TW201704480A - 合金熔煉及精煉方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種熔煉及精煉合金之方法，其包括對起始材料進行真空感應熔煉以提供真空感應熔煉合金。對該真空感應熔煉合金之至少一部分進行電渣重熔以提供電渣重熔合金。對該真空電弧重熔合金之至少一部分進行真空電弧重熔以提供單次真空次真空電弧重熔合金。對該單次真空次真空電弧重熔合金之至少一部分進行真空電弧重熔以提供二次真空電弧重熔合金。在不同的實施例中，該真空感應熔煉合金之組成主要包含釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑及金之一。

Description

合金熔煉及精煉方法
本發明係關於用於熔煉及精煉超合金及其他合金之多步驟方法。本發明亦係關於使用本文中所描述之該等多步驟熔煉及精煉方法製備並精煉之合金，以及包括該等合金之軋材及製品。
已知多種技術可用於熔煉及精煉超合金，從而使該等合金得以適當地解除問題性夾雜、熔析及其他缺陷。多種新興技術將需要較大且較多的塊狀合金形式，從而對現存熔煉及精煉技術提出更大需求。舉例而言，用於生產用於渦輪盤組件之超合金的當前熔煉及精煉技術允許在處理合金期間在多個中間階段解決超音指示而不顯著影響最終部件成本。舉例而言，隨著諸如GE90及GEnx渦輪發動機之顯著較大渦輪機器之出現，需要尺寸足以用於極大盤體組件之實質上較大之超合金坯錠。此等超合金坯錠可具有大於1000磅之重量，而正在開發中之渦輪發動機可能需要多達3000磅之超合金坯錠。現存熔煉及精煉技術可能由於例如由未通過超音波檢查及其他非破壞性測試之材料被廢棄導致的實質性產率損失而不能夠在成本有效之基礎上生產此尺寸之超合金坯錠。
因此，需要開發一種改良之熔煉及精煉製程以用於生產超合金及其他合金。
根據本發明之一個非限制性態樣，熔煉及精煉合金之方法包括真空感應熔煉(VIM)步驟、電渣重熔(ESR)步驟以及第一及第二真空電弧重熔(VAR)步驟。對起始材料進行真空感應熔煉以提供真空感應熔煉合金，該真空感應熔煉合金所包含之主要組分(以重量百分比計)為以下各項中之任一項：釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑及金。換言之，該真空感應熔煉合金中所存在之「主要」組分以重量百分比計多於該真空感應熔煉合金之任何其他組分。對該真空感應熔煉合金之至少一部分進行電渣重熔以提供電渣重熔鑄錠。在第一真空電弧重熔操作中對該電渣重熔鑄錠之至少一部分進行真空電弧重熔以提供真空電弧重熔鑄錠。在第二真空電弧重熔操作中對該真空電弧重熔鑄錠之至少一部分進行真空電弧重熔以提供二次真空電弧重熔合金鑄錠。
根據本發明之另一非限制性態樣，熔煉及精煉合金之方法包括：對起始材料進行真空感應熔煉以提供真空感應熔煉合金；對該真空感應熔煉合金之至少一部分進行電渣重熔以提供電渣重熔合金；對該電渣重熔合金之至少一部分進行真空電弧重熔以提供單次真空次真空電弧重熔合金；及對該單次真空次真空電弧重熔合金之至少一部分進行真空電弧重熔以提供二次真空電弧重熔合金。在該方法之不同的實施例中，該真空感應熔煉合金主要包含釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑及金之一。
根據本發明之另一非限制性態樣，熔煉及精煉合金之方法包括：對起始材料進行真空感應熔煉以提供合金；對該合金之至少一部分進行電渣重熔以提供第一鑄錠；對該第一鑄錠之至少一部分進行真空電弧重熔以提供第二鑄錠；及對該第二鑄錠之至少一部分進行真空電弧重熔。在該方法之不同的實施例中，該合金主要包含釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、錸、鋨、銥、 鉑及金之一。
100‧‧‧四重熔煉序列
102‧‧‧VIM操作；對起始材料進行真空感應熔煉
104‧‧‧ESR操作；對VIM合金進行電渣重熔
106‧‧‧第一VAR操作；對ESR合金進行真空電弧重熔
