鎳基高溫合金真空感應熔煉過程研究

2020-11-10 08:24:16李化坤馬中鋼逯紅果李道乾

山東冶金 2020年5期

李化坤，馬中鋼，逯紅果，伊潔，李道乾

（山東瑞泰新材料科技有限公司，山東淄博256100）

1 前言

鎳基高溫合金主要以金屬鎳為基體，配合金屬鉻、鎢、鉬、鈮等元素，具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性和抗蠕變性能等，廣泛應用于航空航天、燃氣輪機和火力發電裝置［1］。近年來，隨著航空航天事業的快速發展，對合金中微量有害雜質元素和氣體含量要求越來越嚴格。已知，鎳基高溫合金中微量有害雜質元素主要為Pb、Bi、Sn、Ag、Se 等，氣體主要是氧、氮元素。在高溫、低真空度的真空熔煉過程中，微量有害雜質元素能夠快速去除，而氧、氮易與Ti、Nb 等元素形成氧氮化合物，難以去除。在鎳基高溫合金中，氧主要以氧化物形式存在，氧化物通常是疲勞裂紋萌生及擴展通道，從而影響高溫合金的蠕變和持久強度等性能［2-5］。氮主要以TiN 的形式存在，粗大的初生TiN 夾雜在后續的工藝中很難進行消除，嚴重影響材料力學性能。如何進一步降低合金中的氧氮含量，一直是冶金學家研究的重點。目前，熔煉鑄造高溫合金主要采用真空感應爐，其生產工序主要分為熔化期、精煉期、合金化期和澆注期，不同時期對脫除合金中的氣體含量，扮演著不同的作用。現對熔煉過程中的各工序進行探究，以對后續工作者提供參考價值和研究方向。

2 真空感應爐坩堝類型

目前，熔煉鎳基高溫合金坩堝類型主要有氧化鎂、氧化鈣和鋁鎂類型［6］。坩堝成分見表1。

2.1 氧化鎂坩堝

氧化鎂坩堝抗堿性金屬熔渣能力極強，真空熔煉過程中配合高溫精煉處理，利用脫氧劑C和Al生產CO氣體和Al2O3夾雜，能夠很好地脫除鋼液中游離態氧，且熔煉過程中不產生浮渣。但是，氧化鎂坩堝缺點在于，隨著真空度和精煉溫度的提高易于分解，產生游離氧和鎂。當熔池實際氧含量低于爐襯分解飽和溶解氧時，爐襯開始向鋼液供氧。因此，采用氧化鎂坩堝熔煉高溫合金品種時，需合理控制好精煉溫度和時間，防止氧化鎂坩堝分解往鋼液中供氧。

表1 坩堝成分（質量分數） %

2.2 氧化鈣坩堝

氧化鈣坩堝的熱穩定性比氧化鎂好，不存在高溫環境下向鋼液中供氧的情況。同時，采用氧化鈣坩堝能夠很好地去除鋼液中的硫元素。但是，氧化鈣坩堝容易吸水，其使用情況受到大氣濕度影響較大，會導致產品中氧含量波動大。

2.3 鎂鋁質坩堝

鋁鎂質坩堝屬于中性坩堝，抗熱震性好，一般做成預制坩堝或夯制成型坩堝，適用于熔煉含有鈦鋁合金產品。相對于氧化鎂、氧化鈣坩堝，文獻也指出，高溫高真空下三氧化二鋁的標準生成自由能遠低于氧化鎂、氧化鈣，并且不存在真空下的分解和爐襯吸水問題，具有較長的使用壽命。同時，從經濟成本上考慮，采用鋁鎂質夯制成型的坩堝具有節約成本和使用壽命長的特點。

3 熔煉工藝

3.1 熔化期

將原材料放入真空感應爐坩堝中，提升熔煉爐功率，通過“膚集效應”將原材料進行熔化，即為熔化期。但是，將原材料放入坩堝過程中，除了要考慮到原材料放料順序外，還要考慮防止出現“架橋現象”。熔煉過程中一旦出現“架橋現象”，會導致合金成分的不均勻性，降低合金的性能。導致“架橋現象”主要是真空狀態下爐料熔化后，吸附的游離氣體快速受熱氣化膨脹釋放，造成飛濺嚴重，把上部爐料粘結在一起形成架橋［7］。研究表明，通過坩堝底部加碳，采用梯度升溫方式緩慢升溫并延長熔化期時間，能夠減少“架橋現象”的發生，同時還能夠降低合金中的氧氮含量。熔化期加脫氧劑碳去除鋼液中氣體含量原因在于，熔化期鋼液溫度較低，溶解的氧在真空條件下易與爐料中的碳反應，生產一氧化碳氣泡，并加速氮往鋼液面擴散。

3.2 精煉期

高溫合金原材料熔化后，鋼液表面溫度在1 480～1 520 ℃，繼續提高功率，熔煉進入精煉期。研究表明，精煉期的主要目的是利用真空感應爐高溫、高真空并配合脫氧劑，進一步去除合金的氧氮含量。精煉期配合脫氧劑碳，利用高溫和高真空，脫除高溫合金中氧氮元素。但是，精煉溫度過高，超過1 650 ℃時，會導致坩堝（氧化鎂坩堝）往鋼液中供氧情況的發生，同時合金中氧氮含量的高低還取決于氧化產物的排除情況［8］。以K417G 鑄造鎳基高溫合金為例，當精煉溫度為1 550 ℃時，合金中存在碳氮化物，影響合金的力學性能，其組織形貌如圖1所示。

圖1 K417G組織形貌

3 合金化期及澆注期

合金化期主要是通過加料倉將易揮發、熔點低的元素添加到合金中，以達到提高合金性能的目的。合金化期主要添加的元素由鋁鈦、金屬錳和稀土元素等。其中，鋁鈦采用分多批加入。試驗表明:合金化期多批次添加鋁鈦能夠有效的降低合金中的氧氮含量。金屬錳具有較大的揮發性，不能隨爐加入，需合金化期加入金屬錳，同時降低鋼液表面溫度并通入氬氣進行保護，氬氣的壓強控制500～800 Pa。金屬銫、釔和鑭等稀土元素，主要在合金化期后期加入，加入前應進行降溫處理。鋼液中加入稀土元素后，提高鋼液溫度進行熔化后，并充分攪拌，使稀土元素充分進入到鋼液中去。

澆注就是將坩堝中鋼液澆注到模具中，然后進行脫模，獲得母合金錠。若澆注工藝參數控制不當，母合金錠表面常出現蜂窩狀缺陷、冷豆和皺皮現象。蜂窩狀缺陷的形成主要與模具是否烘烤充分，鋼管內表面是否清理干凈有關。消除表面蜂窩狀缺陷的措施是在澆注之前將鋼錠模內壁進行仔細清理，必要時刷一層耐火涂料并進行適當溫度的烘烤，并定期更換鋼管模具，則蜂窩狀現象將會大大減少［9］。母合金錠表面冷豆和皺皮見圖2。母合金錠表面冷豆和皺皮主要與澆注溫度、耐火材料、鋼錠模溫度有關。冷豆一般形成母合金錠下部，原因在于澆注時模具較涼，鋼液噴濺形成的小鋼球落到模具內壁，而后續升上來的鋼液無法將小鋼球進行熔化，故形成冷豆。而母合金錠表面的皺皮形成的原因主要與澆注溫度和合金成分有關，含有金屬鐵的合金，由于其流動性較差，當澆注溫度低時，易于再形成皺皮，故含有金屬鐵的合金材料，澆注溫度要高。