一种无铝镍基合金的去除杂质方法与流程

本申请涉及合金材料，具体涉及一种无铝镍基合金的去除杂质方法。

背景技术：

1、高温合金服役过程中，氧、氮和硫等杂质元素是导致合金组织失效，和性能降低的重要因素。特别是长期服役于高温、强腐蚀性环境的无铝镍基合金，氧、氮和硫等杂质元素不仅降低合金强度，显著降低合金塑性，而且加速合金的氧化腐蚀进程，从而大幅降低合金服役寿命和安全性。因此，降低杂质元素含量，特别是氧、氮和硫含量，提升纯净度，是提高无铝镍基合金服役寿命，提升安全性的重要策略和方法。

2、研究和实践显示，在镍基高温合金真空感应熔炼过程中，通过碳-氧反应，生成二氧化碳，实现气体脱氧处理。之后，通过铝-氧反应，生成以氧化铝为主的氧化物(熔渣)，实现沉淀脱氧处理，进一步降低氧含量。另一方面，真空感应熔炼过程中，氮元素的去除与co形核热力学和动力学密切相关，其去除效果与气体脱氧过程的效率和效果密切相关。在实现脱氧和脱氮基础上，选用添加碱金属或稀土金属的方式，降低硫含量。从而实现氧、氮和硫元素去除，提高合金纯净度。然而，碱金属或稀土金属不仅与硫有较高亲和力，同样与氧有较高亲和力。因此，如果添加碱金属或稀土金属之前，脱氧不彻底，将严重降低脱硫效果，导致硫含量过高，从而降低合金冶金质量。

3、对于无铝镍基合金真空感应熔炼过程而言，由于缺少沉淀脱氧反应，导致熔体中氧含量较高。随后加入碱金属或稀土金属后，同时发生了沉淀脱氧反应和脱硫反应，不仅降低脱硫效果，导致合金中硫含量较高，约3～10ppm，而且碱金属或稀土金属在熔体中发生了沉淀脱氧反应，导致熔体中浮渣面积偏高，通常大于1％(hb5406标准)，显著降低合金冶金质量，影响了无铝镍基合金的应用。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术中存在的问题，提供一种无铝镍基合金的去除杂质方法，以解决技术背景中提出的无铝高温合金在真空感应熔炼过程中氧、氮和硫含量高，以及浮渣含量高的缺点，尤其是针对服役于高温抗氧化腐蚀环境，对于硫含量要求较高的无铝镍基合金。

2、本发明所提供一种无铝镍基高温合金的去除杂质方法，降低氧、氮和硫等杂质含量，同时减少浮渣含量，提高纯净度，提升合金综合品质。

3、技术方案：本发明所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，按照如下步骤进行：

4、按照无铝镍基合金成分进行配料；在熔炼设备中，按照以下顺序：镍、钨、钼、铌、钒、铬、镍依次从下至上布料；加热，待底料开化后，分批添加镍和铬；待真空度<10pa后，添加剩余的镍，同时加入碳块和镍铈合金熔清；合金熔清后，进行低温调质处理；

5、低温调制处理完成后，提高熔体温度，进行高温净化处理；在高温净化处理过程中加入碳、硼、锆熔清，搅拌的同时充入氩气至6～8kpa后，加入镍钙合金和镍镁合金熔清，随后降温，持续电磁搅拌，完成高温净化处理后，再次降温，当真空度<6pa后，控温至液相线以上200～240℃时，进行带电连续浇注，完成合金熔炼。

6、本发明在限压熔化过程后期中，添加镍铈合金，与熔体中残余氧结合，进行深度脱氧，同时与熔体中硫结合，进行初步脱硫，形成ce2o2s、ce2s3和ces等复杂化合物。由于镍铈合金饱和蒸汽压较低，加入时不需要充入惰性气体保护，同时具有较好脱氧和脱硫效果。另一方面，镍铈与熔体中硫能形成以ce2s3、ces或ce2o2s为核心的熔渣，结构稳定、熔点高，在后续高温净化处理过程中，不会发生分解，有效禁锢熔体中氧和硫元素，确保脱氧和预脱硫效果。

7、本发明还在高温净化过程中加入了镍钙和镍镁合金，与熔体中硫和氧结合，形成(ca,mg)s或(ca,mg)2os，进一步降低熔体中硫含量和氧含量，同时进行终脱硫处理和终脱氧处理。另一方面，由于ca、mg元素加入，改善了熔渣(ce2o2s、ce2s3或ces)的化学性质，促使熔渣更易上浮，促使熔渣团聚，易形成大块熔渣，加速坩埚界面吸附熔渣，从而降低熔体中浮渣含量(硫含量和氧含量)，提高合金纯净度。

8、具体的，所述的无铝镍基合金，其合金成分含有：碳、铬、钼、钨、钒、铌、硼、锆、镍。更具体的，其成分及配比为：0.04％c、13％cr、6％mo、3％w、0.6％v、2.5％nb、0.016％b、0.02％zr、74.82％ni。