108‧‧‧第二VAR操作；對VAR合金進行真空電弧重熔
藉由參考附圖，可更好地理解本文中所描述之方法、系統及合金製品之特徵及優勢，其中：圖1為說明對使用僅VIM以及VIM-ESR及VIM-ESR-VAR(三重熔煉)序列之合金718進行電子束鈕扣錠熔煉測試之氧化物面積/單位質量的圖；圖2為說明對僅VIM、VIM-ESR及VIM-VAR途徑之合金718進行鈕扣錠熔煉測試之氧化物量(ppm)的圖；且圖3為根據本發明之熔煉及精煉合金之方法的一個非限制性實施例的流程圖。
讀者在考慮根據本發明之方法及系統之某些非限制性實施例之以下詳細描述後將瞭解上述細節以及其他細節。讀者在使用本文中所描述之方法及系統後亦可領會某些此種附加細節。
在本發明之非限制性實施例描述中及在申請專利範圍中，除了在操作實例中或在另外指示時，表述成分及產物、處理條件及其類似物之量或特徵的所有數字均應理解為在所有情況下由術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則以下描述及所附申請專利範圍中所闡述之任何數值參數均為近似值，其可視吾等在根據本發明之方法、系統及製品中設法獲得之所要性質而變化。至少且不試圖限制等效原則對申請專利範圍之範疇的應用，各數值參數應至少按照所報導之有效數位的數值且應用一般捨入技術來理解。
稱為以引用之方式併入本文中的任何專利、公開案或其他揭示材料係完全或部分併入本文中，其程度僅為所併入之材料與本發明中所闡述之現存定義、陳述或其他揭示材料不衝突。因而且在必要程度上， 如本文中所闡述之揭示內容優先於以引用之方式併入本文中的任何衝突性材料。稱為以引用之方式併入本文中但與本文中所闡述之現存定義、陳述或其他揭示材料相衝突的任何材料或其部分僅在所併入之材料與現存揭示材料之間不發生衝突之程度上併入。
用於熔煉及精煉渦輪組件及其他高效能部件中所使用之鎳基超合金的當前習知製程併入真空感應熔煉(VIM)操作繼之以真空電弧重熔(VAR)操作或電渣重熔(ESR)操作。用於生產用於渦輪組件之鎳基超合金的替代熔煉及精煉方法由真空感應熔煉(VIM)繼之以電渣重熔(ESR)且隨後繼之以真空電弧重熔(VAR)之步驟組成。此VIM+ESR+VAR處理途徑在工業上通常稱為三重熔煉製程。三重熔煉製程組合用於對裝入材料進行基本熔煉及精煉之VIM操作、減少氧化物夾雜之ESR操作及減少合金元素熔析之最終VAR操作。VIM-ESR、VIM-VAR及VIM-ESR-VAR(三重熔煉)序列在精煉鎳基超合金合金718(UNS N07718)時之相對有效性可見於Moyer等人，「Advances in Triple Melting Superalloys」(1994)中所出現之圖1及圖2中。圖1繪出對使用僅VIM以及VIM-ESR及VIM-ESR-VAR(三重熔煉)序列之合金718進行電子束鈕扣熔煉測試之氧化物面積/單位質量。圖1顯示相對於VIM-ESR序列三重熔煉序列之氧化物含量減少超過50%。圖2繪出對僅VIM、VIM-ESR及VIM-VAR途徑之合金718進行鈕扣熔煉測試之氧化物量(ppm)，且顯示在合金718中，ESR操作在減少氧化物夾雜發生率方面比VAR顯著更有效。
在最終VAR操作期間，可在凝固期間俘獲ESR熔煉期間俘獲在合金液滴中或VAR熔煉期間收集在內坩堝表面上並滴入合金中之分離氧化物。此等氧化物熔析物可致使合金不適於製造成渦輪盤組件及其他高效能部件。在一些情況下，熔析物在合金中形成界面，其可在坯錠轉化之後的超音波檢查期間被偵測到。在其他情況下，熔析物可能進 入最終部件中且成為最終部件檢查期間退回組件之原因。缺陷坯錠或最終部件隨後被廢棄，從而降低產率且增加生產成本。
在生產某些需要極高潔淨度之鋼合金時，已使用具有序列VIM+VAR+VAR之熔煉及精煉製程。當重熔鋼合金時，合金之高熔點在形成之VAR鑄錠頂部上造成相對較深之熔體池。此允許熔融材料額外滯留時間，從而允許氧化物夾雜由於與基合金之密度差異而浮至表面。VIM+VAR+VAR序列不適於與鎳基超合金一起使用。當與鋼合金相比時，鎳基超合金在VAR熔煉期間一般具有較淺熔體池。因為鎳基超合金之形成之VAR鑄錠之表面上的熔體池相對較淺，滯留時間及勞侖茲力可能不足以在重熔程序期間允許氧化物夾雜浮起且移動至熔體池之外表面。中間ESR操作為提供浮選用深池及反應性熔渣從而減少相對較大量之不同組合之殘餘金屬氧化物提供有效手段。因此，對於鎳基超合金，VIM+VAR+VAR序列當與VIM+ESR+VAR序列相比時處於劣勢。
