鋁熱還原鎳鈮中間合金夾渣研究

王曉蓉

（江蘇美特林科特殊合金股份有限公司，江蘇 南京 210000）

真空鎳鈮合金在高溫合金領域的應用越來越廣，文獻[1]在K418 和K418C 生產過程中，使用鎳鈮中間合金比使用鈮條產品氧含量更低，并且生產成本也比使用鈮條低，但是隨著高溫合金領域對于氧氮含量的要求越來越高，一些特殊的高溫合金使用真空鎳鈮還是不能保證其氧含量，因為鋁熱還原工藝的特殊性，反應過程生產合金和氧化鋁渣，依靠密度不同而實現分離，合金中難免存在氧化鋁夾渣，因此使用高成本的電子束鈮錠代替了鎳鈮中間合金。通過對真空鎳鈮合金進行分析，本文根據分析結果提出了如何使用真空鎳鈮合金而避免在高端高溫合金中減少氧含量的帶入，對鎳鈮合金錠內部的夾渣做了研究，并根據分布情況對合金進行分級處理，不同品級的可應用于不同要求的高溫合金。

1 試驗方法

1.1 原料

高純五氧化二鈮99.5%以上，鋁粉99.7%以上，金川霧化鎳粉，螢石粉99.0%以上，氯酸鈉等。

1.2 熔煉工藝

真空鎳鈮合金：五氧化二鈮，鋁粉，霧化鎳粉，螢石粉，氯酸鈉按照一定的比例稱重，混合均勻，放入高純氧化鋁耐火材料坩堝內，將坩堝放在密閉容器內，抽真空到小于100Pa 后充入氬氣后，點火進行自發的鋁熱還原反應，反應結束后，合金在氬氣保護氛圍繼續冷卻到200℃以下，在在空氣中繼續冷卻到室溫，再將合金從爐中取出，渣和合金進行分離。將合金錠表面清理干凈。

非真空鎳鈮合金：五氧化二鈮，鋁粉，霧化鎳粉，螢石粉，氯酸鈉按照一定的比例稱重，混合均勻，放入高純氧化鋁耐火材料坩堝內，將坩堝放在反應室內，點火進行自發的鋁熱還原反應，反應結束后，合金在空氣中冷卻到室溫，再將合金從爐中取出，渣和合金進行分離。將合金錠表面清理干凈。

1.3 合金取樣分析

對真空和非真空鎳鈮合金內部進行多點取樣，取樣位置如下圖所示。

圖1 取樣點示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 氧氮含量成分分析

表1 真空及非真空鎳鈮合金氧氮含量

從氧氮含量測試結果來看，真空鎳鈮和非真空鎳鈮比較，氧含量并沒有明顯的區別，而氮含量差異比較大，真空鎳鈮氮含量遠遠小于非真空鎳鈮。這是由于體系內的氧含量主要由反應后渣和合金的分離情況決定，而氮含量主要是反應和冷卻過程空氣中氮氣的氧化，無論是真空還是非真空都是金屬氧化物和鋁粉之間的反應，體系內有大量氧。而真空鎳鈮在熔煉過程中隔絕了氮氣，在降低氮含量方面效果顯著。

2.2 金相分析

分別對非真空鎳鈮合金和真空鎳鈮合金內部和測氧氮含量相同的位置做金相組織檢測，下圖是各個樣品在金相顯微鏡下的照片：

圖2 真空及非真空鎳鈮合金各取樣點的金相照片

從以上六張照片分別來自非真空鎳鈮合金及真空鎳鈮合金的不同位置，可以看出，無論是真空鎳鈮還是非真空鎳鈮，靠近邊緣的合金存在較多的“黑色”夾渣物，中間部位的“黑色”夾渣物較少，心部也存在少量“黑色”夾渣物。黑色夾雜物初步判定為氧化鋁或者氮化物夾雜。

從圖中可以看到許多條狀，魚骨狀或點狀的相，并且真空鎳鈮中的非相同相組織明顯多于非真空鎳鈮合金，這是因為真空鎳鈮冷卻速度小于非真空鎳鈮，初步判定為在冷卻過程中析出了較多的魚骨狀或點狀的相為Ni7Nb6 相，這些相是否為夾雜物通過掃描電鏡進一步分析。

2.3 掃描電鏡分析

為了分析規則點狀及魚骨狀的相是否為夾雜，選取真空鎳鈮心部樣品做了掃描電鏡分析，經過觀測，并沒有發現大量點狀排列的夾雜物，而是一些部位存在氧化鋁夾渣。如下圖所示:

圖3 真空鎳鈮合金心部樣品掃描電鏡測試分析

經過對樣品進行觀測，并沒有發現點狀，魚骨狀的夾雜相，因此進一步判定該相為鎳鈮合金基體相，不是夾渣和夾雜，東掃描電鏡分析照片中還看到了黑色氧化鋁夾渣，和金相顯微鏡觀測的結果類似，黑點為氧化鋁夾渣。判定鋁熱還原生產的鎳鈮合金內部存在氧化鋁夾渣。

3 結論

（1）真空鎳鈮合金和非真空鎳鈮合金相比較，真空鎳鈮合金具有更低的氮含量，但是氧含量沒有明顯差別。

（2）金相分析照片中的黑點為氧化鋁夾渣，規則排列的點陣狀相為Ni7Nb6 相。

（3）真空鎳鈮合金和非真空鎳鈮合金內部都存在氧化鋁夾渣，尤其是靠近坩堝邊緣部位和最后凝固的心部，氧化鋁夾渣較多。可以根據夾渣規律對產品進行分析處理。