专利名称：镍基高温合金k441返回料的合金熔炼方法
技术领域：
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼 方法。
背景技术：
K441合金是一种发动机导向叶片用材料，该合金的突出特点是碳含量低，Cr、W含 量较高；具有较高的初熔温度，良好的超高温瞬时性能，以及较好的抗冷热疲劳性能。前期 实验表明，在碳含量较高的情况下，合金铸造过程中的叶片裂纹问题比较严重，通过技术改 进，现在合金浇注的叶片合格率已达到60%左右，性能能够满足生产需要。该合金可取代 X40合金用于航空发动机的叶片制造，并可进一步拓展应用到其他燃机中。该铸件的生产过 程中，合金熔液的60%以上作为浇冒系统的返回料，而且会产生一部分废铸件，合金的利用 率仅为20 30% ，造成生产过程中的浪费，尤其高温合金中的Ni、 Cr、 W、 Mo等都属于国家 稀缺的昂贵金属。K441合金在应用规模扩大的情况下，返回料的应用已成为当务之急。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼方法， 目的在于通过将返回料或废铸件重新熔炼，制备成能够用于制备发动机导向叶片的K441 本发明的方法按以下步骤进行
1、获得一次料锭 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料和/或废铸件进行吹砂处理，将返 回料和/或废铸件的表面清理干净，然后置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空 度《1. 33Pa时送电熔化合金，合金熔化过程中控制真空度《10. 66Pa ;将合金熔液升温至 1590 165(TC进行精炼，精炼时间为20 40min，精炼过程中控制真空度《1. 33Pa，精炼 结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至1500 158(TC，浇注成一次料 锭。
2、准备二次精炼 分析一次料锭的化学成分，当一次料锭的成分按重量百分比在A1 3.30 3. 90%， Wll. 8 14. 0%， Cr 15. 2 16. 5 %， Mo 1.2 2.55%，Zr 0.01 0.03%，B 0. 006 0.008% ，C 0. 02 0. 035X，余量为Ni的范围内时，准备进行二次精炼；当一次料 锭中的Al、W、Cr、Mo、Zr、B和/或C成分超出上述范围时，采用镍、铝、钨、铬、钼、锆、铬硼中 间合金和/或碳作为调节元素成分用料，使各调节元素成分用料与一次料锭混合后的全部 物料的成分符合上述成分范围。
3、二次精炼 当不需要调节一次料锭成分中的镍、钨、铬和/或钼成分时，将一次料锭置于真空 感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度《1. 33Pa，送电升温至1590 165(TC进行二次精炼精炼，合金熔化过程中要求真空度《10. 66Pa，二次精炼时间为20 40min，精炼过程 中控制真空度《1.33Pa，二次精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。当需要调节一次料锭 中的镍、钨、铬和/或钼成分时，将一次料锭与调节元素成分用料中的镍、钨、铬和/或钼置 于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度《1.33Pa时，送电升温至1590 1650°C 进行二次精炼，合金熔化过程中要求真空度《10. 66Pa，二次精炼时间为20 40min ;精 炼结束后降温至合金熔液表面结膜；当需要调节一次料锭中的碳、铝、硼和/或锆时，将 二次精炼后结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化，在真空条件下进行合金化，控制真空度 《1. 33Pa，并加入调节元素成分用料中的碳、铝、铬硼中间合金和/或锆，保温5 10min， 降温至合金熔液表面结膜。
4、获得K441合金: 当步骤3中不需要调节一次料锭成分中的碳、铝、硼和锆时，将步骤3中二次精炼 结束后结膜的合金熔液加热至1500 158(TC，加热过程中控制真空度《1. 33Pa，然后浇注 成K441合金锭。当步骤3中需要调节一次料锭成分中的碳、铝、硼和/或锆时，将步骤3中 合金化后结膜的合金熔液加热至结膜1500 158(TC，加热过程中控制真空度《1. 33Pa，然 后浇注成K441合金锭。 上述方法中降温至结膜时的温度为1400±20°C。 实验表明，当K441合金中的碳含量超过规定范围时，合金的铸造工艺性大幅度降 低，因此合金中碳含量和熔炼过程中碳脱氧的消耗量，是决定熔炼过程中需要重点控制的 参数，本发明采用高温精炼法，在1590 165(TC条件下进行熔炼，目的是降低合金中的碳 含量，并控制在O. 02 0. 035%的范围内，同时通过高温熔炼将杂质排除；另外通过多次熔 炼和分段加入易烧损元素的方法，有利于控制元素含量在标准要求的范围内。
