一种镍基高温合金GH4698大规格铸锭的三联冶炼工艺的制作方法

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gh4698大规格铸锭的三联冶炼工艺，成品铸锭规格为φ660mm，适用于三联冶炼生产gh4698高温合金大规格铸锭。

背景技术：

gh4698高温合金是主要以面心立方的γ＇相沉淀析出强化为主，并辅以固溶强化和晶界强化的镍基高温合金。该合金在750℃以下温度范围内具有较高的强度和韧性、优异的蠕变性能以及良好的抗氧化腐蚀性能，被广泛用于大型轮船和军舰的燃气涡轮盘、导流片、承力环等大型部件。为了保证大型锻件不同部位的组织和性能均匀性，对冶金厂生产的gh4698棒材的成分均匀性和夹杂物含量提出了更高的要求。

目前，国内生产的gh4698铸锭普遍采用双联熔炼工艺，即真空感应熔炼（vim）+真空自耗熔炼（var）。真空感应熔炼浇注的电极内部夹杂物和缩孔较多，电极的致密度较差，在真空自耗重熔时稳定性较差，成品铸锭产生冶金缺陷的风险偏高，而且该工艺生产的铸锭未经过脱s过程，成品铸锭中s元素含量较高，严重影响合金的高温性能。

技术实现要素：

为克服上述现有技术双联熔炼gh4698存在的不足，本发明的目的是提供一种镍基高温合金gh4698大规格铸锭的三联冶炼工艺，采用三联熔炼工艺生产gh4698铸锭，感应电极首先经过电渣二次重熔，得到更为致密的电极，提高真空自耗熔炼过程的稳定性；电渣熔炼时钢液经过渣系的过滤，可降低合金中的杂质元素o、n、s等，提高了铸锭的纯净度；真空自耗熔炼夹杂物颗粒会上浮至熔池表面，在电弧作用下逐渐被坩埚壁吸附，从而可进一步降低合金中的夹杂物含量，同时熔炼过程均采用相对较低的熔速，保证gh4698成品铸锭的成分均匀性；使用该方法可得到组织致密、杂质元素含量更低，成分均匀的大规格gh4698铸锭。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种镍基高温合金gh4698大规格铸锭的三联冶炼工艺，整体工艺路线为真空感应熔炼vim+保护性气氛电渣熔炼esr+真空自耗熔炼var；具体包括以下步骤：

步骤1，真空感应熔炼vim

1）原材料：根据成分配比确定原材料种类和重量如下：镍板4288-4420kg，真空脱气铬870-948kg、钛锭155-168kg、铝锭90-105kg、钼条174-186kg、镍铌中间合金185-200kg，其中nb元素质量分数为65%、镍硼中间合金1.50-1.80kg，其中b元素质量分数为16%、镍镁中间合金6-10kg，其中mg元素质量分数为20%、镍铈中间合金0.8-1.2kg，其中ce元素质量分数为25%，海绵锆1.5-3.0kg、石墨碳2.4-3.6kg；采用规格为8t的坩埚；钢锭模规格为φ470mm；投料量为6t；

2）熔炼：真空感应熔炼可分为五个阶段：冷加料烘烤→第一精炼期→第二精炼期→添加易挥发易烧损原材料→浇钢；首先将原材料中的镍板、石墨碳、金属铬、钼条、镍铌中间合金进行开炉冷加料，按顺序由下向上依次平铺在坩埚底部，加料完成后封炉抽空，待真空度低于0.25mbar后，以100-300kw低功率进行烘烤0.5-2h，该阶段主要是将原材料表面及坩埚耐材的气体排出；缓慢增加功率至500-800kw直至物料全部熔清进入第一精炼期，控制第一精炼期温度范围t1=1510-1560℃，精炼时间1-3h，真空度≤0.1mbar，同时进行电磁搅拌，增强物料熔清速度同时可使钢液成分更均匀；降低功率至50-100kw待钢液表面结膜后加入al锭和ti锭，然后以150-300kw功率加热，物料全部熔清后进入第二精炼期，控制第二精炼期温度范围t2=1410-1480℃，精炼时间1-2h，真空度≤0.1mbar，同时进行电磁搅拌；降低功率至30-80kw保温，充入150-300mba压力的ar气后加入nib、nimg、海绵zr，10-15min后进行测温，并调节功率至浇注温度t3=1520-1580℃后进行浇钢；

