高温合金真空感应熔炼工艺研究

任 晓，肖 晶

（宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山 753000）

高温合金是制造航空航天发动机热端部件的关键材料，发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平，在先进的航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的40%～60%以上。高温合金材料最初主要应用于航空航天领域，由于其有着优良的耐高温、耐腐蚀等性能，逐渐被应用到电力（火电、核电）、汽车、冶金、石油化工、玻璃制造、原子能等工业领域，从而大大拓展了其应用领域。

1 主要设备：半连续真空感应熔炼炉

技术参数：额定容量：0.2吨

额定频率：1KHz

中频电源功率：350KW

工作真空度：熔炼室≤6.67×10-1Pa

铸型室≤1Pa

加料室≤6.67Pa

压升率：熔炼室、铸型室分别≤1Pa/h

2 原料及配比（以Inconel718母合金为例）如表1

表1 主要研究材料

高温合金中的杂质来源于以下几个方面：

（1）原料中本身存在的杂质。

（2）冶炼过程中坩埚耐火材料污染。

（3）冶炼过程中气体环境的污染。

（4）正常的精炼技术难以去除的杂质元素。因此，在高温合金的熔铸过程中需尽量控制。

3 装炉

炉料在装炉前必须经过预处理，加料前炉料应经过酸洗或打磨保证炉料表面洁净，为保证炉料干燥，在装炉前必须进行适当的烘烤。炉料应大小搭配，在装炉时紧密接触，而在熔化时又不发生“架桥”现象。装炉前，要将坩埚内壁清理干净，否则合金中的夹杂物会增加很多。装料量应按一次铸满铸锭为宜（试验时总装料量为160kg）。对于本次试验的Inconel718母合金，装炉顺序为：

铬铁→铌铁→钼→铁→钛

4 真空感应熔炼

真空感应熔炼是一种成熟的熔炼方法，是高温合金生产的重要工艺，特别对含有铝、钛等活泼元素较多的合金，必须采用真空熔炼。本实验采用的半连续真空感应熔炼炉的核心原理是运用中频感应加热原理，即在中频电流作用下，在感应线圈产生交变磁场，进而在炉料内感应强大的涡流，产生热量使炉料熔化。

真空感应熔炼有以下一些特点：

（1）金属熔化、熔炼、合金化及浇注均在真空条件下进行，避免了与大气的相互作用而产生的污染。

（2）在真空条件下，碳具有很强的脱氧能力，其产物CO被抽至系统之外，克服了采用脱氧剂所产生的脱氧化物的污染。

（3）可以精确控制合金成分，特别对Al、Ti、B、Zr等合金元素的含量可控制在很窄的范围之内，包括对百万分之一数量级易挥发微量元素的控制。

（4）低熔点有害杂质、微量元素及气体可被去除，还可以消除二次氧化。强烈的搅拌速度可以加快反应速度，并使熔池内液态金属的温度和成分均匀。

（5）熔炼与铸锭易操作。本实验的真空感应熔炼主要分为升温熔化期、保温精炼期、浇注期。

①升温熔化期。熔化期的任务是熔化原料，均匀成分，去除吸附气体，并使合金液体有适当的温度的真空度，为精炼创造条件。在冷炉时，应使熔化功率逐渐增加，以保证炉料和坩埚附近的气体逐渐放出时，炉内仍有足够高的真空度。在连续熔炼时，开始以较低的功率加热炉料至发红，然后保证在一定真空度下，大功率尽快熔化炉料。

②保温精炼期。保温精炼期的任务是利用高温、高真空条件进行脱氧、脱氮和脱易挥发的低熔点杂质，然后合金化，保证金属液内气体及杂质含量降到最低并且成分均匀。

表2 保温精炼期考虑的影响因素

保温精炼期考虑的影响因素为真空度、精炼温度和保温时间。三组试验对比如表2所示。

经过三组工艺的结果对比，以及保温精炼的过程分析，科研组认为保温精炼期的工艺参数应为：温度控制在1550℃～1600℃，时间控制在25min左右，真空度控制在10-1Pa以下。3次试验结果再次证明了保温精炼工艺的可行性。

③浇注期。浇注是合金熔炼的最后一道程序，为了获得高质量的母合金锭，应选择合适的较低的浇注温度以保证母合金锭表面光洁及内部无缩孔。

经试验后，Inconel718母合金的浇注温度应保持在1400℃～1500℃之间。

5 结语

Inconel718母合金真空感应熔炼的工艺流程为：装炉→升温熔化→保温精炼→浇注。熔炼过程中需要控制的因素为真空度、熔炼温度、熔炼时间，为了获得良好的铸锭内部质量，升温熔化在保证足够的真空度的前提下应尽量缩短时间，保温精炼的精炼温度应控制在1550℃～1600℃，时间应控制在25min，真空度控制在10-1Pa以下。浇注温度为1400℃ ～1500℃。