经过试验生产表明，采用上述方法获得的返回料K441合金完全能够满足生产要 求，用该返回料K441合金铸件与采用新料制备的铸件合格率相当，且各项性能参数相近， 采用DSC法测得返回料K441合金制备铸件的初熔温度可达1324°C以上，高于原生产技术采 用新料制备的铸件的初熔温度。
具体实施例方式
本发明实施例中采用的补加元素镍、铝、钨、铬、钼、锆、铬硼中间合金和碳的重量 纯度分别为金属镍中Ni > 99. 9% ，金属铝中Al > 99. 9% ，金属钨中W > 99. 9% ，金属钼中 Mo > 99. 9%，金属锆中Zr > 99. 4%，铬硼中间合金中B含量> 12% ，碳中C > 99. 5% 。
本发明实施例中采用的返回料为镍基高温合金K441制备叶片时的产生的浇冒 口、浇道部分返回料。 本发明实施例中采用的废铸件为镍基高温合金K441制备叶片时的产生的废铸 件。 实施例1 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料和废铸件进行吹砂处理，将返回 料和废铸件的表面清理干净，然后同时置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空 度《1.33Pa时，送电升温至165(TC，精炼20min，其中合金熔液熔化过程中控制真空度 《10. 66Pa，精炼过程中控制真空度《1. 33Pa ;精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至154(TC，浇注成一次料锭。 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3. 68%， W 12. 10%， Crl5. 56%， Mo 1.88%，Zr 0. 019%，B 0. 0066%， CO. 031%，余量为Ni。根据该化学成分均位于要求的成 分范围内不需添加调节成分元素材料。 将一次料锭置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度《1. 33Pa时，送 电升温至165(TC进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求真空度《10. 66Pa，精炼30min， 精炼过程中控制真空度《1. 33Pa ;精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。
将二次精炼结束后结膜的合金熔液加热至150(TC，加热过程中控制真空度 《1. 33Pa，然后浇注成返回料K441合金锭。 对获得的返回料K441合金锭进行初熔温度测试，初熔温度为1324°C，高于新料 制备的合金初熔温度。测定出返回料K441合金锭性能参数分别为室温条件下抗拉强度 870MPa，屈服强度720MPa，断面收縮率为16. 7% 。 90(TC高温条件下抗拉强度555MPa，屈服 强度422MPa，断面收縮率为15.0X，98(TC、83MPa条件下的持久寿命为42h。采用新料制备 的K441合金的性能参数分别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收縮 率为12.5%。 90(TC高温条件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收縮率为5.0%， 98(TC、83MPa条件下的持久寿命为38h。该合金在98(TC、83MPa条件下持久寿命标准要求 为> 18h。
实施例2 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料进行吹砂处理，将返回料的表面 清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度《1. 33Pa时，送电升温 至162(TC精炼，其中合金熔液熔化过程中要求真空度《10. 66Pa，精炼30min，精炼过程中 控制真空度《1. 33Pa ;精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至 158(TC浇注成一次料锭。 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3. 64%，W 11.48%， Cr 15.30%， Mo 1.78%，Zr 0. 023%，B 0. 009%， CO. 025%，余量为Ni。根据该化学成分可见，W和B均 超过成分范围，需调整成分加入调节元素成分用料。准备镍、铝、钨、铬、钼、锆、硼铬合金和 碳的调节元素成分用料，调节过程中首先调节按比例含量多出规定范围最大的元素，并按 照比例含量由多至少的顺序进行调节，使各备用的材料与一次料锭的总物料中的成分为A1 3. 55%， W13. 0%， Cr 16.0%， Mo 1.90%，Zr 0.02%，C 0.025%，B 0.007%。
