一种解决高温合金中合金元素偏析的配料方法
【专利摘要】本发明提供了一种解决高温合金中合金元素偏析的配料方法，其特征是：将高温合金原料中的纯金属全部用中间合金代替，所述的中间合金粒度为10～30mm，高熔点金属或者活性金属含量在60～65%，剩余金属为镍或铁，其它杂质含量单一不超过0.1%，总和不得超过1.0%，通过该方法既可以得到无冶金缺陷（金属偏析）、成分均匀的电极棒，同时有效控制了高温合金中各个元素的含量降低了高温合金的生产成本。
【专利说明】一种解决高温合金中合金元素偏析的配料方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高温合金熔炼领域，具体为解决高温合金中金属偏析引起的质量问题的配料方法。
【背景技术】
[0002]高温合金具有良好的高温强度、抗氧化和抗腐蚀能力，优异的抗疲劳、抗蠕变性能、断裂韧性和组织稳定性，是航空发动机和各种工业燃气轮机发展的关键材料。高温合金是含有一定数量高熔点难熔金属如钨、钼、钽和铌等和少量活性金属如铝、钛、锆等的镍基、铁基或钴基合金，其冶炼过程十分复杂，而高熔点金属在合金内是否均匀分布是生产高温合金合格与否的关键所在。因此，高温合金的生产难度相当大。以镍基高温合金为例，国内高温合金生产企业在高温合金配料时一直采用加入纯金属块、条或杆的方法，该方法对于低熔点金属来说不存在任何问题，但对高熔点金属来说存在不确定因素。采用该方法时，为了避免出现高熔点金属不充分熔化，在感应坩祸内布料成为关键，将难熔金属放置在感应坩祸内的高温区域内才可能使其熔化，通过电磁力搅拌熔融态镍液使高熔点金属逐渐均匀分布在钢液中。该方法存在以下问题:一.高熔点金属的熔点(铌熔点24681，钼熔点；26101，钨熔点34100远高于熔融态镍的温度(真空感应设计温度为1650?17001，按照镍基合金计算，镍的熔点仅为14551:),即使坩祸内局部钢液存在过热度但也未达到高熔点金属的熔点；二?高熔点金属密度较大(如铌密度8.578八1113，钼密度:10.2 钨密度19.358/(^3),在熔炼过程中由于熔融态镍密度较小容易整块沉于坩祸底部，导致坩祸底部钢液中高熔点金属的浓度较大；三.活性金属的熔点(如铝熔点6601:，钛熔点16681:，锆熔点18521:)相差较大，熔化时间不一致；四.活性金属的密度较小(如铝密度2.7^/0111^钛密度4.51^/0111^锆密度4.574^/01113),熔炼过程中会浮于液态镍表面，受其蒸气压影响，在真空下易挥发和烧损；五? 受感应熔炼时间的限制，高熔点金属的熔化不充分会导致块状金属残留在的熔融态镍中，低熔点金属易熔化但浮于熔融态镍的表面。以上不足会导致高温合金锭中成分不均匀和高密度夹杂的缺陷存在，在后续的重熔和热加工过程中这种冶金缺陷是难以消除的，并最终严重影响其产品机械性能和使用寿命。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有高温合金产品中存在成分不均匀和高密度金属夹杂的冶金缺陷，造成高温合金产品性能不稳定、质量不过关等问题，提供一种新的配料方法。
[0004]为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案实现的:一种解决高温合金中难熔金属偏析的配料方法，包括以下步骤:(1)原料选择:选择中间合金为原料，如铌镍(铌铁\钨镍(钼铁\钼镍(鹤铁\钛镍(钛铁\铝镍(销铁)等中间合金作为原材料；(2)中间合金的要求:中间合金粒度为30?50臟之间，高熔点金属或者活性金属含量控制在60?65%，剩余金属为镲或铁，其它杂质含量单一不超过0.1%，总和不得超过1.0%:(3)原料要求:尽量选择杂质含量低的优质中间合金，确保原料有害杂质尽量少；(4)原料净化:确保原料为金属色表面无锈斑和无异物，混料前需在电炉内烘干:(5)合金配料:按照标准要求或者客户要求进行某一牌号合金的成分配料，依据原材料的熔点、密度、易氧化程度、挥发性和加入量等情况计算合金投料。
