本發(fā)明涉及合金冶煉方法，具體涉及一種鎳基高溫合金的冶煉方法。

背景技術(shù)：
航空航天以及民用高溫合金真空冶煉的技術(shù)難點(diǎn)在于，嚴(yán)格控制合金中的氣體含量(氧，氮，氫)，目前按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，許多合金中氧、氮含量一般在20ppm左右。只有降低合金中的有害雜質(zhì)含量，減少合金元素的偏析，提高合金熔液的純凈度，才能達(dá)到提高合金的使用性能和壽命。然而，真空冶煉過程是一個(gè)十分復(fù)雜的熱加工工藝過程，任何一個(gè)工藝步驟的設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)合金的氣體含量，雜質(zhì)含量以及合金的性能有重要影響。合金中的O，N，S在合金溶液中會(huì)形成非金屬夾雜物，如(Al2O3)，(Ti，Ta)C/N，(Ti，Ta)S合金中非金屬夾雜物的多少和形態(tài)都會(huì)對(duì)合金綜合性能有重大影響。此外合金熔液的純凈度是衡量母合金錠質(zhì)量和制造水平的重要指標(biāo)。真空冶煉中是以碳為主要脫氧元素，由于碳的分解反應(yīng)而達(dá)到將金屬溶液的氧脫除，從而達(dá)到減少合金中的氣體含量，純凈金屬溶液，提高合金質(zhì)量的目的。隨著碳脫氧反應(yīng)的進(jìn)行，一氧化碳?xì)怏w的溢出，將合金中的氫、氮有害氣體帶出。氧含量越低，金屬熔液更易蒸發(fā)，合金中的低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)元素也易于排除。因而，脫氧是真空冶煉過程的一個(gè)關(guān)鍵步驟，脫氧效果直接決定了合金中的有害雜質(zhì)含量，決定著能否提高合金使用性能和壽命。在航空使用的合金中，組分一般都包括鋁、鈦、硼等幾種低熔點(diǎn)元素。在加入這些低熔點(diǎn)元素進(jìn)行合金化處理時(shí)，如果不嚴(yán)格控制加入的時(shí)機(jī)、溫度、真空度等因素，則會(huì)產(chǎn)生較大的燒損和揮發(fā)，使合金化學(xué)成分難以控制，從而產(chǎn)生廢品。具體來說，加入鋁、鈦、硼時(shí)的真空度過低或設(shè)備漏氣率大，大量的鋁、鈦、硼元素會(huì)產(chǎn)生氧化燒損，成分難以控制。加入鋁、鈦時(shí)金屬熔液溫度過高，大量的鋁、鈦則會(huì)由于放熱放應(yīng)而產(chǎn)生燒損和揮發(fā)。向金屬熔液中加入鋁、鈦時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的放熱反應(yīng)，尤其是加入量較大時(shí)，金屬熔液放熱反應(yīng)就大。即使鋁、鈦加入時(shí)金屬熔液溫度適宜，但由于一次加入量過大，同樣會(huì)產(chǎn)生燒損和真空揮發(fā)使合金化學(xué)成分難以控制。另外，由于鋁、鈦、硼自身較輕，密度小，在加入到金屬熔液中后，漂浮在金屬熔液表面，極易產(chǎn)生偏析，會(huì)嚴(yán)重影響合金的綜合性能。特別的是，硼的加入時(shí)間也非常重要，加入過早，極易燒損，加入過晚，易分布不均，因此掌握好硼加入的時(shí)間就顯得非常重要。鑒于目前現(xiàn)有技術(shù)的情況，亟需開發(fā)一種化學(xué)成分均勻、低熔點(diǎn)元素?zé)龘p及揮發(fā)少、合金持久性能和室溫拉伸性能強(qiáng)的鎳基高溫合金的冶煉方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種化學(xué)成分均勻、低熔點(diǎn)元素?zé)龘p及揮發(fā)少、合金持久性能和室溫拉伸性能強(qiáng)的鎳基高溫合金的冶煉方法。