本發(fā)明屬于高溫合金冶煉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鎳基高溫合金多級(jí)脫氧真空感應(yīng)熔煉方法。

背景技術(shù)：

氧作為鎳基高溫合金中有害雜質(zhì)元素，易與親氧的金屬元素形成氧化物夾雜。這些高熔點(diǎn)的氧化物夾雜不僅消耗了一部分合金元素，而且在以后的熔煉或熱處理過(guò)程中很難消除并且在鎳基高溫合金服役過(guò)程中易成為裂紋的萌生源和裂紋的擴(kuò)展通道，降低高溫合金的持久、疲勞和蠕變性能。研究表明，當(dāng)氧含量降低到50ppm以下時(shí)，高溫合金的斷裂壽命顯著提高。因此，需要對(duì)高溫合金液進(jìn)行脫氧處理，以降低鎳基高溫合金的氧含量，從而提高高溫合金的性能。而真空感應(yīng)熔煉作為鎳基高溫合金的第一道熔煉工序，對(duì)脫氧有著至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鎳基高溫合金多級(jí)脫氧真空感應(yīng)熔煉方法，用以降低鎳基高溫合金注定中的氧含量。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種鎳基高溫合金多級(jí)脫氧真空感應(yīng)熔煉方法，具體包括以下步驟：

步驟1，將鎳基高溫合金的原材料進(jìn)行分類(lèi)，分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為原材料中氧元素含量的高低、原材料中主體元素對(duì)氧元素的親和力強(qiáng)弱以及主體元素對(duì)碳元素在熔體中活度的影響；

步驟2，按照原料分類(lèi)分別對(duì)原料依次進(jìn)行三級(jí)脫氧熔煉和精煉；

步驟3，三次精煉后，對(duì)爐室充氬氣至≥10000Pa并加入微量元素和低熔點(diǎn)合金元素，然后進(jìn)行電磁攪拌一定時(shí)間后將溫度調(diào)到澆注溫度設(shè)定范圍內(nèi)澆注。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

步驟2具體為：將碳與氧元素含量較低以及主體元素對(duì)氧的親和力不強(qiáng)的原材料優(yōu)先裝爐熔煉和精煉；然后將含有的主體元素能夠提高熔體中碳元素活度的原材料進(jìn)行裝爐熔煉和精煉；最后加入對(duì)氧元素親和力較強(qiáng)且在熔煉過(guò)程中其氧化物能夠形成渣的原材料，對(duì)其進(jìn)行熔煉和精煉。

對(duì)氧元素親和力較強(qiáng)且在熔煉過(guò)程中其氧化物能夠形成渣的原材料為Al和Ti。

一級(jí)精煉溫度為1490-1510℃，精煉時(shí)間為30-40分鐘。

二級(jí)精煉溫度為1480-1500℃，精煉時(shí)間為20-30分鐘。

三級(jí)精煉溫度為1460-1480℃，精煉時(shí)間為20-30分鐘。

熔煉和精煉過(guò)程中真空度小于0.1Pa。

精煉過(guò)程中施加電磁攪拌，以促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程。

本發(fā)明的有益效果是，

1.本發(fā)明為鎳基高溫合金在冶煉過(guò)程中降低氧含量提供了一種新工藝，可以有效去除鎳基高溫合金中的氧元素。

2.本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，可行性高，應(yīng)用范圍廣。

3.本發(fā)明為鎳基高溫合金冶煉過(guò)程中其他雜質(zhì)元素的去除提供了一個(gè)可行且高效的方法?；诒景l(fā)明可以有效提高鎳基高溫合金的純凈度，可以有效提高鎳基高溫合金的性能。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明一種鎳基高溫合金多級(jí)脫氧真空感應(yīng)熔煉方法，第一級(jí)脫氧主要是將與氧元素親和力較低的原材料中的氧元素通過(guò)碳與氧反應(yīng)形成一氧化碳而去除，第二級(jí)脫氧主要是添加能夠提高碳元素在高溫合金熔體中活度的原材料進(jìn)一步促進(jìn)碳的脫氧反應(yīng)，第三級(jí)脫氧主要是添加易于氧元素在熔體中形成渣的原材料進(jìn)行深度脫氧。本發(fā)明的脫氧過(guò)程在精煉過(guò)程中進(jìn)行，在此過(guò)程中通過(guò)電磁攪拌的方法促進(jìn)脫氧劑與氧元素的反應(yīng)。具體包括以下步驟：