步骤2，保护性气氛电渣熔炼esr

1）渣料：caf2:mgo:al2o3:cao:tio2=65%:5%:20%:10%:5%；渣量：90-120kg；选择规格为φ580mm的铜结晶器；

2）esr熔炼：保护性气氛电渣熔炼可分为三个阶段：化渣阶段→稳态阶段→热封顶阶段；首先将渣料装入加渣仓，并设定加渣工艺参数，初始加渣量20-50%，送电后2-5min开始补给加渣，补给加渣时间15-20min；化渣阶段采用功率+渣阻控制，化渣功率为300-600kw，渣阻为3-6mohm，功率和渣阻均采用先快速增加后缓慢降低的趋势，目的是快速形成渣池然后逐渐向稳态阶段过渡，化渣阶段总持续时间50-80min；稳定熔炼阶段采用熔速+渣摆控制，熔速240-360kg/h，渣摆0.15-0.36mohm，并通入0.2bar压力的ar气保护，避免熔炼过程中钢液与空气中的氧气和氮气接触；热封顶阶段采用功率+渣阻控制，功率从稳态功率缓慢降低至稳态的30-45%，渣阻从稳态渣阻逐渐增加至稳态的160-180%，通过缓慢降低功率增加渣阻的方式缓慢降低渣池温度，达到降低铸锭缩孔深度的目的，热封顶起始重量180-240kg，结束重量30-50kg；

步骤3，真空自耗熔炼var

1）采用规格φ660mm的铜结晶器；预真空<0.1pa，漏率<0.5pa/min；

2）var熔炼：真空自耗熔炼可分为三个阶段：起弧阶段→稳态阶段→热封顶阶段；预真空和漏率达到要求后，设定工艺参数开始熔炼；起弧阶段采用电流+熔滴控制，电流3.0-12ka，电压23.0-24.2v，起弧阶段时间为60-80min，电流采用先快速增加后缓慢降低的趋势，目的是快速形成熔池然后逐渐向稳态电流过渡，电压的设定规律主要是与电流进行匹配，保证起弧阶段的稳定性；稳态阶段采用熔速+熔滴控制，熔速4.0-4.8kg/min，熔滴4-61/s，同时通入he气，压力控制为500-1000pa，增强冷却效果；热封顶阶段采用电流+熔滴控制，电流从稳态电流逐渐降低至1.4-2.0ka，熔滴由稳态熔滴数增加到10-161/s，通过降低电流增大熔滴逐渐降低熔炼功率使熔池深度逐渐减小，降低铸锭缩孔深度，提高铸锭成品率，热封顶起始重量300-350kg，结束重量50-80kg；获得大规格gh4698高温合金铸锭。

所述的大规格gh4698高温合金铸锭，按质量百分比，其化学成分为：c:0.03-0.07，cr:13.0-16.0，ti:2.35-2.75，al:1.45-1.80，mo:2.80-3.20，nb:1.90-2.20，s≤0.0070，b≤0.0080，zr≤0.05，mg≤0.0030，ce＜0.005，o≤0.0020，n≤0.0080，ni余量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，

1）采用本发明的三联冶炼工艺生产的大规格gh4698合金铸锭中ni、al、ti、mo、nb、c、b、zr等主元素成分极差较小，成分均匀性较好。

2）采用本发明工艺生产的gh4698高温合金中o、n、s等杂质元素含量更低，提高了铸锭的纯净度。

3）采用本发明方法三次冶炼生产大规格铸锭时成品熔炼过程更加稳定，提高了冶金质量的稳定性。

4）控制第一精炼期温度范围t1=1510-1560℃，精炼时间1-3h，真空度≤0.1mbar，同时进行电磁搅拌，增强物料熔清速度同时可使钢液成分更均匀。

5）通过缓慢降低功率增加渣阻的方式缓慢降低渣池温度，达到降低铸锭缩孔深度的目的。

6）通过降低电流增大熔滴逐渐降低熔炼功率使熔池深度逐渐减小，降低铸锭缩孔深度，提高铸锭成品率。

附图说明

图1为本发明生产的φ660mm大规格gh4698合金成品铸锭。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