9、具体的，在布料时，钨、钼、铌、钒按照合金成分配比一次性加入；在布料时，镍加入量为镍总量的30％～40％；铬加入量为铬总量的20％～30％。

10、具体的，底料开化后，添加镍和铬，所述铬分3次添加，每次加入量基本相同，每次添加铬时，添加不超过剩余镍的20％。

11、具体的，待真空度<10pa后，所述的碳块加入量为碳块总量的20～40％；高温净化过程中，加入剩余的碳块。

12、具体的，镍铈合金不超过无铝镍基合金总重量的0.02％。

13、具体的，镍钙合金加入量不超过无铝镍基合金总重量的0.01％；镍镁合金的加入量不超过无铝镍基合金总重量的0.01％。优选的，重量比nice:nica＝3:1～1:1，nica:nimg＝2:1～1:1，总重量占合金重量的0.02％～0.04％。控制nice:nica，以及nica:nimg含量比例，①减少前期浮渣面积(含量)，增加熔体中氧、氮原子传输面积和速度，提升脱氧和脱氮效率；②确保脱氧、脱氮和脱硫效果；③减少前期浮渣面积(含量)，为后期改善浮渣化学性能，提供有利必要条件；④减少后期镍钙和镍镁加入时氩气的冲入量；⑤发挥铈、钙和镁协同效应，提升脱氧、氮和硫效率和效果，确保纯净化效果更佳。

14、具体的，所述的低温调质处理为：降低熔体温度至液相线以上140～180℃保温，每隔3～6分钟，选用300～400hz频率，搅拌1～3分钟，进行熔体调质处理；整个过程持续20～40分钟。

15、具体的，所述的高温净化处理，具体为：提高熔体温度至液相线以上280～320℃保温，持续4～8分钟后，加入碳、硼、锆熔清，同时选用频率为220～320hz，搅拌3～6分钟，充入ar气约7kpa后，加入镍钙合金和镍镁合金熔清，随后降温至液相线以上160～220℃保温，降低频率至100～160hz，持续电磁搅拌，持续3～6分钟。完成高温净化处理。

16、有益效果：本发明所述的方法可将氧控制在3ppm以内，氮控制在3ppm以内，硫控制在3ppm以内，将氧、氮和硫总量控制在7ppm以内，浮渣控制0.5％以内。

17、对于本发明来说，真空感应熔炼是高温合金母合金制备的关键核心工序，对合金中有害杂质元素控制有重要影响，是控制有害杂质含量的关键过程。本发明所述的方法可以去除高温合金中的有害杂质元素，尤其能有效降低无铝镍基合金中氧、氮和硫含量，以及浮渣面积，对于提高无铝镍基合金品质有极其重要意义。

技术特征：

1.一种无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，所述的无铝镍基合金，其合金成分含有：碳、铬、钼、钨、钒、铌、硼、锆、镍。

3.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，在布料时，钨、钼、铌、钒按照合金成分配比一次性加入；在布料时，镍加入量为镍总量的30％～40％；铬加入量为铬总量的20％～30％。

4.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，底料化开后添加镍和铬，所述的铬分3次添加，每次加入量基本相同，每次添加铬时，添加不超过剩余镍的20％。

5.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，待真空度<10pa后，所述的碳块加入量为碳块总量的20～40％；在高温净化过程中，加入剩余的碳块。

6.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，镍铈合金不超过无铝镍基合金总重量的0.02％。

7.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，镍钙合金加入量不超过无铝镍基合金总重量的0.01％；镍镁合金的加入量不超过无铝镍基合金总重量的0.01％。

8.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，镍钙合金、镍镁合金其重量比为：nica：nimg＝2:1～1:1。

9.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，所述的低温调质处理为：降低熔体温度至液相线以上140～180℃保温，每隔3～6分钟，选用300～400hz频率，搅拌1～3分钟，进行熔体调质处理；整个过程持续20～40分钟。

10.根据权利要求1所述的无铝镍基合金的去除杂质方法，其特征在于，所述的高温净化处理，具体为：提高熔体温度至液相线以上280～320℃保温，持续4～8分钟后，加入碳、硼、锆熔清，同时选用频率为220～320hz，搅拌3～6分钟，充入氩气6～8kpa后，加入镍钙合金和镍镁合金熔清，随后降温至液相线以上160～220℃保温，降低频率至100～160hz，电磁搅拌3～6分钟。

技术总结
本申请合金材料技术领域，公开了一种无铝镍基合金的去除杂质方法，通过在熔化过程中加入碳块和镍铈合金；熔清后进行低温调质处理；然后在高温净化处理过程中加入镍钙合金和镍镁合金，最后浇注完成。本发明针对无铝高温合金在真空感应熔炼过程中氧、氮和硫含量高，以及浮渣含量高的缺点，可以有效去除相应杂质，尤其是对于服役于高温抗氧化腐蚀环境，对于硫含量要求较高的无铝镍基合金，本发明所述方法更为适用。

技术研发人员：李志刚,孙岳来,邓军,贾明,马步洋
受保护的技术使用者：江苏美特林科特殊合金股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14