步驟1，將鎳基高溫合金的原材料進(jìn)行分類(lèi)，分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為原材料中氧元素含量的高低、原材料中主體元素對(duì)氧元素的親和力強(qiáng)弱以及主體元素對(duì)碳元素在熔體中活度的影響；

步驟2，將碳與氧元素含量較低以及主體元素對(duì)氧的親和力不強(qiáng)的原材料優(yōu)先裝爐熔煉和精煉；然后將含有的主體元素能夠提高熔體中碳元素活度的原材料進(jìn)行裝爐熔煉和精煉；最后加入對(duì)氧元素親和力較強(qiáng)且在熔煉過(guò)程中其氧化物能夠形成渣的原材料，對(duì)其進(jìn)行熔煉和精煉；

一級(jí)精煉溫度為1490-1510℃，精煉時(shí)間為30-40分鐘。

二級(jí)精煉溫度為1480-1500℃，精煉時(shí)間為20-30分鐘。

三級(jí)精煉溫度為1460-1480℃，精煉時(shí)間為20-30分鐘。

熔煉和精煉過(guò)程中真空度小于0.1Pa。

精煉過(guò)程中施加電磁攪拌，以促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程。

步驟3，三次精煉后，對(duì)爐室充氬氣(≥10000Pa)并加入微量元素和低熔點(diǎn)元素，然后進(jìn)行電磁攪拌約5-15分鐘后將溫度調(diào)到澆注溫度設(shè)定范圍內(nèi)澆注。

本發(fā)明在冶煉過(guò)程中，真空度維持在0.1Pa以下，并且在合適的精煉溫度下施加電磁攪拌使不同熔煉階段的脫氧劑與氧元素充分接觸反應(yīng)除氧并且有利于渣聚集上浮，使得氧元素逐級(jí)減少。本發(fā)明在不需要加入非高溫合金組成元素的前提下，能夠有效降低高溫合金中的氧元素，操作簡(jiǎn)單，方法適用范圍廣。

本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下：

為了減少合金元素與氧反應(yīng)生成氧化物而消耗并且增加氧的脫除率，根據(jù)原材料中氧元素高低，合金元素對(duì)氧元素的親和力強(qiáng)弱和以及主體元素對(duì)碳元素在熔體中活度的影響，本發(fā)明采用分批次加料并且在較低的真空度下(小于0.1Pa)進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉和精煉，對(duì)高溫合金液進(jìn)行分級(jí)脫氧處理，在精煉過(guò)程中通過(guò)電磁攪拌作用促進(jìn)氧元素的擴(kuò)散、增大脫氣面積以及增加與脫氧劑的反應(yīng)，從而促進(jìn)氧元素含量的降低。

在高溫合金熔煉過(guò)程中氧元素的脫除效率不僅與爐室的真空度，原材料中的含氧量和脫氧劑的濃度有關(guān)，還與熔體中脫氧劑和氧的活度存在直接關(guān)系。高溫合金熔煉過(guò)程中的脫氧劑主要有碳和鋁。在一定真空度下，碳的初始脫氧效果較好，并且其氧化產(chǎn)物為一氧化碳，不會(huì)污染高溫合金，而鋁和原材料中的其他易氧化金屬元素與氧反應(yīng)可能產(chǎn)生夾雜物對(duì)高溫合金性能不利。因此，需要對(duì)氧元素進(jìn)行分級(jí)脫除，避免有利的親氧金屬元素形成氧化物夾雜而過(guò)度消耗。然而，當(dāng)碳脫氧時(shí)高溫合金液中氧含量降低到約20ppm時(shí)，氧含量不能繼續(xù)降低，此時(shí)氧的脫除主要受控于動(dòng)力學(xué)過(guò)程，一些金屬元素能夠提高碳或氧的活度促進(jìn)碳的脫氧反應(yīng)進(jìn)行，比如鉻能夠提高碳在高溫合金熔體中的活度，此時(shí)加鉻能夠促進(jìn)碳脫氧。在脫氧后期碳和氧反應(yīng)達(dá)到平衡后，通過(guò)添加與氧親和力較大并且其氧化產(chǎn)物易形成渣并富集在坩鍋壁和熔體表面而去除的主體元素，比如鋁與氧反應(yīng)以渣的形式脫除。因此，根據(jù)高溫合金熔煉過(guò)程中氧元素的含量高低，脫氧劑與氧的親和力強(qiáng)弱以及脫氧劑在高溫合金熔體中的活度大小，在高溫合金冶煉過(guò)程中實(shí)行多級(jí)脫氧。

