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高温合金真空感应熔炼工艺特点

2019-04-16


  真空感应熔炼是所有高温合金(包括变形、铸造、粉末高温合金)熔炼的第一步工序,其工艺优点是在避免金属氧化的前提下,可把易氧化的强化相形成元素Al、Ti加入到合金中,提高合金性能。由于真空感应熔炼过程中高温合金熔体与耐火材料坩埚壁在约1550℃的高温下持续发生化学反应,生成Al2O3、ZrO2、CrO3以及稀土氧化物等陶瓷夹杂物,同时浇铸电极过程中也会带入耐火材料浇道系统的无机夹杂物。国内外对真空感应熔炼过程中提高高温合金纯净度的技术开展了较多的研究工作,提出了包括泡沫陶瓷过滤、氧化钙(CaO)坩埚精炼、电磁搅拌、旋转铸锭、复合熔盐净化、电磁软接触成形净化等工艺措施。其中,泡沫陶瓷过滤净化法是国内外常用也是十分经济的方法,其除去合金熔体中陶瓷夹杂物的原理包括:尺寸较大的夹杂物从合金熔体中过滤、阻挡到过滤网;尺寸较小的夹杂物被吸附到陶瓷滤网内表面或已被过滤网俘获的夹杂物上。目前,国内外用于熔炼高温合金的陶瓷过滤网材质包括Al2O3、ZrO2、莫来石(3Al2O3·2SiO2)、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)等。

  真空感应熔炼工艺对高温合金成分的精准控制国内外已经形成共识。通过真空下的感应熔炼过程(包括氩气保护下的精炼、电磁搅拌等),可以把变形高温合金的主元素、微量元素严格控制在要求的标准范围内,甚至有害微量元素(Pb、Sn、Bi等)与气体元素能降低到几个ppm级(即10-6)的水平,通过陶瓷过滤、加入添加剂(C、CaO基熔渣等)以及工艺优化,可以把合金中的氧化夹杂物和O、N、H显著降低等。

  真空感应熔炼时降低有害气体(H、O、N)的含量是一个重要工艺环节。氢(H)元素在真空下的高温合金熔体中溶解度很低,加上H与合金元素的亲和力小,熔炼过程中扩散到气-液相界面的速度很快,这也是真空感应熔炼的变形合金中H含量都很低,能够满足要求的原因;O元素在高温合金以固溶态或氧化物杂质形式存在,氧化物夹杂降低合金的疲劳及蠕变性能,减少合金中O含量的主要方法包括碳(C)脱氧、去除氧化物脱氧两种方式,并且以前者为主,C在真空下脱氧的能力很强,基于的反应动力学原理是:[C]+[O]=CO(g)↑,因为真空下CO气体的不断挥发抽除,反应平衡不断右移,使合金中O含量持续降低,此外通过添加Al、Ca金属也可以降低合金中的O含量。合理的熔炼工艺参数与C、Al、Ca等元素的综合作用,可以去除合金熔体中的绝大部分O,能达到<10ppm;高温合金中N以固溶体、氮化物(TiN、Ti(CN)、AlN等)两种形式存在,而要降低合金中N元素的含量,一方面需采用低N的原材料特别是金属Cr,另一方面则需要优化精炼工艺、采用过滤等措施,研究表明,合金精炼温度越高,时间愈长,脱N效果越好,此外对合金熔体进行电磁搅拌,也可以促进脱N反应进行。

  真空感应熔炼工艺的另一个重要功能就是对高温合金返回料的纯净回收再利用。车屑在高温合金返回料中占了一大部分,因此,研究车屑的纯净熔炼有显著的意义。国外采用真空感应熔炼使用Y2O3坩埚,通过试验研究了GH4169车屑合金返回料重熔后的O、N含量,发现随着真空度提高,合金中N、O含量降低(N从72ppm降低到7ppm;O含量从28ppm降低到8ppm);升高熔炼温度,合金熔体中N含量无明显变化而O无明显变化,而O含量与脱氧剂C的添加量有一定关系。

  真空感应熔炼工艺虽然在高温合金成分精准控制、返回料回收等方面优势突出,但是制备的铸锭内部存在偏析内部缩孔与疏松、陶瓷夹杂物等,真空感应熔炼制备的母合金或电极棒需要进行重熔,以进一步提高材料的冶金质量和力学性能。