本發(fā)明所述的鎳基高溫合金的冶煉方法，包括以下步驟：(1)第一步碳脫氧：將占高溫合金總含碳質(zhì)量50％的石墨加入到真空爐坩堝內(nèi)，置于坩堝最底部，向真空爐坩堝內(nèi)加入除鋁、鈦、硼、鎳之外的高溫合金中的所有元素進(jìn)行冶煉；(2)第二步碳脫氧：溫度升至1570～1590℃，向坩堝內(nèi)加入剩余的石墨，精煉，之后降溫；(3)金屬鈣脫氧：加入金屬鈣，全部熔化后，升溫至1550～1570℃，進(jìn)行精煉，精煉過程中搖動(dòng)坩堝，使得上浮到金屬熔液液面的浮渣排到坩堝壁的后部；(4)加入鋁、鈦：降溫至1370～1390℃，向其中加入鋁、鈦，升溫至鋁、鈦全部熔化；(5)加入鎳硼合金：保持溫度1410～1430℃，向其中加入鎳硼合金，升溫至鎳硼合金熔化；(6)冷凍金屬熔液、出鋼澆注：降溫，待溫度降至1360～1380℃，再升溫至1450～1470℃，出鋼澆注。其中：步驟(1)石墨為光譜石墨電極破碎至2～5mm的顆粒。步驟(1)冶煉溫度1560～1580℃，冶煉時(shí)間20～30min。步驟(2)溫度升至1570～1590℃，向坩堝內(nèi)加入剩余的石墨，于功率80KW下精煉20～30min。步驟(3)加入的金屬鈣全部熔化后，再將溫度升至1550～1570℃，于80KW下進(jìn)行精煉10min，精煉5min時(shí)，開始搖動(dòng)坩堝，使得上浮到金屬熔液液面的浮渣排到坩堝壁的后部，進(jìn)行排渣處理。步驟(3)金屬鈣的用量為高溫合金總質(zhì)量的0.02～0.05％。金屬鈣加入量過大，會(huì)在金屬熔液中形成脫氧反應(yīng)夾雜物，因此要嚴(yán)格控制金屬鈣的加入量。加入金屬鈣進(jìn)行深脫氧后要進(jìn)行排渣處理也十分重要。步驟(4)升溫至鋁、鈦全部熔化后，再攪拌3～5min。步驟(5)升溫至鎳硼合金熔化后，再攪拌3～5min。步驟(6)降溫進(jìn)行冷凍金屬熔液可以采用停電后，自然降溫的形式，也可以采用其他降溫形式。本發(fā)明優(yōu)選停電自然降溫的形式。加入鋁、鈦、鎳硼合金時(shí)的真空度≤0.1Pa。硼應(yīng)在熔煉后期，出鋼澆注之前加入。鋁、鈦加入量大時(shí)，應(yīng)分兩批或多批加入，一般鋁為3wt.％左右時(shí)，鈦為3wt.％左右時(shí)，兩次加入即可。如果更多的鋁鈦含量時(shí)應(yīng)考慮更多次地加入。本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明采用二次加碳深脫氧工藝及金屬鈣脫氧工藝，在開始高溫合金冶煉前加入占合金總含碳量的二分之一的石墨，石墨加在坩堝的底部。待金屬全部熔化后升到一定溫度，進(jìn)行二次加碳操作進(jìn)一步進(jìn)行深脫氧，再加入金屬鈣進(jìn)行鈣脫氧；同時(shí)，通過控制鋁、鈦、硼加入時(shí)機(jī)及溫度，使得合金的化學(xué)成分更加均勻，低熔點(diǎn)元素?zé)龘p及揮發(fā)少；冷凍金屬熔液使得在金屬熔液降溫凝固的過程中，溶解在金屬熔液中的有害氣體上浮，利用真空爐冶煉產(chǎn)生的負(fù)壓差將有害氣體進(jìn)一步除去。本發(fā)明進(jìn)一步純凈金屬熔液，從而得到高質(zhì)量的高溫合金，也保證最大限度的降低高溫合金中O，N，H有害氣體的含量和低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)的含量，達(dá)到純凈合金熔液，減少合金元素的偏析，保證合金性能的目的。本發(fā)明提高了高溫合金的持久性能和室溫拉伸性能，合金的綜合力學(xué)性能及合金的質(zhì)量均達(dá)到國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)合金的水平。