[0005]上述步骤(1)中，选用难熔金属的中间合金其目的是有效降低难熔金属的熔点和密度，确保难溶金属能悬浮在钢液中并在短时间内熔化，本发明不限于二元合金，包括二元以上的中间合金。
[0006]上述步骤(2 )中，选用中间合金对粒度要求，其目的是在机械混料时将中间合金均匀的和其它原料混合，方便在感应坩祸布料，降低了布料难度。
[0007]上述步骤(3)中，选用杂质含量低的优质中间合金，其目的是控制原料纯度，降低杂质元素对高温合金性能的影响。
[0008]上述步骤(4)中，原料净化的目的是通过人工筛选除去混在原料中的锈斑和无异物，筛选后原料经过烘干去除气体和湿气等，处理后的原料必须在3小时以内装如感应坩祸，否则需再次烘干处理。
[0009]上述步骤(5)中，合金配料时需考虑到不同原料在熔炼过程中损耗不同需做适当的调整以获得理想的合金成分。
[0010]经过本发明人研宄，得出高温合金配料采用高品质的中间合金，既可以得到无冶金缺陷(金属偏析\成分均匀的电极棒，同时有效控制了高温合金中各个元素的含量，还降低了高温合金的生产成本。
【具体实施方式】
[0011〕 实施例1:高温合金⑶3044配料方法
参照(?/！' 14992-2005高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号，高温合金⑶3044其化学成分(重量百分比)为:23.5?26.5 % 0， 13.0?16.0 % 1,彡1.5 % 1。，彡 4.0 % ？6， 0.30 ~ 0.70 %丁1，彡 0.5% 八1，彡 0.50 % 跑，彡 0.8% 81,彡 0.07%01，彡 0.10 % 0,彡 0.013 % ？，彡 0.013 %3，余量为附。
[0012]高温合金熔炼工艺:
1.1选料:工业原料选用杂质含量低的优质牌号，以确保原料带入的有害杂质元素最少，主要原料有电解镍(附9990),金属铬(1099-八)，附160，八，11^155，八1？620和^68175^10.5八。
[0013]1.2配料:诎3044高温合金5001?真空感应炉配料如下:电解镍(附9990):220.80^ ；金属络 0099-八):1281? ；附胃60:129.1671? ；？61060-八:10.8341? ；丁1附55:6.6671? ；八1？620:1.875匕，^8175^10.5八:2.667匕，其余元素如胞、⑶、?:、3、？等作为杂质元素只需控制其含量即可，合金主要元素配料理论值为:25.6%0，15.5%1，1.3%10，1.08%？6，0.3%八1，0.6%丁 1，0.4%81，附基材，满足标准要求。
[0014]1.3原料处理:原材料在冶炼前经过清洗去污，除氧化物和杂物，对于反应活性低的原料在100?1501:电炉中进行5?8小时烘干预热处理，对于反应活性高的原料在50?8000电炉中进行10?15小时烘干预热处理。经过预热处理的原材料必须在3小时以内装炉。
[0015]1.4装料:将配好的高温合金原材料，根据原材料的熔点、密度、易氧化程度、挥发性和加入量等情况依次装入感应坩祸中，将附160、？61060-八、部分电解镍和金属铬装入感应坩祸中约300匕，剩余2001?原料装入2个料桶中以便加料，II附55和八1？620单独装入合适的料桶等待合金化时加入。
[0016]1.5锭模和导流槽加热:将锭模和导流槽放入电炉中加热，确保熔炼结束前1小时，导流槽达到800?10001:，锭模达到500?6001:。
[0017]1.6冶炼工艺:
1.6.1抽真空装完料随即合上炉盖，先开始抽真空，当真空度彡5？3时，可进行小功率送电；
