镍基高温合金真空感应熔炼过程研究

2020-11-10李化坤马中钢逯红果李道乾

山东冶金 2020年5期

李化坤，马中钢，逯红果，伊洁，李道乾

（山东瑞泰新材料科技有限公司，山东淄博256100）

1 前言

镍基高温合金主要以金属镍为基体，配合金属铬、钨、钼、铌等元素，具有良好的抗腐蚀性、抗氧化性和抗蠕变性能等，广泛应用于航空航天、燃气轮机和火力发电装置［1］。近年来，随着航空航天事业的快速发展，对合金中微量有害杂质元素和气体含量要求越来越严格。已知，镍基高温合金中微量有害杂质元素主要为Pb、Bi、Sn、Ag、Se 等，气体主要是氧、氮元素。在高温、低真空度的真空熔炼过程中，微量有害杂质元素能够快速去除，而氧、氮易与Ti、Nb 等元素形成氧氮化合物，难以去除。在镍基高温合金中，氧主要以氧化物形式存在，氧化物通常是疲劳裂纹萌生及扩展通道，从而影响高温合金的蠕变和持久强度等性能［2-5］。氮主要以TiN 的形式存在，粗大的初生TiN 夹杂在后续的工艺中很难进行消除，严重影响材料力学性能。如何进一步降低合金中的氧氮含量，一直是冶金学家研究的重点。目前，熔炼铸造高温合金主要采用真空感应炉，其生产工序主要分为熔化期、精炼期、合金化期和浇注期，不同时期对脱除合金中的气体含量，扮演着不同的作用。现对熔炼过程中的各工序进行探究，以对后续工作者提供参考价值和研究方向。

2 真空感应炉坩埚类型

目前，熔炼镍基高温合金坩埚类型主要有氧化镁、氧化钙和铝镁类型［6］。坩埚成分见表1。

2.1 氧化镁坩埚

氧化镁坩埚抗碱性金属熔渣能力极强，真空熔炼过程中配合高温精炼处理，利用脱氧剂C和Al生产CO气体和Al2O3夹杂，能够很好地脱除钢液中游离态氧，且熔炼过程中不产生浮渣。但是，氧化镁坩埚缺点在于，随着真空度和精炼温度的提高易于分解，产生游离氧和镁。当熔池实际氧含量低于炉衬分解饱和溶解氧时，炉衬开始向钢液供氧。因此，采用氧化镁坩埚熔炼高温合金品种时，需合理控制好精炼温度和时间，防止氧化镁坩埚分解往钢液中供氧。

表1 坩埚成分（质量分数） %

2.2 氧化钙坩埚

氧化钙坩埚的热稳定性比氧化镁好，不存在高温环境下向钢液中供氧的情况。同时，采用氧化钙坩埚能够很好地去除钢液中的硫元素。但是，氧化钙坩埚容易吸水，其使用情况受到大气湿度影响较大，会导致产品中氧含量波动大。

2.3 镁铝质坩埚

铝镁质坩埚属于中性坩埚，抗热震性好，一般做成预制坩埚或夯制成型坩埚，适用于熔炼含有钛铝合金产品。相对于氧化镁、氧化钙坩埚，文献也指出，高温高真空下三氧化二铝的标准生成自由能远低于氧化镁、氧化钙，并且不存在真空下的分解和炉衬吸水问题，具有较长的使用寿命。同时，从经济成本上考虑，采用铝镁质夯制成型的坩埚具有节约成本和使用寿命长的特点。

3 熔炼工艺

3.1 熔化期

将原材料放入真空感应炉坩埚中，提升熔炼炉功率，通过“肤集效应”将原材料进行熔化，即为熔化期。但是，将原材料放入坩埚过程中，除了要考虑到原材料放料顺序外，还要考虑防止出现“架桥现象”。熔炼过程中一旦出现“架桥现象”，会导致合金成分的不均匀性，降低合金的性能。导致“架桥现象”主要是真空状态下炉料熔化后，吸附的游离气体快速受热气化膨胀释放，造成飞溅严重，把上部炉料粘结在一起形成架桥［7］。研究表明，通过坩埚底部加碳，采用梯度升温方式缓慢升温并延长熔化期时间，能够减少“架桥现象”的发生，同时还能够降低合金中的氧氮含量。熔化期加脱氧剂碳去除钢液中气体含量原因在于，熔化期钢液温度较低，溶解的氧在真空条件下易与炉料中的碳反应，生产一氧化碳气泡，并加速氮往钢液面扩散。

3.2 精炼期

高温合金原材料熔化后，钢液表面温度在1 480～1 520 ℃，继续提高功率，熔炼进入精炼期。研究表明，精炼期的主要目的是利用真空感应炉高温、高真空并配合脱氧剂，进一步去除合金的氧氮含量。精炼期配合脱氧剂碳，利用高温和高真空，脱除高温合金中氧氮元素。但是，精炼温度过高，超过1 650 ℃时，会导致坩埚（氧化镁坩埚）往钢液中供氧情况的发生，同时合金中氧氮含量的高低还取决于氧化产物的排除情况［8］。以K417G 铸造镍基高温合金为例，当精炼温度为1 550 ℃时，合金中存在碳氮化物，影响合金的力学性能，其组织形貌如图1所示。

图1 K417G组织形貌

3 合金化期及浇注期

合金化期主要是通过加料仓将易挥发、熔点低的元素添加到合金中，以达到提高合金性能的目的。合金化期主要添加的元素由铝钛、金属锰和稀土元素等。其中，铝钛采用分多批加入。试验表明:合金化期多批次添加铝钛能够有效的降低合金中的氧氮含量。金属锰具有较大的挥发性，不能随炉加入，需合金化期加入金属锰，同时降低钢液表面温度并通入氩气进行保护，氩气的压强控制500～800 Pa。金属铯、钇和镧等稀土元素，主要在合金化期后期加入，加入前应进行降温处理。钢液中加入稀土元素后，提高钢液温度进行熔化后，并充分搅拌，使稀土元素充分进入到钢液中去。

浇注就是将坩埚中钢液浇注到模具中，然后进行脱模，获得母合金锭。若浇注工艺参数控制不当，母合金锭表面常出现蜂窝状缺陷、冷豆和皱皮现象。蜂窝状缺陷的形成主要与模具是否烘烤充分，钢管内表面是否清理干净有关。消除表面蜂窝状缺陷的措施是在浇注之前将钢锭模内壁进行仔细清理，必要时刷一层耐火涂料并进行适当温度的烘烤，并定期更换钢管模具，则蜂窝状现象将会大大减少［9］。母合金锭表面冷豆和皱皮见图2。母合金锭表面冷豆和皱皮主要与浇注温度、耐火材料、钢锭模温度有关。冷豆一般形成母合金锭下部，原因在于浇注时模具较凉，钢液喷溅形成的小钢球落到模具内壁，而后续升上来的钢液无法将小钢球进行熔化，故形成冷豆。而母合金锭表面的皱皮形成的原因主要与浇注温度和合金成分有关，含有金属铁的合金，由于其流动性较差，当浇注温度低时，易于再形成皱皮，故含有金属铁的合金材料，浇注温度要高。