具體實(shí)施方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。實(shí)施例1按照K414合金的標(biāo)準(zhǔn)采用本發(fā)明的冶煉方法進(jìn)行生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表1所示，性能參數(shù)如表2所示。以200Kg真空爐為例，本發(fā)明的冶煉方法如下：(1)第一步碳脫氧：將占高溫合金總含碳質(zhì)量50％的石墨加入到真空爐坩堝內(nèi)，置于坩堝最底部，向真空爐坩堝內(nèi)加入除鋁、鈦、硼、鎳之外的高溫合金中的所有元素進(jìn)行冶煉；石墨為光譜石墨電極破碎至2～5mm的顆粒；冶煉溫度1570±10℃，冶煉時(shí)間25min；(2)第二步碳脫氧：溫度升至1580±10℃，向坩堝內(nèi)加入剩余的石墨，于功率80KW下精煉25min，之后降溫；(3)金屬鈣脫氧：步驟(3)加入的金屬鈣全部熔化后，再將溫度升至1560±10℃，于80KW下進(jìn)行精煉10min，精煉5min時(shí)，開始搖動(dòng)坩堝，使得上浮到金屬熔液液面的浮渣排到坩堝壁的后部；金屬鈣的用量為高溫合金總質(zhì)量的0.03％。(4)加入鋁、鈦：降溫至1380±10℃，向其中加入鋁、鈦，升溫至鋁、鈦全部熔化，再攪拌5min；(5)加入鎳硼合金：保持溫度1420±10℃，向其中加入鎳硼合金，升溫至鎳硼合金熔化，再攪拌3min，(6)冷凍金屬熔液、出鋼澆注：降溫，待溫度降至1370±10℃，再升溫至1460±10℃，出鋼澆注。加入鋁、鈦、鎳硼合金時(shí)的真空度≤0.1Pa。表1實(shí)施例1合金成分參數(shù)表元素CCrNiMoTiAl標(biāo)準(zhǔn)0.05/0.0818/20余4.5/5.502.50/3.101.20/1.50實(shí)測(cè)0.06519.20余5.402.941.48元素FeBCeSiMnS標(biāo)準(zhǔn)8.00/10.00≤0.005≤0.025≤0.40≤0.40≤0.010實(shí)測(cè)9.280.00460.0040.0340.0080.0011元素PPbBi///標(biāo)準(zhǔn)≤0.015≤0.001≤0.0005///實(shí)測(cè)<0.005<0.0002<0.00003///用德國進(jìn)口ON900型氧氮分析儀測(cè)定氧氮含量：O：8.11ppm，N：8.03ppm。表2實(shí)施例1合金性能參數(shù)表實(shí)施例2按照K414合金的標(biāo)準(zhǔn)采用本發(fā)明的冶煉方法進(jìn)行生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表3所示，性能參數(shù)如表4所示。以200Kg真空爐為例，本發(fā)明的冶煉方法如下：(1)第一步碳脫氧：將占高溫合金總含碳質(zhì)量50％的石墨加入到真空爐坩堝內(nèi)，置于坩堝最底部，向真空爐坩堝內(nèi)加入除鋁、鈦、硼、鎳之外的高溫合金中的所有元素進(jìn)行冶煉；石墨為光譜石墨電極破碎至2～5mm的顆粒；冶煉溫度1590±10℃，冶煉時(shí)間20min；(2)第二步碳脫氧：溫度升至1590±10℃，向坩堝內(nèi)加入剩余的石墨，于功率80KW下精煉20min，之后降溫；(3)金屬鈣脫氧：步驟(3)加入的金屬鈣全部熔化后，再將溫度升至1570±10℃，于80KW下進(jìn)行精煉10min，精煉5min時(shí)，開始搖動(dòng)坩堝，使得上浮到金屬熔液液面的浮渣排到坩堝壁的后部；金屬鈣的用量為高溫合金總質(zhì)量的0.04％。