1.6.2熔化:开始以801(1功率送电15分钟，随后增大功率至1501(1送电5分钟，最后以2001(1大功率送电直至熔清。炉料开始熔化时注意观察炉内情况，可采取及时倾动感应坩祸防止炉料“架桥”，确保炉料自动缓慢下沉和熔化；同时，可通过加料仓多次补充加料，直至炉料完全熔化即熔清；
1.6.3精炼:当炉料熔清后继续大功率送电，并不断倾动感应坩祸2?5次，直到温度达到1500?16001:时，降低功率至1001(1并在此温度下保持30?50分钟，同时确保精炼期真空度? 1.0？3。精炼期结束后即可停电，进行降温结膜，以待进入合金化期；
1.6.4合金化:合金化期防止温度过高又要考虑铝、钛金属元素在真空下烧损和挥发，先关闭真空感应炉真空机组系统，在炉内通入惰性气体氩气到炉内气体压力达到3000?5000？^时合金化开始，以2001(1大功率送电进行升温，当温度达到1450?15001:时，降低送电功率至100X1，通过加料仓缓慢加入II附55，^20中间合金，然后搅拌熔池同时倾动感应坩祸2?5次，尽量使感应坩祸内不同部位的合金成分均匀，5?10分钟后停电降温进行冷处理。与此同时，将加热好的导流槽和锭模分别装如溜槽室和锭模室，打开两腔室的真空机组抽真空；
1.6.5浇注:观察炉内熔池液面结膜状况，大约20?30分钟，送电功率调至200鼎升温同时搅拌熔液，当熔液温度达到1400?14501:时，调整送电功率至100X1，调整温度准备浇注。与此同时观察溜槽室和锭模室当真空度小于后，打开溜槽室和锭模室、锭模室和熔炼室之间隔板阀，导流槽输送到浇注位置等待浇注。浇注过程中功率调至60?100X1，浇注后导流槽返回流槽室，依次关闭锭模室和熔炼室、溜槽室和锭模室之间隔板阀。锭模在锭模室内保留30?60分钟后破空取出，等锭模温度在大气中降到7001:以下时方可开始脱模，脱模后的电极棒必须经过打磨或车光并去除头尾以便下一道工序加工。
[0018]1.7化学成检测:依据68/120066-2006标准对铸锭取样分析后，获得如下成分:25.6%0，15.46%胃，1.28%10，1.01%？6，0丨 58%丁1,0.29%八 1,0.35^81,0.04^0,0.002%3，0.004%？，附基材。
[0019]实施例2:高温合金,3附0276配料方法
参照…腿38462标准，高温合金,3 [0276其化学成分(重量百分比)为彡2.5 %00?
14.5-16.5% 01-, 15.0-17.0 % 1〇，3.0 ?4.5 % 1, 4.0-7.0%？6，彡 1.0 %！11，彡 0.35
彡 0.08 %31，彡 0.01%?:，彡 0.015%？，彡 0.018,余量为附。
[0020]高温合金熔炼工艺:
2.1选料:工业原料选用杂质含量低的优质牌号，以确保原料带入的有害杂质元素最少，主要原料有电解镍(附999(0，金属铬0099-八)，附160，？61。60-八。
[0021]2.2配料:,3附0276高温合金5001?真空感应炉配料如下:电解镍(附9920):280.8661? ；金属铬(1099-八):80.8101? 办1160:28.3341? ；？61070:110.0^ ；其余元素如胞、V、0, 3、？等作为杂质元素只需控制其含量即可，合金主要元素配料理论值为:16%0，
3.4%胃，15.4^10,6.6%？6，附基材，满足标准要求。
[0022]2.3原料处理:原材料在冶炼前经过清洗去污，除氧化物和杂物，对于反应活性低的原料在100?1501:电炉中进行5?8小时烘干预热处理，对于反应活性高的原料在50?8000电炉中进行10?15小时烘干预热处理。经过预热处理的原材料必须在3小时以内装炉。
[0023]2.4装料:将配好的高温合金原材料，根据原材料的熔点、密度、易氧化程度、挥发性和加入量等情况依次装入感应坩祸中，将附160、？61060-八、部分电解镍和金属铬装入感应坩祸中约300匕，剩余2001?原料装入2个料桶中以便加料。
