一种低碳高铝含铌钴基高温合金及其制备方法与流程

本发明涉及高温合金真空冶炼领域，具体涉及一种低碳高铝含铌钴基高温合金及其制备方法。

背景技术：

1、高温合金是以铁、镍、钴、铬等多种元素为基体，通过钨、钼等固溶强化，通过铌、铝、钛等析出γ`、γ``强化，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的涡轮盘、燃烧室、叶片、机匣、紧固件等高端零部件。其中gh6783是一种抗氧化、低膨胀的钴基高温合金，添加了al、cr和nb，与in909系列传统高温合金相比，gh6783 合金大幅度提高了合金中的al含量以形成β(nial)相，从而提高了合金的应力加速晶界氧化(sagbo)抗力。同时加入少量 cr 元素使合金的热膨胀系数无太大的提高，但与 al 元素一起使合金的抗氧化性能提高，并且该合金在 700℃仍具有优良的综合性能，热膨胀系数比in718低20%，抗氧化性能优异，温度高达704℃，抗应力加速晶界氧化性能与in718相当，显著优于in909，密度7.81g/cm3，比in718、in909低5%，有一定强度重量比优势，制造/加工特性与in718相当，比in909限制性更小。由于其使用环境要求苛刻，因此对该合金的纯净度要求较高。氧作为高温合金中有害杂质元素，易与亲氧的金属元素形成氧化物夹杂，当氮含量较高时，会形成氮化物夹杂，这些夹杂物在以后的熔炼或热处理过程中很难消除并且在高温合金服役过程中易成为裂纹的萌生源和裂纹的扩展通道，会降低高温合金的持久、疲劳和蠕变等核心力学性能，大量研究表明，降低合金中氧、氮以及夹杂物含量，提升纯净度是提高高温合金综合性能和稳定性的重要策略。

2、然而gh6783钴基高温合金由于c含量低≤0.03%，al含量高5.0-6.0%，真空冶炼过程碳脱氧脱氮效果较差，特别是大型真空感应炉（公称容量12吨），钢液熔池深，钢水静压力大且碳含量低且密度较轻漂浮在合金液表面难以起到良好的脱氧脱氮效果，采用添加al进行脱氧后影响夹杂物的控制，另外gh6783钴基高温合金添加了cr和nb，但由于cr、nb原料中往往携带较多的气体元素，若不尽可能去除，则会导合金铸锭纯净度较低。中国专利cn201810316210.x公开了一种高铝型高温合金gh6783的真空感应炉冶炼工艺，采用全熔的精炼期结束后按照铝、钛、铌的顺序进行加料，通过加铝之前对气体含量的控制，保证氧含量小于15×10-6，氮含量小于20×10-6；控制加铝前温度到1480℃～1500℃，铝分两到三批加入，每次加入后搅拌5min～10min，达到稳定控制铝元素收得率，有效避免了过多形成含铝型夹杂物。该专利采用全熔的精炼期结束后按照铝、钛、铌的顺序进行加料，先添加铝再添加钛、铌存在钛、铌原料中携带的气体含量对铝的氧化以及去除的问题，另外该专利未公开加铝前如何实现氧含量小于15×10-6，氮含量小于20×10-6的工艺措施，特别是大型真空感应炉。

3、基于此，现有技术仍然有待改进。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种低碳高铝含铌钴基高温合金及其制备方法，通过使用本发明的技术方案，能够解决大型真空感应炉冶炼低碳高铝含铌钴基高温合金感应锭氧、氮以及非金属夹杂物等纯净度控制难题，可将有害气体控制在极低含量，同时保证钢质纯净，满足低碳高铝含铌高温合金苛刻使用环境对纯净度的要求，提高产品的综合性能和稳定性。

2、基于上述目的，本发明的实施例的一个方面提供了一种低碳高铝含铌钴基高温合金的制备方法，包括以下步骤：

3、配料工序：精选石墨、硼铁、金属cr、金属nb、海绵ti、金属al、ni板、纯fe和co板，并按照预设化学成分质量百分比进行配料，并控制原料中带入总氧含量低于第一预设值，氮含量低于第二预设值；

4、装料工序：配料完成后在真空条件下将原料按照两个批次进行装料；

5、熔化工序：装料完成后在真空度为第三预设值的条件下开始送电熔化，在第一批原料熔化后采用预设工频搅拌第一预设时间，在第二批原料熔化后采用预设工频搅拌第一预设时间；

