一种镍基高温合金GH4720Li的冶炼工艺的制作方法

文档序号:11146421阅读:898来源:国知局
本发明属于高温合金冶炼
技术领域
,具体涉及一种镍基高温合金GH4720Li的冶炼工艺。
背景技术
:高温合金由于具有良好的高温强度和抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀性能,并且能在高温环境中拥有良好的组织稳定性而广泛运用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件。合金化能显著提高高温合金的高温服役强度,因而高温合金的组成元素多达十几种甚至是二十几种,这往往会引起高温合金冶炼过程中合金元素的偏析以及杂质元素含量的提高,这些都会恶化高温合金的性能。GH4720Li是一种镍基时效强化型高温合金,其中Al和Ti的含量较高达到7.5%,通过γ'强化和固溶强化作用,使其用于制造使用温度为650-750℃的高性能压气机和涡轮盘以及在900℃高温环境下服役的涡轮盘。目前国外航空用高温合金普遍运用三联的冶炼工艺,即真空感应熔炼(VIM)+电渣重熔(ESR)+真空自耗重熔(VAR)。然而,保护性气氛电渣重熔过程中,渣料的选择不当不仅不利于除渣而且使高温合金的夹杂增多,对于低熔点元素像Al、Ti元素的烧损难以控制,渣料和冶炼工艺选择不当导致整个铸锭夹杂物增多以及Al、Ti等低熔点元素出现大的波动,致使铸锭报废。技术实现要素:本发明的目的是提供一种镍基高温合金GH4720Li的冶炼工艺,解决了现有方法熔炼GH4720Li高温合金杂质元素含量高、Al、Ti等低熔点元素波动大的问题。本发明所采用的技术方案是:一种镍基高温合金GH4720Li的冶炼工艺,具体包括以下步骤:步骤1,称取原料:按照GH4720Li合金的成分要求,称取一号或零号Ni、真空脱气Cr、海绵Ti、Al豆、金属Co、NiW合金、NiMo合金、碳、NiMg合金、NiB合金、海绵锆;步骤2,真空感应熔炼:2.1将70-80wt%Ni、金属Co、NiMo合金、NiW合金和20-30wt%Ni依次装入炉中,抽真空到真空度≤0.1Pa时,缓慢升功率直至原材料熔清后,调节功率至精炼温度精炼,精炼过程中施加电磁搅拌;2.2降功率至熔体表面结膜后加入真空脱气Cr,升功率至熔清后调节功率至精炼温度精炼,精炼过程中施加电磁搅拌;2.3降功率至熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti,升功率至熔清后调节功率至精炼温度精炼,精炼过程中施加电磁搅拌;2.4降功率保温,并充氩气至20000Pa后加入NiB合金、海绵Zr和NiMg合金,施加电磁搅拌一定时间后调节功率至浇注温度后出钢,得到真空熔炼铸锭;步骤3,真空自耗熔炼:将步骤2得到的真空熔炼铸锭置于VAR铜坩埚中熔炼,进行两次真空自耗熔炼,得到GH4720Li高温合金铸锭。本发明的特点还在于,GH4720Li高温合金各成分重量百分比wt%:C:0.01-0.02,Cr:15.5-16.5,Co:14-15.5,W:1.00-1.50,Mo:2.75-3.25,Al:2.25-2.75,Ti:4.75-5.25,B:0.01-0.02,Zr:0.025-0.05,Fe≤0.5,Si≤0.2,P≤0.015,S≤0.001,O≤0.002,N≤0.003,Ni:余量。步骤2中熔清温度为1500-1550℃,精炼温度为1480-1500℃,精炼时间为20-40min。步骤2.1-2.3中熔炼和精炼时的真空度≤0.1Pa。步骤2.4中浇注温度为1460-1480℃。步骤3中,熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且以充氦压力作为参考,通过调控氦气流量使氦气压力维持在300-400Pa,当氦气压力增大时,降低氦气流量确保氦气压力降低到设定值,当氦气压力减小时,增大氦气流量确保氦气压力升高到设定值。流量控制具体为:熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到150-200kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。步骤3中第一次真空自耗熔炼的熔速为3.3-3.7kg/min。步骤3中第二次真空自耗熔炼的熔速为2.8-3.2kg/min。本发明的有益效果是,(1)本发明采用新型的三联冶炼工艺提高了GH4720Li合金的冶金质量,特别是在GH4720Li合金中起主要强化作用的γ’相形成元素Al元素和Ti元素成分控制精度高以及均匀性好,其他合金元素偏析减少并且成分控制精度高。(2)制备得到的GH4720Li合金中O、N、S等杂质元素含量减少,其性能在650-750℃具有长期的稳定性。(3)本发明新型的三联冶炼工艺成本低,操作简单并且提高铸锭质量的稳定性。