将一次料锭及上述准备的调节用料中的Ni、 W、 Mo、 Cr置于真空感应炉中，启动真 空设备抽真空，当真空度《1. 33Pa时，送电升温至162(TC进行二次精炼，合金熔液熔化过 程中要求真空度《10. 66Pa，二次精炼时间为20min，精炼时真空度《1. 33Pa ;二次精炼结 束后降温至合金熔液表面结膜。 将结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化进行合金化，要求真空度《1.33Pa，并 加入调节成分用料中的碳、铝、铬硼中间合金和锆，加入后在结膜完全熔化的状态下保温 10min，然后降温至合金表面结膜。 将合金化后结膜的合金熔液加热至1580°C ，加热过程中控制真空度《1. 33Pa，然 后浇注成返回料K441合金锭。 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1328°C ，高于新料合金
5初熔温度。测定出返回料K441合金性能参数分别为室温条件下抗拉强度930MPa，屈服强 度735MPa，断面收縮率为19. 5% 。 90(TC高温条件下抗拉强度580MPa，屈服强度465MPa，断 面收縮率为8. 0X，98(TC、83MPa条件下的持久寿命为38h。新料K441合金的性能参数分别 为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收縮率为12. 5% 。 90(TC高温条件 下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收縮率为5. 0 % ， 980°C 、83MPa条件下的持久寿 命为38h。该合金在98(TC、83MPa条件下持久寿命标准要求为^ 18h。
实施例3 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的废铸件进行吹砂处理，将废铸件的表 面清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度《1.33Pa，送电升温 至159(TC，精炼40min，其中合金熔液熔化过程中控制真空度《10. 66Pa，精炼过程中控 制真空度《1.33Pa;精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至 150(TC，浇注成一次料锭。 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3. 68%，W 11.48%， Cr 15.60%， Mo 1.78%，Zr 0. 023%，B 0. 0075%， CO. 027%，余量为Ni。根据该化学成分可见，W超过 成分范围，需调整加入调节成分用料。准备钨元素材料作为调节成分用料，使金属钨与一次 料锭总物料中W重量含量为13X，计算可知其他成分重量百分比为A1 3.62%， W 13.0%， Cr 15. 36%， Mol. 75%， Zr 0.022%，B 0.0072%，C 0.0265% ;各成分在要求范围以内。
将一次料锭及准备的钨调节材料置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当 真空度《1.33Pa时，送电升温至159(TC进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求真空度 《10. 66Pa，二次精炼时间为40min，精炼时真空度《1. 33Pa ;二次精炼结束后降温至合金 熔液表面结膜。 将二次精炼后结膜合金熔液加热至155(TC，控制真空度《1. 33Pa，然后浇注成返 回料K441合金锭。 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1330°C ，高于新料合金 初熔温度。测定出返回料K441合金性能参数分别为室温条件下抗拉强度785MPa，屈服强 度680MPa，断面收縮率为22% 。 90(TC高温条件下抗拉强度570MPa，屈服强度540MPa，断面 收縮率为15. 5X，98(TC、83MPa条件下的持久寿命为261.4h。新料K441合金的性能参数分 别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收縮率为12. 5% 。 90(TC高温条 件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收縮率为5. 0%，980°C、83MPa条件下的持久 寿命为38h。该合金在98(TC、83MPa条件下持久寿命标准要求为^ 18h。