[0024]2.5锭模和导流槽加热:将锭模和导流槽放入电炉中加热，确保熔炼结束前1小时，导流槽达到800?10001:，锭模达到500?6001:。
[0025]2.5冶炼工艺
2.5.1抽真空:装完料随即合上炉盖，先开始抽真空，当真空度彡5？3时，可进行小功率送电；
2.5.2熔化:开始以801(1功率送电15分钟，随后增大功率至1501(1送电5分钟，最后以2001(1大功率送电直至熔清。炉料开始熔化时注意观察炉内情况，可采取及时倾动感应坩祸防止炉料“架桥”，确保炉料自动缓慢下沉和熔化；同时，可通过加料仓将剩余的两桶料依次加入，直至炉料完全熔化即熔清；
2.5.3精炼:当炉料熔清后继续大功率送电，并不断倾动感应坩祸2?5次，直到温度达到1500?16001:时，降低功率至1001(1并在此温度下保持30?50分钟，同时确保精炼期真空度? 1』？3。精炼期结束后即可停电，进行降温结膜。与此同时，将加热好的导流槽和锭模分别装如溜槽室和锭模室，打开两腔室的真空机组抽真空；
2.5.4浇注:观察炉内熔池液面结膜状况，大约20?30分钟，送电功率调至2001(1升温同时搅拌熔液，当熔液温度达到1400?14501:时，调整送电功率至100X1，调整温度准备浇注。与此同时观察溜槽室和锭模室当真空度小于后，打开溜槽室和锭模室、锭模室和熔炼室之间隔板阀，导流槽输送到浇注位置等待浇注。浇注过程中功率调至60?100X1，浇注后导流槽返回流槽室，依次关闭锭模室和熔炼室、溜槽室和锭模室之间隔板阀。锭模在锭模室内保留30?60分钟后破空取出，等锭模温度在大气中降到7001:以下时方可开始脱模，脱模后的电极棒必须经过打磨或车光并去除头尾以便下一道工序加工。
[0026]2.6化学成检测
依据(^/120066-2006标准对铸锭取样分析后，获得如下成分:15.9%0，3.41%胃，
15.389()10,6.61%？6，0.209^0,0.01 %此， 彡 0.02 0.05^81,0.005^0,0.002%8^0.004%？，附基材。
[0027]实施例3:高温合金111(301161718配料方法
参照舰3 56621-2004标准，高温合金111(30116718其化学成分(重量百分比)为50.0~ 55.0%附；彡 1.0 %00 ^17.0-21.0%0 ^2.80-3.30%1。；4 75-5.50%他 ^0.20-0.80%八 1 ；0.65-1.15%11 ；彡 0.35%81 0.35%胞0.30 %011 0.08 % 0 0.006 % 8 ；彡0.015 % ？；彡 0.015 % 8 ；余量为？6。
[0028]高温合金熔炼工艺:
3.1选料:工业原料选用杂质含量低的优质牌号，以确保原料带入的有害杂质元素最少，主要原料有电解镍(附9990),金属铬(1099-八),？6恥50-八，？6！060-八，11^155和八1？620。
[0029]3.2配料:高温合金III⑶1161718配料如下:电解镍(附9990):226.2041? ；？6^14010:94.4341? ；金属铬(1099-八):90.4101? ；？61070:20.7151? ；？6恥50-八:54.0^ ；丁1附55:11.1121? ；八1？620:3.125匕，其余元素如31、胞、。』、8、3、？等作为杂质元素只需控制其含量即可。合金主要元素配料理论值为:17.99()0,2.9%10，1.0^11,0.5%八1,5.4%他，54.02%附，18.1%？6，满足标准要求。
[0030]3.3原料处理:原材料在冶炼前经过清洗去污，除氧化物和杂物，对于反应活性低的原料在100?1501:电炉中进行5?8小时烘干预热处理，对于反应活性高的原料在50?8000电炉中进行10?15小时烘干预热处理。经过预热处理的原材料必须在3小时以内装炉。