即使如此，已觀察到氧化物可能經受住對鎳基超合金進行之ESR操作，且氧化物夾雜可進入三重熔煉序列(VIM+ESR+VAR)中之最終重熔操作。本發明之一個目標在於減少鎳基超合金中殘餘氧化物之發生率以及與例如坩堝污染物相關之碳化物及碳氮化物聚集。
在生產某些鈦合金時，已應用多個VAR操作以便移除在主要熔煉或重熔操作期間來自鈦合金之高密度夾雜(包括氮化物)之有害影響。然而，據信多個VAR操作序列尚未應用於鎳基超合金之精煉。主要熔煉操作在鈦合金之情況下提供對為何多個VAR步驟已應用於鈦合金但先前未應用於鎳合金的一定程度之瞭解。習知鈦熔煉製程中之主要步驟利用海綿材料及廢棄材料之焊接焊條。此初級焊條可含有容易與鈦或諸如機械加工時所使用之TiN刀具之熔煉污染物形成之氮化物。因為鈦生產中之主要熔煉步驟典型地為此複合焊條之VAR操作，故此種夾 雜物可捕獲於固化池中。利用多個熔煉步驟逐步溶解逐步操作期間之任何殘留材料。相反，鈦容易接受氧化物進入溶液中且其在許多情況下可用作合金強化劑。在生產鎳基合金時，原始熔體為真空感應熔體，其中氮化物將在主要熔煉操作期間進入溶液中。氧化物典型地形成熔渣，或可在傾倒期間夾帶於熔體物流中。因此，生產鎳基合金時之重熔操作針對物理移除氧化物而非使其進入溶液中。
根據本發明之一個態樣，藉由改良之熔煉及精煉序列提供鎳基合金，該序列包括VIM操作繼之以ESR操作，且隨後繼之以兩個連續VAR操作。圖3為示意性地說明此序列之流程圖。該序列可藉由簡寫VIM+ESR+VAR+VAR提及且在本文中可稱為「四重熔煉」製程，該術語基本上與三重熔煉序列以及與雙重熔煉序列形成對比。該四重熔煉製程之終末(最終)真空電弧重熔操作可進一步減少合金中氧化物、碳化物及碳氮化物熔析物之發生率。將藉由與基合金之密度差異以及熔體內之熱及電磁流而得以分離之此等熔析物引導至固化鑄錠表面且可在VAR鑄錠材料之後續處理期間將其移除。舉例而言，已觀測到使用根據本發明之四重熔煉序列製造之鎳基超合金展現減少之氧化物、碳化物及碳氮化物熔析物發生率，且可用於重要組件中，諸如，例如渦輪盤組件。
四重熔煉序列之最終VAR熔煉操作提供用於移除可能在先前熔煉操作期間俘獲在鑄錠產物中之諸如氧化物之次生相團簇及碳化物以及碳氮化物團簇的手段。該等氧化物及次生相團簇典型地較小且不常見。利用藉由VIM+ESR+VAR序列製備之鑄錠作為用於終末VAR操作之焊條提供相對冶金清潔之起始儲備物，其在終末VAR操作期間經進一步精煉。亦可進行終末VAR操作以便控制具有相對較低蒸氣壓之元素的含量。此種元素包括例如鎂及可提供具有在後續形成操作中及在最終應用中均重要之材料性質的合金的潛在其他元素。在包括多個真 空熔煉操作之習知精煉序列中，可能不利地影響具有低蒸氣壓之合金元件的含量。因而，根據本發明之四重熔煉製程可改良產物之最終完整性且可精煉合金化學性質，而不損害鑄錠化學熔析。
圖3說明四重熔煉序列之非限制性實施例100。參考圖3，四重熔煉序列100之VIM操作102包括對裝入材料進行感應熔煉以提供經部分精煉之合金，其可用作隨後ESR操作之焊條。可用如熟習此項技術者已知的習知方式進行VIM操作，以生產處於所需合金規定範圍內且具有充分結構完整性以允許穩定重熔操作之鑄造原狀焊條。VIM操作使用感應線圈來熔煉裝入耐火材料襯裡坩堝內之原材料。在某些非限制性實施例中，裝入材料可包括例如但不限於底層材料，諸如藉由精煉礦體而生產之相對較高純度(例如99+%)元素材料及諸如經機械加工回轉回復且清除殘餘切削液之回收材料。選擇原材料且以確保所產生之熱符合所要合金規定的比例組合。當合金規定包括低蒸氣壓元素要求時，典型地在低於100微米之真空下或在部分惰性氣體氛圍下進行VIM操作。在某些實施例中，VIM製程以傾倒操作結束，其中可經由中心鑄口及澆注系統底注焊條或可個別地頂注各焊條。VIM後操作典型地包括脫模操作以便在固化後自模具中提取焊條且可包括表面研磨操作，視所使用之後續重熔方法而定。
