述组分A化学成分按质量百分比包括：金属镍53～55％、金属铬17～19％、金属钴14～15.5％、金属钨1.5～1.9％、金属钼3～3.4％、高纯石墨块0.06～0.09％和本钢，所述组分B化学成分按质量百分比包括：金属铝2.3～3.8％、海绵钛4.8～5.3％、硼铁0.075～0.125％、镁合金0.05～0.15％、金属铈0.01～0.03％。
真空感应冶炼：对组分A进行真空感应冶炼，随后加入组分B，搅拌浇铸得到电极棒；
电渣重熔：将所述电极棒电渣重熔，得到电渣锭；
真空自耗重熔：将所述电渣锭自耗重熔，得到合金钢锭。
2.根据权利要求2所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述真空感应冶炼中，真空度≤5Pa。
3.根据权利要求3所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述真空感应冶炼中，冶炼温度为1500－1600℃，冶炼时间为30－90min。
4.根据权利要求4所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述搅拌中，搅拌时间为10～60min，出钢温度为1400～1470℃。
5.根据权利要求5所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述电渣重熔使用CaO渣系，所述CaO渣系化学成分按质量百分比包括：CaF2：45～60％，Al2O3：18～25％，CaO：18～25％，所述渣系熔速3.0～6.0kg/min。
6.根据权利要求6所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述渣系渣阻摆动0.3～0.7mOhm。
7.根据权利要求2－7任一项所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述电渣重熔为保护气氛电渣重熔，保护气为氩气，所述氩气流量为30～80L/min。
8.根据权利要求8所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述真空自耗重熔中，熔速为3.0～4.5kg/min。
9.根据权利要求9所述的一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭的制备方法，其特征在于，所述真空自耗重熔中，熔滴为3～7。
10.一种涡轮盘用高温合金GH710合金钢锭，其特征在于，所述GH710合金钢锭化学成分按质量百分比包括：C≤0.10；Cr：16.5～19.5；Co：13.5～16.0；Mo：2.5～3.5；Al：2.0～3.0；Ti：4.5～5.5；W：1.0～2.0；Fe≤1.0；Mn≤0.15；Si≤0.15；Cu≤0.1；Zr≤0.06；Ce：0.02；B：0.01～0.03；P≤0.015；S≤0.01；Ag≤0.0005；Bi：≤0.0001；Pb≤0.0001；余量为Ni。
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