6、精炼工序：搅拌完成后控制精炼期真空度为第四预设值，并送电升温到第五预设值进行精炼第二预设时间，并取样分析精炼结束后合金气体含量；

7、脱氧合金化工序：精炼结束后停电降温，合金凝固后加入全部海绵ti和全部金属al进行脱氧合金化，然后送电升温到第六预设值搅拌保温第三预设时间，充入氩气后加入硼铁；

8、浇铸工序：带电出钢，浇铸温度为第七预设值。

9、根据本发明的一个实施例，配料工序中，将原料按照c≤0.03%，mn≤0.50%，si≤0.50%，p≤0.015%，s≤0.005%，cu≤0.5%，b：0.003-0.012%，cr：2.5-3.5%，nb：2.5-3.5%，ti：0.1-0.40%，al：5.0-6.0%，ni：26-30%，fe：24-27%，co余量的质量百分比进行配料，并控制原料中带入总氧含量≤0.03%，氮含量≤0.002%。

10、根据本发明的一个实施例，装料工序中，第一批次依次加入全部ni板、全部石墨、全部金属cr、全部金属nb、全部纯fe，第二批次加入全部co板，并在精炼结束后同时加入全部海绵ti和全部金属al，充氩气后加入全部硼铁。

11、根据本发明的一个实施例，熔化工序中，装料完成后采用三级泵抽真空，在真空度≤0.5pa的条件下开始送电熔化，前30mim送电功率为300-500kw，然后采用送电功率为1300-1700kw进行送电，当合金液熔池形成后将送电功率降低到800-1200kw，在第一批原料熔清后采用100kw工频搅拌30min，在第二批原料熔清后采用100kw工频搅拌30min。

12、根据本发明的一个实施例，精炼工序中，控制精炼期真空度≤0.1pa，送电升温到1478-1498℃进行精炼，精炼时间为20-50min，精炼结束后取样分析合金气体含量。

13、根据本发明的一个实施例，脱氧合金化工序中，脱氧合金化期间控制真空度≤0.1pa并停电降温，合金凝固后加入全部海绵ti和全部金属al进行脱氧合金化，然后送电升温到1458-1478℃搅拌保温30min，然后在充入6700pa的氩气后加入硼铁。

14、根据本发明的一个实施例，浇铸工序中，带电出钢，浇铸温度为1458-1478℃。

15、本发明的实施例的另一个方面提供了一种低碳高铝含铌钴基高温合金，包括以下质量百分比的成分：

16、c≤0.03%，mn≤0.50%，si≤0.50%，p≤0.015%，s≤0.005%，cu≤0.5%，b：0.003-0.012%，cr：2.5-3.5%，nb：2.5-3.5%，ti：0.1-0.40%，al：5.0-6.0%，ni：26-30%，fe：24-27%，余量为co和不可避免的杂质。

17、根据本发明的一个实施例，以质量百分比计，不可避免的杂质中氧含量≤0.0005%，氮含量≤0.0008%。

18、根据本发明的一个实施例，低碳高铝含铌钴基高温合金单位面积非金属夹杂物数量≤35个/mm2。

19、本发明具有以下有益技术效果：本发明实施例提供的低碳高铝含铌钴基高温合金的制备方法，通过配料工序：精选石墨、硼铁、金属cr、金属nb、海绵ti、金属al、ni板、纯fe和co板，并按照预设化学成分质量百分比进行配料，并控制原料中带入总氧含量低于第一预设值，氮含量低于第二预设值；装料工序：配料完成后在真空条件下将原料按照两个批次进行装料；熔化工序：装料完成后在真空度为第三预设值的条件下开始送电熔化，在第一批原料熔化后采用预设工频搅拌第一预设时间，在第二批原料熔化后采用预设工频搅拌第一预设时间；精炼工序：搅拌完成后控制精炼期真空度为第四预设值，并送电升温到第五预设值进行精炼第二预设时间，并取样分析精炼结束后合金气体含量；脱氧合金化工序：精炼结束后停电降温，合金凝固后加入全部海绵ti和全部金属al进行脱氧合金化，然后送电升温到第六预设值搅拌保温第三预设时间，充入氩气后加入硼铁；浇铸工序：带电出钢，浇铸温度为第七预设值的技术方案，能够解决大型真空感应炉冶炼低碳高铝含铌钴基高温合金感应锭氧、氮以及非金属夹杂物等纯净度控制难题，可将有害气体控制在极低含量，同时保证钢质纯净，满足低碳高铝含铌高温合金苛刻使用环境对纯净度的要求，提高产品的综合性能和稳定性。