再次參考圖3，四重熔煉序列100之ESR操作104包括對VIM操作102中所製備之合金焊條進行電渣重熔。一般可用如熟習此項技術者已知的習知方式來進行ESR操作。VIM焊條可能需要在ESR操作之前進行研磨以移除鬆散表面垢狀物(若存在)。在該操作之某些非限制性實施例中，合金焊條可焊接於包括能夠傳輸來自ESR熔爐之例如至少20kW電能之配合表面的非可消耗連桿頭。ESR製程使電流通過助焊劑以熔煉助焊劑。熟習此項技術者可容易地確定適用於特定ESR操作之助焊劑的組成。在某些實施例中，助焊劑可為例如基於CaF2之助焊劑，其 亦可包括大量CaO(10-40wt%)及Al2O3(10-40wt%)組分。助焊劑中可以較小濃度包括其他氧化物，以確保助焊劑與重熔焊條之化學相容性且減少反應性元素對助焊劑之任何增益或損失。可用於助焊劑中之其他氧化物包括La2O3、MgO、SiO2、TiO2及ZrO2。將焊條浸入熔融ESR助焊劑中，由此轉移足以熔煉焊條端部之熱。焊條進入助焊劑之浸入深度典型地為6至12mm，且以習知方式加以控制，例如，藉由電阻擺動或電壓擺動自動控制迴路。該控制迴路可量測電阻或電壓擺動自設定點之偏移且在適當方向上調節焊條位置以維持所要設定點對應於浸入深度。在某些非限制性實施例中，ESR第二控制迴路在恆定電流設定點熔融或利用荷重感測器來量測每單位時間之熔融速率。若使用熔融速率控制，則可調節所施加之電流以維持所要熔融速率設定點。
再次參考圖3，四重熔煉序列100之第一VAR操作106包括對ESR操作104中所製備之合金焊條進行真空電弧重熔。一般可用如熟習此項技術者已知的習知方式來進行第一VAR操作106。VAR焊條可能需要研磨以移除俘獲在最外表面層中之ESR助焊劑。在某些非限制性實施例中，焊條可焊接於包括能夠傳輸來自VAR熔爐之例如至少15kW電能之配合表面的非可消耗連桿頭。VAR製程使電流通過焊條與下方直接形成之所得熔融鑄錠之間。啟動製程使電流直接通至基板，諸如，例如水冷卻之銅基板。銅基板不會熔融，因為其高導熱率將所產生之熱能快速傳輸至冷卻水中，使得基板溫度不超過銅之熔融溫度。VAR製程典型地在焊條端部與熔融鑄錠頂部之間維持相對恆定之習知支距距離(弧隙)，例如，6至12mm。在不同的實施例中，支距距離控制迴路自動量測電壓且在適當方向上調節焊條位置以維持設定點對應於所要支距距離。在某些實施例中，VAR第二控制迴路在恆定電流設定點熔融或利用荷重感測器來量測每單位時間之熔融速率。若控制迴路使用熔融速率控制，則可調節所施加之電流以維持所要熔融速率設定點。
再次參考圖3，四重熔煉序列100之第二VAR操作108包括對第一VAR操作106中所製備之合金焊條進行真空電弧重熔。一般可用如熟習此項技術者已知的習知方式來進行第二VAR操作108。在某些非限制性實施例中，舉例而言，用與第一VAR操作相同的方式進行第二VAR操作。可能需要對第一VAR鑄錠進行表面研磨以移除表面上或附近所存在之在第一VAR操作期間積聚之氧化物。在不同的實施例中，對第二VAR步驟應用相同的控制迴路及方法以控制支距及熔煉電流及/或熔融速率。合金組成決定熔析傾向性，由此又限制為了避免存在有害相所需之固化條件。有害相可包括例如具有異常高分數之碳化物沈澱及/或一般充當可降低材料局部延展性之應力集中點的拓撲密排(TCP)相沈澱的區域。可將弧隙與熔融速率之組合控制在合金組成依賴性最小及最大範圍內，以便將固化速率控制在一定的範圍內以產生無過度分數之有害相的結構。熟習此項技術者可容易地確定VAR操作之有利操作參數而不需要過度工作及實驗。為了提高指定熔融速率及弧隙下之固化速率，在不同的非限制性實施例中，可將惰性氣體引入銅坩堝與VAR鑄錠之間由於與VAR鑄錠之固化及冷卻相關之收縮而出現的間隙中。惰性氣體之導熱率可比否則將存在於間隙中之真空的導熱率高出數個數量級。