(4)加入鋁、鈦：降溫至1390±10℃，向其中加入鋁、鈦，升溫至鋁、鈦全部熔化，再攪拌3min；(5)加入鎳硼合金：保持溫度1410±10℃，向其中加入鎳硼合金，升溫至鎳硼合金熔化，再攪拌5min，(6)冷凍金屬熔液、出鋼澆注：降溫，待溫度降至1380±10℃，再升溫至1450±10℃，出鋼澆注。加入鋁、鈦、鎳硼合金時(shí)的真空度≤0.1Pa。其余如實(shí)施例1。表3實(shí)施例2合金成分參數(shù)表元素CCrNiMoTiAl范圍0.05/0.0818/20余4.5/5.502.50/3.101.20/1.50實(shí)測(cè)0.06119.05余5.422.951.48元素FeBCeSiMnS范圍8.00/10.00≤0.005≤0.025≤0.40≤0.40≤0.010實(shí)測(cè)9.380.00430.0040.0310.0110.00092元素PPbBi///范圍≤0.015≤0.001≤0.0005///實(shí)測(cè)<0.0055<0.0004<0.00003///用德國進(jìn)口ON900型氧氮分析儀測(cè)定氧氮含量：O：8.15ppm，N：8.01ppm。表4實(shí)施例2合金性能參數(shù)表實(shí)施例3按照K414合金的標(biāo)準(zhǔn)采用本發(fā)明的冶煉方法進(jìn)行生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表5所示，性能參數(shù)如表6所示。以200Kg真空爐為例，本發(fā)明的冶煉方法如下：(1)第一步碳脫氧：將占高溫合金總含碳質(zhì)量50％的石墨加入到真空爐坩堝內(nèi)，置于坩堝最底部，向真空爐坩堝內(nèi)加入除鋁、鈦、硼、鎳之外的高溫合金中的所有元素進(jìn)行冶煉；石墨為光譜石墨電極破碎至2～5mm的顆粒；冶煉溫度1580±10℃，冶煉時(shí)間30min；(2)第二步碳脫氧：溫度升至1570±10℃，向坩堝內(nèi)加入剩余的石墨，于功率80KW下精煉30min，之后降溫；(3)金屬鈣脫氧：步驟(3)加入的金屬鈣全部熔化后，再將溫度升至1550±10℃，于80KW下進(jìn)行精煉10min，精煉5min時(shí)，開始搖動(dòng)坩堝，使得上浮到金屬熔液液面的浮渣排到坩堝壁的后部；金屬鈣的用量為高溫合金總質(zhì)量的0.05％。(4)加入鋁、鈦：降溫至1370±10℃，向其中加入鋁、鈦，升溫至鋁、鈦全部熔化，再攪拌4min；(5)加入鎳硼合金：保持溫度1430±10℃，向其中加入鎳硼合金，升溫至鎳硼合金熔化，再攪拌4min，(6)冷凍金屬熔液、出鋼澆注：降溫，待溫度降至1360±10℃，再升溫至1470±10℃，出鋼澆注。加入鋁、鈦、鎳硼合金時(shí)的真空度≤0.1Pa。其余如實(shí)施例1。表5實(shí)施例3合金成分參數(shù)表元素CCrNiMoTiAl范圍0.05/0.0818/20余4.5/5.502.50/3.101.20/1.50實(shí)測(cè)0.05418.65余5.192.901.48元素FeBCeSiMnS范圍8.00/10.00≤0.005≤0.025≤0.40≤0.40≤0.010實(shí)測(cè)9.040.0030.00270.0340.00720.0012元素PPbBi///范圍≤0.015≤0.001≤0.0005///實(shí)測(cè)<0.005<0.0001<0.00001///用德國進(jìn)口ON900型氧氮分析儀測(cè)定氧氮含量：O：8.2ppm，N：8.07ppm。表6實(shí)施例3合金性能參數(shù)表通過表1-6可以看出，K414合金中氧、氮的含量很低。由于采用了二次加碳深脫氧工藝、金屬鈣脫氧工藝、合金化工藝以及冷凍金屬熔液工藝，合金中的其它有害雜質(zhì)含量明顯下降。最為突出的是合金的室溫拉伸性能和高溫持久性能都有很大地提高。