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明一种镍基高温合金GH4720Li的冶炼工艺,具体包括以下步骤:步骤1,称取原料:按照各成分重量百分比(wt%):C:0.01-0.02,Cr:15.5-16.5,Co:14-15.5,W:1.00-1.50,Mo:2.75-3.25,Al:2.25-2.75,Ti:4.75-5.25,B:0.01-0.02,Zr:0.025-0.05,Fe≤0.5,Si≤0.2,P≤0.015,S≤0.001,O≤0.002,N≤0.003,Ni:余量,称取一号或零号Ni、真空脱气Cr、海绵Ti、Al豆、金属Co、NiW合金、NiMo合金、碳、NiMg合金、NiB合金、海绵锆。步骤2,真空感应熔炼(VIM)2.1将70-80wt%金属Ni、金属Co、NiMo合金、NiW合金和20-30wt%金属Ni依次装入炉中,抽真空到真空度≤0.1Pa时,缓慢升功率直至原材料熔清,熔清熔体温度为1500-1550℃;进入精炼期,调节功率至精炼温度1480-1500℃,精炼20-40min,精炼过程中施加电磁搅拌;2.2降功率至熔体表面结膜后加入真空脱气Cr,升功率至熔清,熔清熔体温度为1500-1550℃;进入精炼期,调节功率至精炼温度1480-1500℃,精炼20-40min,精炼过程中施加电磁搅拌;2.3降功率至熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti,升功率至熔清,熔清熔体温度为1500-1550℃;进入精炼期,调节功率至精炼温度1480-1500℃,精炼20-40min,精炼过程中施加电磁搅拌;2.4降功率保温,并充氩气至20000Pa后加入NiB合金、海绵Zr和NiMg合金,施加电磁搅拌一定时间后调节功率至浇注温度后出钢至Φ350mm的铸模中,浇注温度为1460-1480℃,得到真空熔炼铸锭。步骤2.1-2.3中熔炼和精炼时的真空度≤0.1Pa。步骤3,一次真空自耗熔炼(VAR):将步骤2得到的真空熔炼铸锭置于规格为Φ410mm的VAR铜坩埚中,控制熔速3.3-3.7kg/min进行熔炼,得到一次真空自耗熔炼铸锭。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且以氦压力作为参考,通过调控氦气流量使氦气压力维持在300-400Pa,当氦气压力增大时,降低氦气流量确保氦气压力降低到设定值,当氦气压力减小时,增大氦气流量确保氦气压力升高到设定值。流量控制具体为:熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到150-200kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。步骤4,二次真空自耗熔炼(VAR):将步骤3得到的一次真空熔炼铸锭置于规格为Φ490mm的VAR铜坩埚中,控制熔速2.8-3.2kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且以氦压力作为参考,控制过程同步骤3。本发明首先采用真空感应熔炼方法将高温合金原材料分批加入炉中熔化和精炼,在精炼过程中施加电磁搅拌,从而起到逐步脱气和除渣的作用。而且,在最后加入低熔点和含量较少的原材料合金NiMg、合金NiB和海绵Zr时,采用充氩的方法熔炼以减少低熔点合金元素的损失。从而获得杂质元素较少、成分均匀性较好以及合金化程度较高的VIM铸锭。考虑到GH4720Li高温合金的Al元素和Ti元素含量较高约为7-8wt%,并且其为γ’的主要形成元素,而γ’相在GH4720Li高温合金中起主要强化作用。真空自耗重熔(VAR)比电渣重熔(ESR)对Al和Ti元素的烧损程度小,并且电渣重熔需要选择较好的渣系,成本也高,而真空自耗重熔(VAR)也有很好的除气和除夹杂物的能力,因此选用真空自耗重熔(VAR)对VIM铸锭进行熔炼,即采用新型的三联(VIM+VAR+VAR)冶炼工艺对GH4720Li进行冶炼,能够获得成分合乎标准且均匀性好以及杂质元素含量更少的铸锭。实施例1(1)真空感应熔炼(VIM):先将70wt%Ni、金属Co、NiMo合金、NiW合金和30wt%Ni依次装入炉中,等到真空度≤0.1Pa时,缓慢升功率至300kw开始熔化原材料,缓慢升功率至450kw直至原材料熔清,测得此时温度为1520℃,进入精炼期调节熔体温度为1500℃,精炼时间为30min,精炼过程中施加电磁搅拌;待降功率熔体表面结膜后加入真空脱气Cr,升功率至熔清,测得此时温度为1530℃,进入精炼期调节熔体温度为1500℃,精炼时间为20min,精炼过程中施加电磁搅拌;待降功率熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti,升功率至熔清,此时温度为1500℃;进入精炼期调节熔体温度为1480℃,精炼时间为20min,精炼过程中施加电磁搅拌;然后降功率至100kw保温,并充氩气至20000Pa后加入NiB合金、海绵Zr和NiMg合金,电磁搅拌15min后调节功率使熔体温度为1460℃时出钢。得到的VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表1所示。