本發明之四重熔煉方法可用於任何合金，其基元素或主要組分為釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑及金中之任一者。(如本文中所使用，若元素之重量百分比超過合金中之其他元素，則該元素為該合金之「主要組分」。)可使用本發明之四重熔煉方法處理之特定工業上重要之合金的非限制性清單包括：鎳基合金及超合金，包括例如合金718(UNS N07718)、合金720(UNS N07720)及Rene 65合金；鈷基合金及超合金，包括例如L605合金(UNS R30605)；鎳-鈷基合金，包括例如MP35N合金(UNS R30035)；及鎳-鉻-鉬合金，包括例如C-22合金(UNS N06022)。彼等合金各自之組成為熟知的且提供於下表中(該等合金亦可包括少量雜質)。
根據本發明之方法之實施例可改良合金潔淨度，從而增加性質效能，其中微結構不連續性為不利的。對疲勞破壞之抗性為將受益於改良之合金潔淨度的機械性質的一個實例。改良之合金潔淨度可藉由提高對裂縫形成及/或現存裂縫蔓延之抗性而改良疲勞效能。腐蝕為可藉由較低微結構不連續性比率來增強效能的另一性質。當前藉由VIM+ESR+VAR之三重熔煉方法處理市售718、720及Rene 65合金以提供例如航太渦輪發動機核心中作為發動機盤體之材料。本發明之發明者相信，若根據本發明之方法進行處理，則可增強此等合金之疲勞效能，從而使得由該等合金製造之發動機組件能夠具有更久使用壽命，或在維持當前使用壽命的同時允許部件之重量更輕。諸如C-22合金及MP35N合金之合金往往用於極端腐蝕性環境中，其中提高合金潔淨度 可改良合金效能。此對於麻點腐蝕效能尤其如此，其中微結構不連續性可能引發腐蝕反應。
根據用於熔煉及精煉合金718之本發明方法的一個非限制性實施例，該方法包括VIM+ESR+VAR+VAR序列。較佳在小於100微米壓力之真空度下用習知方式進行初始VIM步驟，以允許不超過最低限度之氛圍污染，從而抑制或防止過度吸收氮氣。對VIM步驟中所生產之焊條進行研磨以減少表面氧化物含量。用習知方式進行使用該等焊條之ESR操作以提供6至20磅/分鐘之熔融速率範圍。藉由研磨來處理ESR步驟中所生產之鑄錠以便自鑄錠表面移除ESR助焊劑，隨後進行第一VAR步驟。較佳在小於20微米壓力之真空度(以允許僅最低限度之氛圍污染)、處於6至12mm範圍內之弧隙及處於6至20磅/分鐘範圍內之熔融速率下理想地進行第一VAR步驟。可藉由研磨來處理此步驟中所生產之第一VAR鑄錠以移除含有高於鑄錠內部之氧化物含量的鑄錠表面層。將第一VAR鑄錠用作第二VAR步驟之焊條。較佳在小於20微米壓力之真空度(以允許僅最低限度之氛圍污染)、處於6至12mm範圍內之弧隙及處於6至20磅/分鐘範圍內之熔融速率下進行第二VAR步驟。在該方法之一較佳實施例中，在VIM+ESR+VAR+VAR序列之各連續階段中生產較大直徑鑄錠(例如直徑比先前鑄錠大2至4吋)以最大化工業效率，但必要時可在階段之間使用回爐以適應設備限制。回爐將在例如2175℉(1190℃)下使先前鑄錠均質化至少24小時，隨後鍛造至適當較小直徑。在本發明方法之一個非限制性實例中，可藉由該方法生產合金718以便提供14吋VIM鑄錠、17吋ESR鑄錠、20吋VAR(第一VAR步驟)鑄錠及隨後22吋VAR(第二VAR步驟)鑄錠。當需要較大重量部件時，諸如用於發電之陸基燃氣渦輪機之部件，可藉由該方法之一個非限制性實施例來生產合金718，以便提供36吋VIM鑄錠、40吋ESR鑄錠、隨後進行中間回爐步驟、36吋VAR(第一VAR步驟)鑄錠及隨後40 吋VAR(第二VAR步驟)鑄錠。
