減輕鎳基高溫合金中元素偏析的熔煉工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及合金熔煉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種減輕鎳基高溫合金中元素偏析的熔 煉工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎳基高溫合金由于具有較高的承溫能力和良好的高溫性能，被廣泛應(yīng)用于制造航 空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片及地面燃?xì)廨啓C(jī)葉片。
[0003] 鎳基高溫合金是一種既含有1、此、了&、1〇、此等高熔點(diǎn)難熔元素，又含有41、11等低 熔點(diǎn)活性金屬的多組元合金。高熔點(diǎn)金屬能否均勻分布且完全溶入合金基體以及控制低熔 點(diǎn)金屬的揮發(fā)燒損是熔煉高溫合金母合金的關(guān)鍵所在，熔煉難度很大，且過(guò)程十分復(fù)雜。
[0004] 目前，國(guó)內(nèi)熔煉高溫合金母材時(shí)直接加入各合金組元的純金屬塊或條，將難熔金 屬置于坩堝底部的高溫區(qū)，通過(guò)感應(yīng)加熱熔化金屬，利用電磁攪拌使各合金元素分布均勻。 該方法存在以下問(wèn)題：（1)難熔金屬的熔點(diǎn)（例如W熔點(diǎn)3430°C，Re熔點(diǎn)3180°C，Ta熔點(diǎn)2996 °C)遠(yuǎn)高于Ni的熔點(diǎn)(Ni熔點(diǎn)1453°C)，且真空感應(yīng)熔煉爐的使用溫度最高為1600~1700°C， 即使坩堝底部過(guò)熱也達(dá)不到難熔金屬的熔點(diǎn)，難熔元素在熔煉過(guò)程中不能完全熔化，造成 金屬夾雜；（2)難熔金屬密度較大(Re密度21.04g/cm 3，W密度19.35g/cm3，Ta的密度16.65g/ cm3)，在熔煉過(guò)程中，易沉于坩堝底部，減弱電磁攪拌的效果；（3)低熔點(diǎn)金屬(A1熔點(diǎn)660 °C)過(guò)早熔化，且密度(A1密度2.70 g/cm3)較小，熔煉過(guò)程浮于金屬液表面，揮發(fā)燒損嚴(yán)重；
[4] 為使難熔元素充分熔化，需提高加熱功率，延長(zhǎng)加熱時(shí)間，會(huì)大幅降低坩堝的使用壽命， 且高溫下坩堝容易分解，從而引入雜質(zhì)。以上缺點(diǎn)將引起高溫合金母材成分不均勻，難熔金 屬夾雜嚴(yán)重，低熔點(diǎn)金屬揮發(fā)嚴(yán)重，合金實(shí)際成分與預(yù)期偏差較大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了合金 的后續(xù)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種減輕鎳基高溫合金中元素偏析的熔煉 工藝。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種減輕鎳基高溫合金中元素偏析的熔煉工藝，將熔煉鎳基高 溫合金所需原料中的高恪點(diǎn)金屬評(píng)、1^、13、]/[0、他、1?11用中間合金代替，所述中間合金以附為 基體，所述高熔點(diǎn)金屬總量占中間合金總量的20~70%，雜質(zhì)元素的總量小于等于中間合金 總量的0. 5%;其余低熔點(diǎn)金屬Ni、Co、Cr、A1以純度高于99.95%的純金屬形式加入;通過(guò)真空 感應(yīng)熔煉，熔煉前需按照順序在坩堝內(nèi)布料，依次加入部分Ni塊，全部的A1塊、Co塊和Cr塊， 剩余Ni塊，不含W的多元中間合金鑄錠及Ni-W中間合金塊。
[0007] 上述方案中，所述附、(：0、〇)1均為小塊狀，尺寸為4~8111111;所述1采用塊狀附-￥二 元中間合金為原料，尺寸為8~12mm;所述高恪點(diǎn)金屬Re、Ta、Mo、Nb、Ru根據(jù)所需種類(lèi)采用圓 盤(pán)狀多元中間合金為原料，尺寸為040 X 4mm~05〇 X 8mm。
