一种梯度氧含量镍基高温合金的制备方法与流程

本发明涉及一种合金的制备方法，尤其涉及一种具有梯度氧含量的镍基高温合金的制备方法，属于合金熔炼
技术领域：
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背景技术：
：高温合金等复杂领域应用的特殊合金对气体元素氧(o)、氮(n)含量的指标一般都严格要求，因此需要使用高纯原材料通过真空感应熔炼进行制备母合金材料。生产零件时，切取适量母合金再经过真空感应熔炼后浇注成铸件。从科学研究的角度来看，系统研究氧含量对材料的影响需要制备一种n含量和其他主元素稳定而氧含量呈梯度分布的合金材料。但是在真空感应熔炼过程中，o极容易与合金中的碳(c)等形成一氧化碳气体(co)以及易挥发的氧化物从合金中脱除，n也随co气泡一同脱除，一般o、n均同步降低，难以控制氧呈梯度分布。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术存在的合金中的氧无法呈梯度分布的缺陷，提出一种具有梯度氧含量的镍基高温合金的制备方法，得到氮含量基本固定、氧含量梯度单调变化合金材料。本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种具有梯度氧含量的镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：第一步、用真空感应熔炼技术制备母合金，采用红外法测试母合金中的o含量o母(wt％),使母合金的氧含量低于设计梯度的最低值；第二步、选择mxoy经化学式k化学计算氧含量为(16×y/(16×y+m×x)),其中m为m元素的原子量,熔点低于精炼温度1550℃的氧化物作为增氧剂；第三步、根据模具熔炼，切取等重m母(g)的同一炉母合金材料，数量为设计梯度间隔；第四步、重熔材料，进行增氧剂烧损试验，加入氧化物的重量m氧化物(g)，根据自合金实际氧含量o子，不考虑母合金重熔的脱氧情况，确定该氧化物氧的收得率v收得％，公式为v收得＝m母·(o子-o母)/(m氧化物·k化学)·100％；第五步、o含量目标设计值为o设计(wt％),根据重熔合金料的重量m母(g)，计算需要加入氧化物的重量m氧化物(g)，根据氧含量收得率得到氧含量守恒的关系式为o设计·m母＝m氧化物·k化学·v收得+o母·m母；m氧化物＝m母·(o设计-o母)/(k化学·v收得)；第六步、称取m氧化物(g)的氧化物，制成料包；第七步、采用常规真空感应重熔工艺化清母合金原材料后，通入惰性气体，加入料包，待化清后直接浇注到铸模中，得到氮含量基本固定的氧梯度合金材料。为达到本发明的目的，本发明进行了以下实验筛选合适的氧化物，常见氧化物见表1，选择氧化物的原则如下：(1)氧化物应无毒无害。(2)金属元素不能为材料中的杂质元素，如pbo、bi2o3等并不适用。(3)如果熔点高于精炼温度1550℃，加入的氧化物可能仍为外来夹杂，比如tio2、ta2o5、nio、al2o3、cr2o3，并不适用。(4)wo3在850℃会升华，挥发掉，因此不适用。(5)feo虽然熔点适合，但是在空气中极易转变成fe3o4使熔点升高，也不宜适用，另外镍基合金不宜引入铁含量。金属元素应为高温合金主要成分的元素，这样加入后主元素不会有大的波动,本发明选择了moo3作为增氧剂。表1物质熔点℃物质熔点℃物质熔点℃pbo890nb2o51511nio1980moo3795fe3o41596al2o32045feo1380tio21825cr2o32279wo31470ta2o51877在选择moo3后还需考虑加入氧化物后o的收得率,所述第四步的收得率为3-15％。基于控制收得率的考虑选择，需要在加入氧化物前，将真空环境充入氩气ar，以抑制氧化物的挥发；所述第六步的料包是将氧化物封入一端开口的基体金属料块或母合金块中制得。过高的负压会对设备造成安全隐患，本发明的压力在-0.01至-0.07mpa并在浇注之前加入料包。本发明所得合金中n含量和其他主元素波动很小，氧含量呈现一定梯度分布。本发明采用真空感应重熔高温合金母合金，在精炼合金后，将功率降低，通入惰性气体ar气保护，使压力达到负压-0.01到-0.07mpa，再加入moo3，moo3加入量按引入氧收得率3-10％计算，静置约1分钟后，再提温到浇注温度，按常规工艺浇注。本发明工艺简单，可以制备出氮含量基本恒定、氧含量梯度单调变化的高温合金材料。人为控制合金中的氧含量呈梯度分布，为研究氧含量对材料的影响提供实验依据。附图说明图1为本发明实施例一的合金熔体浮渣状态图。图2为对比实施例的合金熔体浮渣状态图。具体实施方式本发明氧梯度合金的制备方法，包括以下步骤：(1)采用真空感应熔炼制备母合金，采用红外法测试母合金中的o含量o母(wt％)，保证母合金的氧含量梯度低于设计梯度o含量合金的最低值。(2)选择合适高纯氧化物材料，根据氧化物的化学式计算氧含量为k化学。(3)根据模具熔炼，切取等重m母(g)的同一炉母合金材料，数量为设计梯度间隔。