根據用於熔煉及精煉合金720之本發明方法的一個非限制性實施例，該方法包括VIM+ESR+VAR+VAR序列。較佳在小於100微米壓力之真空度下用習知方式進行初始VIM步驟，以允許不超過最低限度之氛圍污染，從而抑制或防止過度吸收氮氣。可對VIM步驟中所生產之焊條進行研磨以減少表面氧化物含量。利用由使用6至20磅/分鐘之熔融速率範圍的VIM操作生產的焊條以習知方式進行ESR。藉由研磨來處理ESR步驟中所生產之鑄錠以便自鑄錠表面移除ESR助焊劑，且隨後對該鑄錠進行第一VAR步驟。較佳在小於20微米壓力之真空度(以允許僅最低限度之氛圍污染)、處於6至12mm範圍內之弧隙及處於6至20磅/分鐘範圍內之熔融速率下進行第一VAR步驟。可藉由研磨來處理第一VAR鑄錠以移除鑄錠之較高氧化物表面層，且隨後將該鑄錠用作第二VAR步驟之焊條。較佳在小於20微米壓力之真空度(以允許僅最低限度之氛圍污染)、處於6至12mm範圍內之弧隙及處於6至9磅/分鐘範圍內之熔融速率下進行第二VAR步驟(合金720與合金718相比具有較高熔析傾向性)。在該方法之一較佳實施例中，在VIM+ESR+VAR+VAR序列之各連續階段中生產較大直徑鑄錠(例如直徑比先前鑄錠大2至4吋)以最大化工業效率，但必要時可在階段之間使用回爐以適應設備限制。回爐將在例如2175℉(1190℃)下使先前鑄錠均質化至少24小時，隨後鍛造至適當較小直徑。在本發明方法之一個非限制性實例中，可藉由該方法生產合金720以便提供18吋VIM鑄錠、20吋ESR鑄錠、22吋VAR(第一VAR步驟)鑄錠及隨後24吋VAR(第二VAR步驟)鑄錠。當需要較大重量部件時，諸如用於發電之陸基燃氣渦輪機之部件，在一個非限制性實施例中，可藉由該方法來生產合金720，以便提供24吋VIM鑄錠、26吋ESR鑄錠、隨後進行中間回爐步驟、24吋VAR(第一VAR步驟)鑄錠及隨後26吋VAR(第二VAR步驟)鑄錠。
根據用於熔煉及精煉MP35N合金之本發明方法的一個非限制性實施例，該方法包括VIM+ESR+VAR+VAR序列。較佳在小於100微米壓力之真空度下用習知方式進行初始VIM步驟，以允許不超過最低限度之氛圍污染，從而抑制或防止過度吸收氮氣，且對VIM步驟中所生產之焊條進行研磨以減少表面氧化物含量。使用6至20磅/分鐘之熔融速率範圍對VIM步驟中所生產之焊條進行ESR。對ESR步驟中所生產之鑄錠進行表面研磨以便自鑄錠表面移除ESR助焊劑，且隨後對該鑄錠進行第一VAR步驟。較佳在小於20微米壓力之真空度(以限制氛圍污染)、處於6至12mm範圍內之弧隙及處於6至20磅/分鐘範圍內之熔融速率下進行第一VAR步驟。可藉由研磨來處理第一VAR鑄錠以移除鑄錠之較高氧化物表面層，且將該鑄錠用作第二VAR步驟之焊條，該步驟較佳在小於20微米壓力之真空度(以允許僅最低限度之氛圍污染)、6至12mm弧隙及處於6至15磅/分鐘範圍內之熔融速率下進行(MP35N合金與合金718相比具有較高熔析傾向性)。在該方法之一較佳實施例中，在VIM+ESR+VAR+VAR序列之各連續階段中生產較大直徑鑄錠(例如直徑比先前鑄錠大2至4吋)以最大化工業效率，但必要時可在階段之間使用回爐以適應設備限制。回爐將在例如2175℉(1190℃)下使先前鑄錠均質化至少24小時，隨後鍛造至適當較小直徑。在本發明方法之一個非限制性實例中，可藉由該方法生產MP35N合金以便提供18吋VIM鑄錠、20吋ESR鑄錠、22吋VAR(第一VAR步驟)鑄錠及隨後24吋VAR(第二VAR步驟)鑄錠。
儘管以上描述已僅必要地呈現有限數目之實施例，但熟習此項技術者應瞭解，熟習此項技術者可對本文中已描述及說明之實例的方法及系統及其他細節進行各種變化，且所有此種修改將仍在如本文中及所附申請專利範圍中所表述之本發明內容之原則及範疇內。舉例而言，儘管本發明已僅必要地呈現加熱模式及熱源速度之有限數目之實 施例，但應理解，本發明及相關申請專利範圍並不因此受限。熟習此項技術者將容易地鑑別其他加熱模式且可使用其他類似且在本文中所論述之經必要限制數目之實施例之精神之內的熱源速度。因此，應理解，本發明不限於本文中所揭示或併入之特定實施例，而是意欲涵蓋處於如申請專利範圍所定義之本發明原則及範疇之內的修改。熟習此項技術者亦應瞭解，可對以上實施例進行改變而不背離其廣泛發明原理。
100‧‧‧四重熔煉序列
102‧‧‧VIM操作；對起始材料進行真空感應熔煉
104‧‧‧ESR操作；對VIM合金進行電渣重熔
106‧‧‧第一VAR操作；對ESR合金進行真空電弧重熔