1）真空感应熔炼

将镍板4288kg、石墨碳2.4kg、金属铬925kg、钼条186kg、镍铌中间合金200kg原材料进行开炉冷加料，按顺序由下到上逐层平铺在坩埚中，然后进行封炉抽空，45min后真空度达到0.25mbar以下，开始以100kw功率进行烘烤2h；烘烤结束后，按100kw→200kw(10min)→250kw(15min)→300kw

(10min)→400kw(15min)→500kw(25min)→600kw（保持）顺序逐渐增加功率，物料全部熔清后进入第一精炼期，调整功率至500kw，检测钢液温度为1510℃，真空度为0.02mbar，开始精炼2h，同时进行电磁搅拌；降低功率至50kw，10min后观察到坩埚内钢液表面结膜，然后加入al锭95kg和ti锭155kg，以300kw功率加热直至全部熔清进入第二精炼期，调整功率参数检测钢液温度保持在1410-1480℃，精炼时间1h，第二精炼期真空度要求≤0.1mbar，同时进行电磁搅拌；降低功率至50kw保温，充入230mbar的ar气后加入nib中间合金1.6kg、nimg中间合金8kg、nice中间合金0.8kg，海绵锆2.6kg，15min后进行测温1507℃，增加功率后检测钢液温度为1532℃，满足浇注要求，浇注至φ470mm的钢锭模中；

待vim电极脱模冷却后，分别在电极头、中、尾取样进行成分检测，结果如表1所示。

经过真空感应熔炼浇注形成的电极头、中、尾部主元素cr、al、ti、nb、mo和微量元素c、zr、b等极差均较大，成分均匀性较差，杂质元素s含量约20ppm，o含量约11ppm，n含量约34ppm；

步骤2，气氛电渣熔炼esr

感应电极表面处理和锯切头尾后进行焊接，进行保护性气氛电渣二次重熔；选择成分配比为caf2:mgo:al2o3:cao:tio2=60%:5%:20%:10%:5%的渣料，称重120kg放入加渣仓内，并设定加渣工艺，初始加渣量为35%，2min后开始补给加渣，补给加渣时间18min；

熔炼工艺参数设置如下：

化渣阶段工艺参数：功率：300kw→600kw→500kw→450kw→320kw；渣阻：3.0mohm→6.0mohm→4.5mohm→3.8mohm→3.0mohm；时间：1min→10min→15min→15min→20min；

稳态阶段工艺参数：熔速：320kg/h，渣摆：0.25moh；氩气压力：0.2bar；

热封顶阶段工艺参数：功率：100%→85%→70%→50%→30%，渣阻：102%→110%→120%→130%→160%，时间：1min→5min→10min→15min→25min，热封顶起始重量220kg，结束重量40kg；

待电渣锭出炉冷却后，分别在铸锭头、中、尾取样进行成分检测，结果如表2所示。

经过保护性气氛电渣重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、中、尾的极差变小，成分均匀性有所改善。铸锭中的杂质元素s从20ppm降至8ppm，电渣脱硫效果非常明显，o含量约9ppm，n含量约28ppm，气体元素含量略有降低。

步骤3，真空自耗熔炼var

电渣重熔铸锭表面处理后进行焊接，然后进行真空自耗三次重熔，装炉后检测真空度为0.07pa，漏率为0.3pa/min，开始熔炼；

熔炼参数设置如下：

起弧阶段工艺参数：电流：3.0ka→12.0ka→10.4ka→9.2ka→8.6ka，电压：23.8v→24.2v→23.8v→23.6v→23.0v，时间：5min→10min→20min→10min→15min；

稳态阶段工艺参数：熔速：4.0kg/min，熔滴：6.01/s，he气压力：800pa；

热封顶阶段工艺参数：电流：6.2ka→3.6ka→3.2ka→2.4ka→1.8ka，溶滴：7.01/s→7.51/s→8.51/s→12.01/s→14.01/s，时间25min→15min→20min→15min→25min；热封顶起始重量300kg，结束重量60kg。

