鎳基高溫合金真空感應(yīng)熔煉過程研究

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(yīng)用于航空航天、燃氣輪機和火力發(fā)電裝置［1］。近年來，隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，對合金中微量有害雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xù)的工藝中很難進行消除，嚴重影響材料力學(xué)性能。如何進一步降低合金中的氧氮含量，一直是冶金學(xué)家研究的重點。目前，熔煉鑄造高溫合金主要采用真空感應(yīng)爐，其生產(chǎn)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(xiàn)對熔煉過程中的各工序進行探究，以對后續(xù)工作者提供參考價值和研究方向。

2 真空感應(yīng)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(chǎn)CO氣體和Al2O3夾雜，能夠很好地脫除鋼液中游離態(tài)氧，且熔煉過程中不產(chǎn)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(chǎn)生游離氧和鎂。當(dāng)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(zhì)量分數(shù)） %

2.2 氧化鈣坩堝

氧化鈣坩堝的熱穩(wěn)定性比氧化鎂好，不存在高溫環(huán)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(dǎo)致產(chǎn)品中氧含量波動大。

2.3 鎂鋁質(zhì)坩堝

鋁鎂質(zhì)坩堝屬于中性坩堝，抗熱震性好，一般做成預(yù)制坩堝或夯制成型坩堝，適用于熔煉含有鈦鋁合金產(chǎn)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(biāo)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(jīng)濟成本上考慮，采用鋁鎂質(zhì)夯制成型的坩堝具有節(jié)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(yīng)爐坩堝中，提升熔煉爐功率，通過“膚集效應(yīng)”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(xiàn)“架橋現(xiàn)象”。熔煉過程中一旦出現(xiàn)“架橋現(xiàn)象”，會導(dǎo)致合金成分的不均勻性，降低合金的性能。導(dǎo)致“架橋現(xiàn)象”主要是真空狀態(tài)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(jié)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(xiàn)象”的發(fā)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(yīng)，生產(chǎn)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(xù)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(yīng)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(dǎo)致坩堝（氧化鎂坩堝）往鋼液中供氧情況的發(fā)生，同時合金中氧氮含量的高低還取決于氧化產(chǎn)物的排除情況［8］。以K417G 鑄造鎳基高溫合金為例，當(dāng)精煉溫度為1 550 ℃時，合金中存在碳氮化物，影響合金的力學(xué)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(fā)、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(fā)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(yīng)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(shù)控制不當(dāng)，母合金錠表面常出現(xiàn)蜂窩狀缺陷、冷豆和皺皮現(xiàn)象。蜂窩狀缺陷的形成主要與模具是否烘烤充分，鋼管內(nèi)表面是否清理干凈有關(guān)。消除表面蜂窩狀缺陷的措施是在澆注之前將鋼錠模內(nèi)壁進行仔細清理，必要時刷一層耐火涂料并進行適當(dāng)溫度的烘烤，并定期更換鋼管模具，則蜂窩狀現(xiàn)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(guān)。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(nèi)壁，而后續(xù)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(guān)，含有金屬鐵的合金，由于其流動性較差，當(dāng)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。

圖2 母合金錠表面冷豆和皺皮

4 結(jié) 語

通過合理的控制真空熔煉過程中各個工序，能夠獲得氧氮含量低、表面冶金質(zhì)量好的鑄造高溫母合金。