(4)重熔材料，进行拟选择氧化物烧损试验，加入氧化物的重量m氧化物(g)，根据自合金实际氧含量o子，不考虑母合金重熔的脱氧情况(各炉重熔工艺相同，脱氧情况相同；)，确定该氧化物氧的收得率v收得。v收得＝m母·(o子-o母)/(m氧化物·k化学)(5)o含量目标设计值为o设计(wt％)。根据重熔合金料的重量m母(g)，计算需要加入氧化物的重量m氧化物(g)，根据氧含量烧损率得到氧含量守恒的关系式为：o设计·m母＝m氧化物·k化学·v收得+o母·m母；m氧化物＝m母·(o设计-o母)/(k化学·v收得)。(6)称取m氧化物(g)的氧化物，封入一端开口的镍块中。(7)将该包好的氧化物料包至于加料器中，采用常规真空感应重熔工艺化清母合金原材料后，通入氩气保护气氛，并在浇注之前加入氧化物料包，待化清后直接浇注到铸模中，即可制备出氮含量基本固定的氧梯度合金材料。具体见以下实施例实施例1本实施例按以下方法制备具有梯度氧含量的镍基高温合金:(1)合金含mo元素，选择moo3作为增氧剂，根据化学式计算含氧量16*3/(96+16*3)＝0.33，设计氧梯度0.0015％和0.0020％的合金。(2)采用氧化铝坩埚真空感应熔炼k417g母合金60kg，化学成分为(cr8.7，co10.1，mo3.15，al5.4，ti4.5,b0.013,v0.73,c0.16,ni余)，测试o、n含量，o含量为0.0009％，n含量为0.0005％；(3)开展烧损率的工艺试验，取4.5kg母合金料按常规重熔工艺重熔后，充入氩气至-0.04mpa。精炼后期加入0.4g的moo3，获得的o含量为0.0012％，增量为0.0002％，即收得率在10％。(4)需要增6和11ppm的o，切取5kg的子合金两个，按烧损率为90％，需要moo3的量为5000*(0.0015％-0.0009％)÷(0.33*10％)＝0.90g和5000*(0.0020％-0.0009％)÷(0.33*10％)＝1.7g。用ni块封好，注入加料器中。(5)重熔时，在精炼结束后，将功率调低至10kw，通入ar气保护，控制炉内压力升高至-0.05mpa时，加料器注入带有moo3的ni块。加入后增加功率至30kw，使氧化物和镍块溶解于熔体中(如图1所示)，维持1min后，降低功率，熔体达到浇注温度1420℃后，完成浇注。(6)另重熔一炉子合金，按正常工艺重熔浇注；(7)取样化验分析：氧含量分别为0.0009％、0.0014％和0.0019％。氮含量为0.0005％、0.0006％、0.0007％，合金熔体浮渣状态如图1所示，合金溶体均匀无浮渣。比较例1本比较例按以下方法制备镍基高温合金:(1)使用moo3作为增氧剂时，其化学式o含量16/(16+55)＝0.23，制备增o梯度为20、30ppm的子合金；(2)采用高温合金母合金材料，化学成分为(cr9.0，co10.0，mo3.15，al5.4，ti4.5,b0.015,v0.75,c0.16,ni余)，测试o、n含量，o含量为0.0011％，n含量为0.0011％；(3)取约4.5kg母合金料，按氧烧损率在90％计算，加入moo3的量分别为2.6g、4.0g，用ni块封好，注入加料器中。(4)重熔时，在精炼结束后，将功率调低至10kw，维持真空环境小于1pa，加料器注入带有nio的ni块。加入后增加功率至30kw，使氧化物和镍块溶解于熔体中，维持1min后，降低功率，熔体达到浇注温度1420℃后，完成浇注。(5)取样化验分析：氧含量分别为0.0012％、0.0017％,氧含量的梯度和设计偏差很大，说明加入氧化物后，如果维持在高真空水平，并不利于得到可控的氧梯度。比较例2本比较例按以下方法制备镍基高温合金:(1)使用nio作为增氧剂时，其化学式o含量16/(16+59)＝0.21，制备增o梯度为20、30、40ppm的子合金；(2)采用高温合金母合金材料，化学成分为(cr9.0，co10.0，mo3.15，al5.4，ti4.5,b0.015,v0.75,c0.16,ni余)，测试o、n含量，o含量为0.0012％，n含量为0.0011％；(3)取约4.5kg母合金料，按氧烧损率在90％计算，加入ni0的量分别为3.4g、6.2g、9.0g，用ni块封好，注入加料器中。。(4)重熔时，在精炼结束后，将功率调低至10kw，通入ar气保护，控制炉内压力升高至-0.05mpa时，加料器注入带有nio的ni块。加入后增加功率至30kw，使氧化物和镍块溶解于熔体中，维持1min后，降低功率，熔体达到浇注温度1420℃后，完成浇注。(5)取样化验分析：氧含量分别为0.0013％、0.0014％、0.0011％，无法制备出氧梯度合金，并且氧含量和加入量不相关。说明制备过程中，氧化物熔点高，不易熔化于合金熔体，导致合金表面存在大量浮渣(如图2所示)，氧化物均浮于熔体表面。除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。当前第1页12