待铸锭出炉冷却后，分别在铸锭头、中、尾取样进行成分检测，结果如表3所示。

经过真空自耗三次重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、中、尾的极差较小，成分均匀性进一步提高。铸锭中的杂质元素s含量约7ppm，略微下降，o含量约7ppm，n含量约22ppm，气体元素含量有所降低。

实施例2

1）真空感应熔炼

将镍板4370kg、金属铬870kg、石墨碳3.6kg、钼条174kg、镍铌中间合金192kg原材料进行开炉冷加料，按顺序逐层平铺在坩埚中，然后进行封炉抽空，57min后真空度达到0.25mbar以下，开始以200kw功率进行烘烤1h；烘烤结束后，按200kw→220kw(18min)→270kw(10min)→350kw(20min)→

420kw(10min)→550kw(20min)→700kw（保持）顺序逐渐增加功率，物料全部熔清后进入第一精炼期，调整功率至650kw，检测钢液温度为1535℃，真空度为0.04mbar，开始精炼2h，同时进行电磁搅拌；降低功率至75kw，16min后观察到坩埚内钢液表面结膜，然后加入al锭105kg和ti锭159kg，以225kw功率加热直至全部熔清进入第二精炼期，调整功率参数检测钢液温度保持在1410-1480℃，真空度为0.03mbar，开始精炼时间1.5h，同时进行电磁搅拌；降低功率至30kw保温，充入200mbar的ar气后加入nib中间合金1.8kg、nimg中间合金6kg、nice中间合金1.2kg，海绵锆3.0kg，10min后进行测温1596℃，降低功率检测钢液温度为1550℃，满足浇注条件，浇注至φ470mm的钢锭模中。

待vim电极脱模冷却后，分别在电极头、中、尾取样进行成分检测，结果如表1所示。

经过真空感应熔炼浇注形成的电极头、中、尾部主元素cr、al、ti、nb、mo和微量元素c、zr、b等极差均较大，成分均匀性较差，杂质元素s含量约13ppm，o含量约10ppm，n含量约20ppm。

2）保护性气氛电渣熔炼

感应电极表面处理和锯切头尾后进行焊接，进行保护性气氛电渣二次重熔。选择成分配比为caf2:mgo:al2o3:cao:tio2=60%:5%:20%:10%:5%的渣料，称重110kg放入加渣仓内，并设定加渣工艺，初始加渣量为35%，3min后开始补给加渣，补给加渣时间15min。

熔炼工艺参数设置如下：

化渣阶段工艺参数：功率：350kw→560kw→520kw→480kw→300kw；渣阻：3.0mohm→6.0mohm→4.2mohm→3.8mohm→3.4mohm；时间：2min→15min→18min→150min→15min。

稳态阶段工艺参数：熔速：270kg/h，渣摆：0.22moh；氩气压力：0.2bar；

热封顶阶段工艺参数：功率：100%→80%→65%→50%→40%，渣阻：105%→115%→130%→145%→175%，时间1min→8min→15min→10min→20min，热封顶起始重量200kg，结束重量50kg。

待电渣锭出炉冷却后，分别在铸锭头、中、尾取样进行成分检测，结果如表5所示。

经过保护性气氛电渣重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、中、尾的极差变小，成分均匀性有所改善。铸锭中的杂质元素s从13ppm降至7ppm，电渣脱硫效果非常明显，o含量约9ppm，n含量约15ppm，气体元素含量略有降低。

3）真空自耗熔炼

电渣重熔铸锭表面处理后进行焊接，然后进行真空自耗三次重熔，装炉后检测真空度为0.04pa，漏率为0.2pa/min，开始熔炼。

熔炼参数设置如下：

起弧阶段工艺参数：电流：4.0ka→11.6ka→9.4ka→8.6ka→8.2ka，电压：23.9v→24.1v→23.8v→23.6v→23.2v，时间：5min→15min→20min→15min→10min；

稳态阶段工艺参数：熔速：4.8kg/min，熔滴：4.01/s，he气压力：1000pa；

热封顶阶段工艺参数：电流：6.0ka→3.2ka→2.4ka→2.0ka→1.4ka，溶滴：5.01/s→6.21/s→8.41/s→12.51/s→12.51/s，时间：20min→25min→10min→10min→30min；热封顶起始重量325kg，结束重量50kg。