表1VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01616.252.565.120.00090.00120.0018中部0.01316.162.505.060.00090.00110.0017尾部0.01516.222.515.050.00080.00120.0018(2)一次真空自耗熔炼(VAR)将得到VIM铸锭置于真空感应炉VAR铜坩埚中,控制熔速3.3kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且充氦压力作为参考,熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到150kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。一次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表2所示。表2一次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01416.232.525.090.00090.000110.0014中部0.01216.142.485.040.00080.000100.0013尾部0.01516.202.475.030.00080.000110.0012由表2可见,一次VAR铸锭成分均匀性好,杂质元素含量减少。(2)二次真空自耗熔炼(VAR)将得到一次VAR铸锭置于真空感应炉VAR铜坩埚中,控制熔速2.8kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且充氦压力作为参考,熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到160kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。二次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表3所示。表3二次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01316.142.464.980.00070.00090.0012中部0.01216.122.444.950.00070.00080.0012尾部0.01316.162.454.950.00080.00090.0012由表3可见,二次VAR铸锭成分均匀性更好,杂质元素含量进一步减少。实例2(1)真空感应熔炼(VIM):先将75wt%Ni、金属Co、NiMo合金、NiW合金和25wt%Ni依次装入炉中,等到真空度≤0.1Pa时,缓慢升功率至300kw开始熔化原材料,缓慢升功率至500kw直至原材料熔清,测得此时温度为1530℃,进入精炼期调节熔体温度为1500℃,精炼时间为30min,精炼过程中施加电磁搅拌;待降功率熔体表面结膜后加入真空脱气Cr,升功率至熔清,测得此时温度为1520℃,进入精炼期调节熔体温度为1490℃,精炼时间为20min,精炼过程中施加电磁搅拌;待降功率熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti,升功率至熔清,此时温度为1500℃,进入精炼期调节熔体温度为1480℃,精炼时间为20min,精炼过程中施加电磁搅拌;然后降功率至100kw保温,并充氩气至20000Pa后加入NiB合金、海绵Zr和NiMg合金,电磁搅拌15min后调节功率使熔体温度为1470℃时出钢。VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表4所示。表4VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01516.242.535.080.00060.00080.0016中部0.01316.182.495.040.00060.00080.0015尾部0.01616.202.515.040.00060.00080.0015(2)一次真空自耗熔炼(VAR)将得到VIM铸锭置于真空感应炉VAR铜坩埚中,控制熔速3.5kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且充氦压力作为参考,熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到180kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。一次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表5所示表5一次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01316.182.424.960.00060.00070.0013中部0.01216.132.524.970.00050.00070.0013尾部0.01416.162.484.980.00060.00080.0013由表5可见,一次VAR铸锭成分均匀性好,杂质元素含量减少。