108‧‧‧第二VAR操作；對VAR合金進行真空電弧重熔

Claims (34)

  1. 一種熔煉及精煉合金之方法，該方法包括：對起始材料進行真空感應熔煉以提供真空感應熔煉合金；對該真空感應熔煉合金之至少一部分進行電渣重熔以提供電渣重熔合金；對該電渣重熔合金之至少一部分進行真空電弧重熔以提供單次真空次真空電弧重熔合金；及真空電弧重熔該真空電弧重熔合金之至少一部分以提供二次真空電弧重熔合金。
  2. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金主要包含釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑及金之一。
  3. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金為鎳基合金。
  4. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金具有合金718之組成。
  5. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：50.0至55.0 Ni；至多1.0 Co；17.0至21.0 Cr；至多0.35 Mn；2.8至3.3 Mo；4.75至5.50 Nb；0.65至1.15 Ti；0.2至0.8 Al；至多0.35 Si；至多0.08 C；至多0.006 B；及Fe。
  6. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金具有合金720之組成。
  7. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：50.0至55.0 Ni；至多1.0 Co；17.0至21.0 Cr；至多0.35 Mn；2.8至3.3 Mo；4.75至5.50 Nb；0.65至1.15 Ti；0.2至0.8 Al；至多0.35 Si；至多0.08 C；至多0.006 B；及Fe。
  8. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金具有Rene 65合金之組成。
  9. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：12.5至13.5 Co；15.5至16.5 Cr；0.75至1.20 Fe；3.8至4.2 Mo；3.8至4.2 W；0.6至0.8 Nb；3.55至3.90 Ti；1.95至2.30 Al；0.03至0.06 Zr；0.005至0.011 C；0.01至0.02 B；及Ni。
  10. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金為鎳-鈷基合金。
  11. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金具有MP35N合金之組成。
  12. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：33.0至37.0 Ni；19.0至21.0 Cr；至多1.0 Fe；至多0.15 Mn；9.0至10.5 Mo；至多1.0 Ti；至多0.15 Si；至多0.025 C；及Co。
  13. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金為鈷基合金。
  14. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金為鎳-鉻-鉬合金。
  15. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金具有C-22合金之組成。