待铸锭出炉冷却后，分别在铸锭头、中、尾取样进行成分检测，结果如表6所示。

经过真空自耗三次重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、中、尾的极差较小，成分均匀性进一步提高。铸锭中的杂质元素s含量约6ppm，略微下降，o含量约7ppm，n含量约11ppm，气体元素含量有所降低。

实施例3

1）真空感应熔炼

将镍板4420kg、金属铬948kg、钼条180kg、石墨碳3.0kg、镍铌中间合金185kg原材料进行开炉冷加料，按顺序由下到上逐层平铺在坩埚中，然后进行封炉抽空，45min后真空度达到0.25mbar以下，开始以300kw功率进行烘烤0.5h；烘烤结束后，按300kw→380kw(10min)→420kw(15min)→

460kw(10min)→520kw(15min)→600kw(25min)→720kw（保持）顺序逐渐增加功率，物料全部熔清后进入第一精炼期，调整功率至800kw，检测钢液温度为1560℃，真空度为0.02mbar，开始精炼2h，同时进行电磁搅拌；降低功率至100kw，10min后观察到坩埚内钢液表面结膜，然后加入al锭90kg和ti锭168kg，以300kw功率加热直至全部熔清进入第二精炼期，调整功率参数检测钢液温度保持在1410-1480℃，精炼时间2h，第二精炼期真空度要求≤0.1mbar，同时进行电磁搅拌；降低功率至80kw保温，充入300mbar的ar气后加入nib中间合金1.5kg、nimg中间合金10kg、nice中间合金1.0kg，海绵锆1.5kg，13min后进行测温1507℃，增加功率后检测钢液温度为1576℃，满足浇注要求，浇注至φ470mm的钢锭模中；

待vim电极脱模冷却后，分别在电极头、中、尾取样进行成分检测，结果如表7所示。

经过真空感应熔炼浇注形成的电极头、中、尾部主元素cr、al、ti、nb、mo和微量元素c、zr、b等极差均较大，成分均匀性较差，杂质元素s含量约22ppm，o含量约14ppm，n含量约35ppm；

2）保护性气氛电渣熔炼

感应电极表面处理和锯切头尾后进行焊接，进行保护性气氛电渣二次重熔。选择成分配比为caf2:mgo:al2o3:cao:tio2=60%:5%:20%:10%:5%的渣料，称重90kg放入加渣仓内，并设定加渣工艺，初始加渣量为50%，5min后开始补给加渣，补给加渣时间20min。

熔炼工艺参数设置如下：

化渣阶段工艺参数：功率：320kw→620kw→510kw→460kw→320kw；渣阻：3.0mohm→5.0mohm→4.5mohm→3.4mohm→3.0mohm；时间：1min→8min→18min→10min→25min；

稳态阶段工艺参数：熔速：300kg/h，渣摆：0.24moh；氩气压力：0.2bar；

热封顶阶段工艺参数：功率：100%→80%→70%→50%→45%，渣阻：105%→110%→125%→150%→180%，时间：1min→6min→15min→10min→25min，热封顶起始重量220kg，结束重量30kg；

待电渣锭出炉冷却后，分别在铸锭头、中、尾取样进行成分检测，结果如表8所示。

经过保护性气氛电渣重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、中、尾的极差略微变小，成分均匀性有所改善。铸锭中的杂质元素s从22ppm降至10ppm，电渣脱硫效果非常明显，o含量约11ppm，n含量约32ppm，气体元素含量略有降低。

3）真空自耗熔炼

电渣重熔铸锭表面处理后进行焊接，然后进行真空自耗三次重熔，装炉后检测真空度为0.02pa，漏率为0.15pa/min，开始熔炼。

熔炼参数设置如下：

起弧阶段工艺参数：电流：3.0ka→10.6ka→9.8ka→8.4ka→8.0ka，电压：23.9v→24.2v→23.9v→23.4v→23.0v，时间：10min→25min→15min→15min→15min；