(2)二次真空自耗熔炼(VAR)将得到一次VAR铸锭置于真空感应炉VAR铜坩埚中,控制熔速3.0kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且充氦压力作为参考,熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到190kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。二次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表6所示表6二次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01216.062.434.900.00050.00060.0010中部0.01216.032.414.890.00050.00060.0010尾部0.01316.052.424.890.00060.00060.0010由表6可见,二次VAR铸锭成分均匀性更好,杂质元素含量进一步减少。实施例3(1)真空感应熔炼(VIM):先将80wt%Ni、金属Co、NiMo合金、NiW合金和20wt%Ni依次装入炉中,等到真空度≤0.1Pa时,缓慢升功率至300kw开始熔化原材料,缓慢升功率至550kw直至原材料熔清,测得此时温度为1540℃,进入精炼期调节熔体温度为1500℃,精炼时间为40min,精炼过程中施加电磁搅拌;待降功率熔体表面结膜后加入真空脱气Cr,升功率至熔清,测得此时温度为1550℃,进入精炼期调节熔体温度为1500℃,精炼时间为20min,精炼过程中施加电磁搅拌;待降功率熔体表面结膜后加入Al和Ti,升功率至熔清,此时温度为1500℃,进入精炼期调节熔体温度为1480℃,精炼时间为20min,精炼过程中施加电磁搅拌;然后降功率至100kw保温,并充氩气至20000Pa后加入NiB合金、海绵Zr和NiMg合金,电磁搅拌15min后调节功率使熔体温度为1480℃时出钢。VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表7所示。表7VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01416.162.454.970.00060.00070.0014中部0.01216.102.404.920.00050.00070.0015尾部0.01516.122.424.940.00060.00080.0015(2)一次真空自耗熔炼(VAR)将得到VIM铸锭置于真空感应炉VAR铜坩埚中,控制熔速3.7kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且充氦压力作为参考,熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到190kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。一次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表8所示表8一次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01216.112.394.860.00060.00060.0012中部0.01116.092.384.870.00050.00070.0013尾部0.01216.132.414.910.00060.00070.0013由表8可见,一次VAR铸锭成分均匀性好,杂质元素含量减少。(2)二次真空自耗熔炼(VAR)将得到一次VAR铸锭置于真空感应炉VAR铜坩埚中,控制熔速3.2kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却,采用流量控制并且充氦压力作为参考,熔炼起始阶段,坩埚内钢液重量达到200kg时,开始充氦气并且在60min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到110ml/min;熔炼过程中,通过调节流量的大小使氦气压力维持在300-400Pa;热封顶阶段的30min内氦气的流量从110ml/min降低到30ml/min。二次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表9所示。表9二次VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt%)铸锭部位CCrAlTiSON头部0.01116.032.364.830.00050.00050.0011中部0.01116.032.374.840.00050.00060.0010尾部0.01016.042.364.820.00060.00060.0010由表9可见,二次VAR铸锭成分均匀性更好,杂质元素含量进一步减少。当前第1页1 2 3 
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