[0031]3.4装料:将配好的高温合金原材料，根据原材料的熔点、密度、易氧化程度、挥发性和加入量等情况依次装入感应坩祸中，将？6他50-八、？61070部分电解镍和金属铬装入感应坩祸中约300匕，剩余2001?原料装入2个料桶中以便加料，II附55和八1？620单独装入合适的料桶等待合金化时加入。
[0032]3.5锭模和导流槽加热:将锭模和导流槽放入电炉中加热，确保熔炼结束前1小时，导流槽达到800?10001:，锭模达到500?6001:。
[0033]3.6冶炼工艺
3.6.1抽真空:装完料随即合上炉盖，先开始抽真空，当真空度彡5？3时，可进行小功率送电；
3.6.2熔化:开始以801(1功率送电15分钟，随后增大功率至1501(1送电5分钟，最后以2001(1大功率送电直至熔清。炉料开始熔化时注意观察炉内情况，可采取及时倾动感应坩祸防止炉料“架桥”，确保炉料自动缓慢下沉和熔化；同时，可通过加料仓多次补充加料，直至炉料完全熔化即熔清；
3.6.3精炼:当炉料熔清后继续大功率送电，并不断倾动感应坩祸2?5次，直到温度达到1500?16001:时，降低功率至1001(1并在此温度下保持30?50分钟，同时确保精炼期真空度? 1.0？3。精炼期结束后即可停电，进行降温结膜，以待进入合金化期；
3.6.4合金化:合金化期防止温度过高又要考虑铝、钛金属元素在真空下烧损和挥发，先关闭真空感应炉真空机组系统，在炉内通入惰性气体氩气到炉内气体压力达到3000?5000？^时合金化开始，以2001(1大功率送电进行升温，当温度达到1450?15001:时，降低送电功率至100X1，通过加料仓缓慢加入II附55，^20中间合金，然后搅拌熔池同时倾动感应坩祸2?5次，尽量使感应坩祸内不同部位的合金成分均匀，5?10分钟后停电降温进行冷处理。与此同时，将加热好的导流槽和锭模分别装如溜槽室和锭模室，打开两腔室的真空机组抽真空；
3.6.5浇注:观察炉内熔池液面结膜状况，大约20?30分钟，送电功率调至200鼎升温同时搅拌熔液，当熔液温度达到1400?14501:时，调整送电功率至100X1，调整温度准备浇注。与此同时观察溜槽室和锭模室当真空度小于后，打开溜槽室和锭模室、锭模室和熔炼室之间隔板阀，导流槽输送到浇注位置等待浇注。浇注过程中功率调至60?100X1，浇注后导流槽返回流槽室，依次关闭锭模室和熔炼室、溜槽室和锭模室之间隔板阀。锭模在锭模室内保留30?60分钟后破空取出，等锭模温度在大气中降到7001:以下时方可开始脱模，脱模后的电极棒必须经过打磨或车光并去除头尾以便下一道工序加工。
[0034]3.7化学成检测:依据68/120066-2006标准对铸锭取样分析后，获得如下成分:54.10%咐，17.85%0，5.41%他，2.88%1〇，18.15%？6，0.1%?:0，0.49%八 1，1.08%丁1，0.01%此，0.01 %01，0.001 %乂，0.04%31，0.005%?:，0.002%8，0.002%3，0.004%？。
【权利要求】
1.一种解决高温合金中合金元素偏析的配料方法，其特征是:将高温合金原料中的纯金属用中间合金代替，所述的中间合金粒度为10?30mm，高熔点金属或者活性金属含量在60?65%，剩余金属为镍或铁，其它杂质含量单一不超过0.1%，总和不得超过1.0%。
2.根据权利要求1所述的一种解决高温合金中合金元素偏析的配料方法，其特征是:所述中间合金采用二元合金为原料。
3.根据权利要求1或2所述的一种解决高温合金中合金元素偏析的配料方法，其特征是:所述的二元中间合金为银镲(银铁)或鹤镲(钼铁)或钼镲(鹤铁)或钛镲(钛铁)或销镲(铝铁)作为原材料。
【文档编号】C22C1/03GK104480331SQ201410667358
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】高文红, 丁旭, 庞继明, 高建华, 王红玲, 安琪, 陈隆阳, 许曼琴 申请人:西安邦信特种金属材料科技有限公司