稳态阶段工艺参数：熔速：4.5kg/min，熔滴：5.01/s，he气压力：600pa；

热封顶阶段工艺参数：电流：5.8ka→3.4ka→2.6ka→2.4ka→1.8ka，溶滴：5.51/s→6.51/s→8.01/s→10.01/s→10.01/s，时间：10min→20min→15min→15min→25min；热封顶起始重量350kg，结束重量80kg。

待铸锭出炉冷却后，分别在铸锭头、中、尾取样进行成分检测，结果如表9所示。

经过真空自耗三次重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、中、尾的极差较小，成分均匀性进一步提高。铸锭中的杂质元素s含量约10ppm，略微下降，o含量约9ppm，n含量约26ppm，气体元素含量进一步降低。

对比例1

采用成分相同的原材料进行双联熔炼，真空自耗成品熔炼采用相同的参数控制，检测成分均匀性和杂质元素含量，同时与三联熔炼铸锭进行对比分析。

1）真空感应熔炼

将镍板4288kg、石墨碳2.4kg、金属铬925kg、钼条186kg、镍铌中间合金200kg原材料进行开炉冷加料，按顺序逐层平铺在坩埚中，然后进行封炉抽空，25min后真空度达到0.25mbar以下，开始以100kw功率进行烘烤2h；烘烤结束后，按100kw→250kw(15min)→300kw(10min)→350kw(10min)→480kw(10min)→600kw(20min)→750kw（保持）顺序逐渐增加功率直至物料熔清进入第一精炼期，调整功率至500kw，检测钢液温度为1510℃，真空度为0.01mbar，开始精炼2h，同时进行电磁搅拌；降低功率至80kw，17min后观察到坩埚内钢液表面结膜，然后加入al锭95kg和ti锭155kg，以300kw功率加热直至全部熔清进入第二精炼期，调整功率参数检测钢液温度保持在1410-1480℃，精炼时间1h，真空度为0.07mbar，同时进行电磁搅拌；降低功率至50kw保温，充入280mbar的ar气后加入nib中间合金1.6kg、nimg中间合金8kg、nice中间合金0.8kg，海绵锆2.6kg，15min后进行测温，检测温度为1550℃，满足浇注要求，浇注至φ580mm的钢锭模中。

待vim电极脱模冷却后，分别在电极头、中、尾取样进行成分检测，结果如表10所示。

双联熔炼的真空感应电极头、中、尾部主元素cr、al、ti、nb、mo和微量元素c、zr、b等极差也较大，成分均匀性较差，杂质元素s含量约20ppm，o含量约10ppm，n含量约32ppm，与三联熔炼真空感应电极较为相近。

2）真空自耗熔炼

电渣重熔铸锭表面处理后进行焊接，然后进行真空自耗三次重熔，装炉后检测真空度为0.09pa，漏率为0.3pa/min，开始熔炼。

熔炼参数设置如下：

起弧阶段工艺参数：电流：3.0ka→11.2ka→10.4ka→9.2ka→8.6ka，电压：23.8v→24.2v→23.8v→23.6v→23.2v，时间：3min→10min→25min→10min→15min；

稳态阶段工艺参数：熔速：4.0kg/min，熔滴：6.01/s，he气压力：800pa；

热封顶阶段工艺参数：电流：6.2ka→3.6ka→3.2ka→2.4ka→1.8ka，溶滴：5.21/s→6.51/s→8.61/s→14.51/s→14.51/s，时间25min→15min→20min→15min→25min；热封顶起始重量300kg，结束重量60kg。

待铸锭出炉冷却后，分别在铸锭头、中、尾取样进行成分检测，结果如表11所示。

经过真空自耗二次重熔后，铸锭中的主元素和微量元素头、中、尾的极差变小，成分均匀性有所提高。铸锭中的杂质元素s含量约17ppm，略微下降，o含量约9ppm，n含量约24ppm，气体元素含量有所降低。

对比三联熔炼与双联熔炼成品铸锭结果，三联铸锭的成分均匀性明显优于双联铸锭，三联铸锭中的气体元素o和n略微偏低，更为关键的是经过保护性气氛电渣重熔，杂质元素s含量可脱除50%左右，本发明的新型三联冶炼工艺可得到更为纯净的铸锭。