实施例4 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料进行吹砂处理，将返回料的表面 清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度《1. 33Pa时，送电升温 至160(TC精炼，其中合金熔液熔化过程中要求真空度《10. 66Pa，精炼25min，精炼过程中 控制真空度《1.33Pa;精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至 152(TC浇注成一次料锭。 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3. 2%， W 12. 50%， Cr 15. 10%， Mo 1.78%，Zr 0. 023%，B 0. 0073%， CO. 025%，余量为Ni。根据该化学成分可见，Cr和Al均 超过成分范围，需调整成分加入调节元素成分用料。准备铝、铬的调节元素成分用料，调整后使各备用的材料与一次料锭的总物料中的成分为Al 3.55%，Cr 16.0%、W 12. 34%， Mo 1.76%，Zr 0. 023%，C 0. 0247%，B 0.0072%。 将一次料锭及上述准备的调节用料中的Cr置于真空感应炉中，启动真空设备抽 真空，当真空度《1. 33Pa时，送电升温至1605t:进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求 真空度《10. 66Pa，二次精炼时间为25min，精炼时真空度《1. 33Pa ;二次精炼结束后降温 至合金熔液表面结膜。 将结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化进行合金化，要求真空度《1. 33Pa，并加 入调节成分用料中的铝，加入后在结膜完全熔化的状态下保温5min，然后降温至合金表面 结膜。 将合金化后结膜的合金熔液加热至1530°C ，加热过程中控制真空度《1. 33Pa，然 后浇注成返回料K441合金锭。 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1332°C ，高于新料合金 初熔温度。测定出返回料K441合金性能参数分别为室温条件下抗拉强度825MPa，屈服强 度710MPa，断面收縮率为23%。 90(TC高温条件下抗拉强度610MPa，屈服强度468MPa，断面 收縮率为9. 0%，980°C、83MPa条件下的持久寿命为23. 49h。新料K441合金的性能参数分 别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收縮率为12. 5% 。 90(TC高温条 件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收縮率为5. 0%，980°C、83MPa条件下的持久 寿命为38h。该合金在98(TC、83MPa条件下持久寿命标准要求为> 18h。
实施例5 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料进行吹砂处理，将返回料的表面 清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度《1. 33Pa时，送电升温 至164(TC精炼，其中合金熔液熔化过程中要求真空度《10. 66Pa，精炼35min，精炼过程中 控制真空度《1.33Pa;精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至 156(TC浇注成一次料锭。 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3. 64%，W 13. 2%，Cr 14.90%， Mo 1.08%，Zr 0. 009%，B 0. 0075%， CO. 018%，余量为Ni。根据该化学成分可见，Mo、 Cr、 Zr、 C均超过成分范围，需调整成分加入调节元素成分用料。准备钼、锆和碳的调节元素成 分用料，调整后使各备用的材料与一次料锭的总物料中的成分为Mo 1.90%， C 0.025%， Crl6. 0%， ZrO. 02%， W 12.94%，B 0.0074%。 将一次料锭及上述准备的调节用料中的Mo、 Cr置于真空感应炉中，启动真空设备 抽真空，当真空度《1.33Pa时，送电升温至1635t:进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要 求真空度《10. 66Pa，二次精炼时间为35min，精炼时真空度《1. 33Pa ;二次精炼结束后降 温至合金熔液表面结膜。 将结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化进行合金化，要求真空度《1. 33Pa，并加 入调节成分用料中的碳、锆，加入后在结膜完全熔化的状态下保温7min，然后降温至合金表
面结膜。 将合金化后结膜的合金熔液加热至1560°C ，加热过程中控制真空度《1. 33Pa，然 后浇注成返回料K441合金锭。 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1329°C ，高于新料合金
7初熔温度。测定出返回料K441合金性能参数分别为室温条件下抗拉强度790MPa，屈服强 度675MPa，断面收縮率为18. 5% 。 90(TC高温条件下抗拉强度565MPa，屈服强度545MPa，断 面收縮率为11. 0X，98(TC、83MPa条件下的持久寿命为185. 3h。新料K441合金的性能参数 分别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收縮率为12. 5% 。 90(TC高温 条件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收縮率为5. 0 % ， 980°C 、83MPa条件下的持 久寿命为38h。该合金在98(TC、83MPa条件下持久寿命标准要求为^ 18h。