[0008] 上述方案中，該熔煉工藝具體通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)： (1) 裝爐:恪煉前需按照順序在坩堝內(nèi)布料，依次加入1/2的Ni塊，全部的A1塊、Co±夬、Cr 塊，剩余Ni塊、多元中間合金圓盤(pán)鑄錠及Ni-W中間合金塊;所述多元中間合金圓盤(pán)鑄錠平放 在謝堝內(nèi)； (2) 合金熔化:采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到4 X l(T2Pa時(shí)，開(kāi)始小功率 送電加熱排除附著氣體;當(dāng)真空度達(dá)到1 X l(T2Pa時(shí)，逐步加大功率，在所有金屬組元全部恪 化后，快速升溫至1650°C左右，精煉2~3分鐘，停電待合金液完全凝固；重新送電升溫至1550 °C左右，低溫精煉3~5分鐘，停電待合金液完全凝固；低溫精煉過(guò)程重復(fù)3次后澆鑄，待爐內(nèi) 溫度降到50°C以下，合金液完全凝固，放氣開(kāi)爐，取出制得的合金錠，打磨清洗。
[0009] 上述方案中，所述步驟（1)之前，打磨去掉材料表面氧化物和附著物，放入酒精或 丙酮溶液利用超聲波清洗后烘干待用。
[0010] 上述方案中，所述步驟（1)中，將密度低的附^1、0)、0布于坩堝底部，密度高的中 間合金錠布于坩堝中部和上端。
[0011 ] 上述方案中，所述步驟（1)中，將尺寸為040 X 4mm~05〇 X 8mm圓盤(pán)狀多元中間合金 平放于坩堝中上部。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下： (1) 本發(fā)明能夠避免高溫合金鑄錠中出現(xiàn)成分不均勻及高熔點(diǎn)金屬夾雜等缺陷； (2) 本發(fā)明降低熔煉鎳基高溫合金的溫度，實(shí)現(xiàn)了快速熔化，縮短熔煉時(shí)間； (3) 熔煉時(shí)所需合金種類(lèi)少，使用方便，易于管理； (4) 本發(fā)明的合金原料按照其熔點(diǎn)依次熔化，能夠避免低熔點(diǎn)金屬飛濺及高熔點(diǎn)金屬 熔化不充分，減少低熔點(diǎn)金屬燒損，確保了鑄錠化學(xué)成分的準(zhǔn)確控制，有效減輕了元素偏 析。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明熔煉工藝中所采用的布料順序示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0015] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種減輕鎳基高溫合金中元素偏析的熔煉工藝，將熔煉鎳基高 溫合金所需原料中的高恪點(diǎn)金屬評(píng)、1^、13、]/[0、他、1?11用中間合金代替，所述中間合金以附為 基體，所述高熔點(diǎn)金屬總量占中間合金總量20~70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)），雜質(zhì)元素的總量小于等于 中間合金總量的0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其中每種雜質(zhì)元素含量不超過(guò)0.05%;其余低熔點(diǎn)金屬 Ni、Co、Cr、A1以純度高于99.95%的純金屬形式加入;通過(guò)真空感應(yīng)熔煉，熔煉前需按照特定 的順序在坩堝內(nèi)布料，依次加入部分Ni塊，全部的A1塊、Co塊和Cr塊，剩余Ni塊，不含W的多 元中間合金鑄錠及Ni-W中間合金塊。
[0016] 所述Ni、Co、Cr、A1均為小塊狀，尺寸為4~8mm，這樣，既可以保證其快速熔化，混合 均勻，又能避免采用小顆粒狀原料熔煉時(shí)飛濺嚴(yán)重的問(wèn)題;所述W采用塊狀Ni-W二元中間合 金為原料，尺寸為8~12mm;所述高恪點(diǎn)金屬Re、Ta、Mo、Nb、Ru根據(jù)所需種類(lèi)采用圓盤(pán)狀多元 中間合金為原料，尺寸為040 X 4mm~050 X 8mm。
[0017] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種減輕鎳基高溫合金中元素偏析的熔煉工藝，具體通過(guò)以下 步驟實(shí)現(xiàn)： (1)裝爐:恪煉前需按照順序在坩堝內(nèi)布料，依次加入1/2的Ni塊，全部的A1塊、Co±夬、Cr 塊，剩余Ni塊、多元中間合金圓盤(pán)鑄錠及Ni-W中間合金塊;所述多元中間合金圓盤(pán)鑄錠平放 在坩堝內(nèi)；如圖1所示。
[0018] (2)合金熔化:采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到4 Xl(T2Pa時(shí)，開(kāi)始小 功率送電加熱排除附著氣體;當(dāng)真空度達(dá)到1 X l(T2Pa時(shí)，逐步加大功率，在所有金屬組元全 部熔化后，快速升溫至1650°C左右，精煉2~3分鐘，停電待合金液完全凝固；重新送電升溫至 1550°C左右，低溫精煉3~5分鐘，停電待合金液完全凝固；低溫精煉過(guò)程重復(fù)3次后澆鑄，待 爐內(nèi)溫度降到50°C以下，合金液完全凝固，放氣開(kāi)爐，取出制得的合金錠，打磨清洗。