實(shí)施例1

GH4720Li合金的真空感應(yīng)熔煉。

步驟1，第一次裝爐

1.1將重量較多的原材料按照含氧元素高低以及主體元素與氧的親和力強(qiáng)弱分類(lèi)：真空脫氣鉻(含氧330ppm)、NiW合金(含氧280ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、其他原材料含氧元素較低。由于真空脫氣鉻含氧元素最多，與氧的親和力較強(qiáng)，并且鉻元素能夠增加碳元素在熔體中的活度。因此先對(duì)NiMo和NiW合金進(jìn)行冶煉脫氧，然后再加入真空脫氣Cr冶煉脫氧。

1.2將電解鎳、電解鈷、真空脫氣鉻等表面進(jìn)行滾磨處理，處理完后表面呈金屬金屬亮色，然后與鎳鉬合金、鎳鎢合金、海綿鈦和純鋁原材料在100℃下進(jìn)行48小時(shí)干燥。

1.3在坩堝中從下到上依次裝入80％Ni、全部Co、全部C、全部NiMo、全部NiW、20％Ni。

步驟2，第一次熔煉和精煉

2.1對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐抽空，當(dāng)真空度小于0.1Pa時(shí)，開(kāi)始送電熔煉。熔煉的初始功率為100kw呈階梯狀緩慢升高至450kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后所加原材料熔清，并且熔體表面沒(méi)有出現(xiàn)沸騰狀。

2.2進(jìn)入第一次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1510℃，然后將功率降至100kw在精煉溫度保溫40分鐘后第一次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)碳與氧氣的反應(yīng)并且使真空度小于0.1Pa。

步驟3，第二次裝爐

第一次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結(jié)膜，然后通過(guò)料倉(cāng)加入真空脫氣鉻。

步驟4，第二次熔煉和精煉

4.1待真空脫氣鉻加完后，將功率升高至500kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后熔清且熔體表面未發(fā)現(xiàn)沸騰。

4.2進(jìn)入第二次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1500℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫30分鐘后第二次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程并且使真空度小于0.1Pa。

步驟5，第三次裝爐

第二次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結(jié)膜，然后通過(guò)料倉(cāng)加入Ti和Al。

步驟6，第三次熔煉和精煉

6.1待Al和Ti加完后，將功率升高至200kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后熔清且熔體表面未發(fā)現(xiàn)沸騰。

6.2進(jìn)入第三次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1480℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫30分鐘后第三次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程并且使真空度小于0.1Pa。

步驟7，澆注

三次精煉結(jié)束后，將功率調(diào)到100kw保溫，充氬氣到20000Pa，然后加入NiB、Zr和NiMg，經(jīng)過(guò)15分鐘的電磁攪拌，微量合金全部熔化后將溫度調(diào)到1480℃澆注。

實(shí)施例2

GH4698合金的真空感應(yīng)熔煉。

步驟1，第一次裝爐

1.1將重量較多的原材料按照含氧元素高低以及主體元素與氧的親和力強(qiáng)弱分類(lèi)：NiNb合金(含氧840ppm)、真空脫氣鉻(含氧330ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、其他原材料含氧元素較低。由于NiNb合金含氧元素最多，真空脫氣鉻中氧元素含量次之，鉻元素與氧的親和力較強(qiáng)，并且能夠增加碳元素在熔體中的活度。而且NiMo合金含氧較少，與氧的親和力不高，因此先加入NiMo合金進(jìn)行熔煉脫氧，然后再加入真空脫氣鉻和NiNb合金熔煉脫氧。

1.2將電解鎳、NiMo合金、真空脫氣鉻等表面進(jìn)行滾磨處理，處理完后表面呈金屬金屬亮色，然后與鎳鈮合金、海綿鈦和純鋁原材料在100℃下進(jìn)行48小時(shí)干燥。

1.3在坩堝中從下到上依次裝入80％Ni、全部C、全部NiMo和20％Ni。

步驟2，第一次熔煉和精煉

2.1對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐抽空，當(dāng)真空度小于0.1Pa時(shí)，開(kāi)始送電熔煉。熔煉的初始功率為100kw呈階梯狀緩慢升高至400kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后所加原材料熔清，并且熔體表面沒(méi)有出現(xiàn)沸騰狀。

2.2進(jìn)入第一次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1490℃，然后將功率降至100kw在精煉溫度保溫30分鐘后第一次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)碳與氧氣的反應(yīng)并且使真空度小于0.1Pa。

步驟3，第二次裝爐

第一次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結(jié)膜，然后通過(guò)料倉(cāng)加入真空脫氣鉻和NiNb合金。