权利要求
一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼方法，其特征在于按以下步骤进行(1)将镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料和/或废铸件的表面清理干净，然后置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，送电熔化合金，将合金熔液升温至1590～1650℃进行精炼，精炼时间为20～40min，精炼结束后降温至合金熔液表面结膜；将结膜的合金熔液加热至1500～1580℃，浇注成一次料锭；(2)当一次料锭的成分按重量百分比在Al 3.30～3.90％，W11.8～14.0％，Cr 15.2～16.5％，Mo 1.2～2.55％，Zr 0.01～0.03％，B 0.006～0.008％，C 0.02～0.035％，余量为Ni的范围内时，准备进行二次精炼；当一次料锭中的Al、W、Cr、Mo、Zr、B和/或C成分超出上述范围时，采用镍、铝、钨、铬、钼、锆、铬硼中间合金和/或碳作为调节元素成分用料，使各调节元素成分用料与一次料锭混合后的全部物料的成分符合上述成分范围；(3)当不需要调节一次料锭成分中的钨、铬和/或钼成分时，将一次料锭置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，送电升温至1590～1650℃进行二次精炼精炼，二次精炼时间为20～40min，二次精炼结束后降温至合金熔液表面结膜；当需要调节一次料锭中的钨、铬和/或钼成分时，将一次料锭与调节元素成分用料中的镍、钨、铬和/或钼置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，升温至1590～1650℃进行二次精炼，二次精炼时间为20～40min；精炼结束后降温至合金熔液表面结膜；当需要调节一次料锭中的碳、铝、硼和/或锆时，将二次精炼后结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化，并加入调节元素成分用料中的碳、铝、铬硼中间合金和/或锆进行合金化，保温2～10min，降温至合金熔液表面结膜；(4)当步骤(3)中不需要调节一次料锭成分中的碳、铝、硼和锆时，将步骤3中二次精炼结束后结膜的合金熔液加热至1500～1580℃，然后浇注成K441合金锭；当步骤3中需要调节一次料锭成分中的碳、铝、硼和/或锆时，将步骤(3)中合金化后结膜的合金熔液加热至1500～1580℃，然后浇注成K441合金锭。
2. 根据权利要求1所述的一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼方法，其特征在于所述的步骤(1)中启动真空设备抽真空后，当真空度《1.33Pa送电熔化合金，合金熔化过程中控制真空度《10. 66Pa，精炼过程中控制真空度《1. 33Pa。
3. 根据权利要求1所述的一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼方法，其特征在于所述的步骤(3)中启动真空设备抽真空后，当真空度《1.33Pa送电熔化合金，合金熔化过程中控制真空度《10. 66P，精炼过程中控制真空度《1.33Pa。
4. 根据权利要求1所述的一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼方法，其特征在于所述的步骤(4)中在真空条件下进行合金化时，加热过程中控制真空度《1.33Pa。
全文摘要
一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼方法，按以下步骤进行将返回料和/或废铸件置于真空感应炉中进行精炼，降温浇注成一次料锭；对一次料锭进行化学成分分析后，采用镍、铝、钨、铬、钼、锆、铬硼中间合金和/或碳作为调节元素成分用料，对合金成分进行调整。将一次料锭与调节元素成分用料中的镍、钨、铬和/或钼进行二次精炼，结膜后加热浇注，或将二次精炼后结膜的合金熔液加入，碳、铝、铬硼中间合金和/或锆进行合金化，结膜后加热浇注成合金锭。本方法获得的返回料K441合金与采用新料制备的铸件合格率相当，合金的初熔温度高于原生产技术采用新料制备合金的初熔温度。
文档编号C22B23/00GK101717865SQ200910220238
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者丁书亮, 于兴福, 吴廷宝, 宁英, 崔树森, 张玉忱, 张瑞珍, 杨树林, 杨胜群, 王延辉, 王玉娟, 王铁军, 祝世哲 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司