  16. 如請求項1之方法，其中該真空感應熔煉合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：至多2.5 Co；20.0至22.5 Cr；2.0至6.0 Fe；至多0.50 Mn；12.5至14.5 Mo；2.5至3.5 W；至多0.08 Si；至多0.015 C；及Ni。
  17. 如請求項1之方法，其中真空電弧重熔包括在坩堝中形成真空電弧重熔鑄錠，且其中在該等真空電弧重熔步驟中之至少一者中將惰性氣體引入介於該坩堝與該鑄錠之間的間隙中。
  18. 一種熔煉及精煉合金之方法，該方法包括：對起始材料進行真空感應熔煉以提供合金；對該合金之至少一部分進行電渣重熔以提供第一鑄錠；對該第一鑄錠之至少一部分進行真空電弧重熔以提供第二鑄 錠；及對該第二鑄錠之至少一部分進行真空電弧重熔。
  19. 如請求項18之方法，其中該合金主要包含釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑及金之一。
  20. 如請求項18之方法，其中該合金為鎳基合金。
  21. 如請求項18之方法，其中該合金具有合金718之組成。
  22. 如請求項18之方法，其中該合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：50.0至55.0 Ni；至多1.0 Co；17.0至21.0 Cr；至多0.35 Mn；2.8至3.3 Mo；4.75至5.50 Nb；0.65至1.15 Ti；0.2至0.8 Al；至多0.35 Si；至多0.08 C；至多0.006 B；及Fe。
  23. 如請求項18之方法，其中該合金具有合金720之組成。
  24. 如請求項18之方法，其中該合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：50.0至55.0 Ni；至多1.0 Co；17.0至21.0 Cr；至多0.35 Mn；2.8至3.3 Mo；4.75至5.50 Nb；0.65至1.15 Ti；0.2至0.8 Al；至多0.35 Si；至多0.08 C；至多0.006 B；及Fe。
  25. 如請求項18之方法，其中該合金具有Rene 65合金之組成。
  26. 如請求項18之方法，其中該合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：12.5至13.5 Co；15.5至16.5 Cr；0.75至1.20 Fe；3.8至4.2 Mo；3.8至4.2 W；0.6至0.8 Nb；3.55至3.90 Ti；1.95至2.30 Al；0.03至0.06 Zr；0.005至0.011 C；0.01至0.02 B；及Ni。
  27. 如請求項18之方法，其中該合金為鎳-鈷基合金。
  28. 如請求項18之方法，其中該合金具有MP35N合金之組成。
  29. 如請求項18之方法，其中該合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：33.0至37.0 Ni；19.0至21.0 Cr；至多1.0 Fe；至多0.15 Mn；9.0至10.5 Mo；至多1.0 Ti；至多0.15 Si；至多0.025 C；及Co。
  30. 如請求項18之方法，其中該合金為鈷基合金。
  31. 如請求項18之方法，其中該合金為鎳-鉻-鉬合金。
  32. 如請求項18之方法，其中該合金具有C-22合金之組成。
  33. 如請求項18之方法，其中該真空感應熔煉合金以總合金重量計以如下重量百分比包含：至多2.5 Co；20.0至22.5 Cr；2.0至6.0 Fe；至多0.50 Mn；12.5至14.5 Mo；2.5至3.5 W；至多0.08 Si；至多0.015 C；及Ni。
  34. 如請求項18之方法，其中真空電弧重熔包括在坩堝中形成真空電弧重熔鑄錠，且其中在該等真空電弧重熔步驟中之至少一者中將惰性氣體引入介於該坩堝與該鑄錠之間的間隙中。
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