步驟4，第二次熔煉和精煉

4.1待真空脫氣鉻加完后，將功率升高至500kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后熔清且熔體表面未發(fā)現(xiàn)沸騰。

4.2進(jìn)入第二次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1480℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫25分鐘后第二次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程并且使真空度小于0.1Pa。

步驟5，第三次裝爐

第二次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結(jié)膜，然后通過(guò)料倉(cāng)加入Al和Ti。

步驟6，第三次熔煉和精煉

6.1待Al和Ti加完后，將功率升高至200kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后熔清且熔體表面未發(fā)現(xiàn)沸騰。

6.2進(jìn)入第三次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1470℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫25分鐘后第三次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程并且使真空度小于0.1Pa。

步驟7，澆注

三次精煉結(jié)束后，將功率調(diào)到100kw保溫，充氬氣到20000Pa，然后加入NiB、Zr、NiMg和Ce，經(jīng)過(guò)15分鐘的電磁攪拌，微量合金全部熔化后將溫度調(diào)到1470℃澆注。

實(shí)施例3

GH4169合金的真空感應(yīng)熔煉。

步驟1，第一次裝爐

1.1將重量較多的原材料按照含氧元素高低以及主體元素與氧的親和力強(qiáng)弱分類(lèi)：NiNb合金(含氧840ppm)、真空脫氣鉻(含氧330ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、純Fe(含氧200ppm)、其他原材料含氧元素較低。由于NiNb合金氧元素最多，真空脫氣鉻中氧元素含量次之，鉻元素與氧的親和力較強(qiáng)，并且能夠增加碳元素在熔體中的活度。而且NiMo合金和純鐵含氧較少，初始階段加C比較容易將NiMo合金和純鐵中的氧元素除去，因此先加入NiMo合金和純鐵進(jìn)行熔煉脫氧，然后再加入真空脫氣鉻和NiNb合金熔煉脫氧。

1.2將電解鎳、NiMo合金、純Fe和真空脫氣鉻等表面進(jìn)行滾磨處理，處理完后表面呈金屬金屬亮色，然后與鎳鈮合金、海綿鈦和純鋁原材料在100℃下進(jìn)行48小時(shí)干燥。

1.3在坩堝中從下到上依次裝入80％Ni、全部純Fe、全部C、全部Co、全部NiMo和20％Ni。

步驟2，第一次熔煉和精煉

2.1對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐抽空，當(dāng)真空度小于0.1Pa時(shí)，開(kāi)始送電熔煉。熔煉的初始功率為100kw呈階梯狀緩慢升高至400kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后所加原材料熔清，并且熔體表面沒(méi)有出現(xiàn)沸騰狀。

2.2進(jìn)入第一次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1500℃，然后將功率降至100kw在精煉溫度保溫35分鐘后第一次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)碳與氧氣的反應(yīng)并且使真空度小于0.1Pa。

步驟3，第二次裝爐

第一次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結(jié)膜，然后通過(guò)料倉(cāng)加入真空脫氣鉻和NiNb合金。

步驟4，第二次熔煉和精煉

4.1待真空脫氣鉻加完后，將功率升高至500kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后熔清且熔體表面未發(fā)現(xiàn)沸騰。

4.2進(jìn)入第二次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1490℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫20分鐘后第二次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程并且使真空度小于0.1Pa。

步驟5，第三次裝爐

第二次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結(jié)膜，然后通過(guò)料倉(cāng)加入Al和Ti。

步驟6，第三次熔煉和精煉

6.1待Al和Ti加完后，將功率升高至150kw，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔煉后熔清且熔體表面未發(fā)現(xiàn)沸騰。

6.2進(jìn)入第三次精煉期，調(diào)節(jié)精煉溫度為1460℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫20分鐘后第三次取樣，精煉過(guò)程中施加電磁攪拌促進(jìn)熔體的脫氣過(guò)程并且使真空度小于0.1Pa。

步驟7，澆注

三次精煉結(jié)束后，將功率調(diào)到100kw保溫，充氬氣到20000Pa，然后加入NiB、Mn、NiMg和NiP，經(jīng)過(guò)15分鐘的電磁攪拌，微量合金全部熔化后將溫度調(diào)到1460℃澆注。

采用本發(fā)明方法對(duì)不同牌號(hào)的鎳基高溫合金GH4698、GH4720和GH4169進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，逐級(jí)降低了熔體中的氧含量，具體結(jié)果見(jiàn)下表。