[0019] 所述步驟(1)之前，打磨去掉材料表面氧化物和附著物，放入酒精或丙酮溶液利用 超聲波清洗后烘干待用。
[0020] 本發(fā)明制得的難熔金屬中間合金的熔點(diǎn)小于1600°C，代替其純組元能夠大大降低 熔煉合金的溫度，縮短熔煉時(shí)間，避免高熔點(diǎn)金屬夾雜和成分不均勻等冶金缺陷。
[0021] 本發(fā)明選用高純度的金屬原料和雜質(zhì)含量很低的中間合金可以降低高溫合金鑄 錠中的雜質(zhì)含量，避免雜質(zhì)元素對(duì)合金性能的影響。
[0022] 所述步驟（1)中，將密度低的附^1、0、0)布于坩堝底部，密度高的中間合金錠布 于i甘堝中部和上端，在合金恪化后Al、Cr等金屬原子會(huì)自發(fā)上浮，而W、Re、Ta、Mo、Nb、I^^ 發(fā)下沉，加之電磁攪拌的作用，能夠避免高密度金屬沉于坩堝底部，低密度金屬浮于金屬液 表面，鑄錠成分不均勻的問(wèn)題。
[0023] 所述步驟（1)中，將尺寸為040 X 4mm~05〇 X 8mm圓盤(pán)狀多元中間合金平放于坩堝中 上部，由于其直徑略小于所使用的坩堝直徑，在底部低熔點(diǎn)金屬六1、(：〇、附、(>首先熔化的情 況下，能夠起到阻礙其揮發(fā)的作用。
[0024]所述步驟(2)中，在熔煉過(guò)程開(kāi)始后，需根據(jù)金屬熔化情況逐步緩慢加大功率，確 保坩堝底部的附^1、0)、0依次熔化后，圓盤(pán)狀多元中間合金隨后熔進(jìn)已熔化的金屬液，最 后Ni-W中間合金熔入已熔化金屬液。按照此順序可以有效避免高熔點(diǎn)的中間合金錠殘留在 金屬液中，熔化不充分的問(wèn)題。
[0025] 實(shí)施例1 本發(fā)明實(shí)施例1提供一種減輕鎳基高溫合金中元素偏析的熔煉工藝，該鎳基高溫合金 的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：5.7%A1，8.5%Co，4.5%Cr，1.4%Mo，8%Ta，6%Re，6%W，余量為Ni，單 爐熔煉467.5g合金。
[0026] 具體步驟如下： 原料選配:W用尺寸為6~12mm的塊狀Ni-W中間合金(W質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)代替，雜質(zhì)元素的 總量小于等于中間合金總量的〇. 5%，其中每種雜質(zhì)元素含量不超過(guò)0.05%，稱(chēng)取該Ni-W中間 合金140.28;1^、了3、]\1〇用附-1^-了3-]\1〇四元中間合金代替，稱(chēng)取純度高于99.95%的1^ :288， 丁&:37.98，1〇:6.58，附 ：44.28，在電弧爐中熔煉成尺寸為046\5111111圓盤(pán)狀四元中間合金鑄 錠，鑄錠中雜質(zhì)元素的總量小于等于中間合金總量的0.5%，其中每種雜質(zhì)元素含量小于等 于中間合金總量的0.05%;其余Ni、Co、Cr、A1等低熔點(diǎn)組元選用純度高于99.95%尺寸在4~ 8mm的小塊狀純金屬，稱(chēng)取Co: 39 · 7g，Cr: 21g，A1:27 · lg，Ni : 122 · 7g。
[0027] 原料處理:打磨掉所需原料表面的氧化物及附著的雜物，放入酒精或者丙酮溶液 并利用超聲波清洗，清洗結(jié)束后放入60~80°C的烘箱進(jìn)行6~8小時(shí)的烘干。
[0028]熔煉前裝爐:熔煉前需按照特定的順序在坩堝內(nèi)布料，依次加入62.7g Ni塊，全部 的A1塊、Co塊和Cr塊，剩余60g Ni塊，多元中間合金圓盤(pán)鑄錠(平放)及Ni-W中間合金塊。 [0029]合金熔煉:采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到4 X l(T2Pa時(shí)，開(kāi)始以3KW 功率送電加熱排除附著氣體，當(dāng)真空度達(dá)到1 X l(T2Pa時(shí)，調(diào)功率至5KW保持5分鐘，調(diào)功率至 8KW保持5分鐘，繼續(xù)加大功率至10KW，此時(shí)A1塊開(kāi)始熔化，隨后Ni、Co、Cr依次熔化，加大功 率至12KW，此時(shí)圓盤(pán)狀多元中間合金開(kāi)