提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法，具体 为一种通过在镍基单晶高温合金中增加合金元素的方式，并配合一定的定向凝固技术工艺 参数，降低在铸造过程中稀土元素的损耗，提高稀土元素的收得率。
【背景技术】
[0002] 稀土元素在国防高新技术产业、信息产业、新能源、新材料以及机械、冶金、石油、 化工等重要产业中应用极其广泛，是当今非常重要的国家战略资源，同时它又是不可再生 的稀有地质矿产资源，更在美国国会参议院2014年听证会上被描述为二十一世纪综合国 力竞争的关键自然资源。随着稀土材料需求量的快速增长，稀土资源浪费、利用率低、消耗 过快等矛盾日益突出。稀土等废固资源对环境产生的巨大压力，引起国家的高度重视，相继 出台了《国务院关于促进稀土行业持续健康发展的若干意见》等政策和行政法规。因此，如 今稀土资源的高效利用成为业界广大科技工作者的共识，是我国稀土产业可持续发展战略 的重中之重。
[0003] 当今稀土元素在诸多应用中，镍基高温合金中添加稀土元素近年来受到越来越多 瞩目。由于镍基高温合金（超合金）具有高熔点高强度等性能，目前已逐渐发展成为最重 要的飞机发动机用高温结构材料，而稀土元素的添加极大的有利于提高镍基高温合金的抗 氧化性与热腐蚀性。为此，加深对添加稀土元素的镍基高温材料研究与开发，既符合世界科 技发展趋势以及我国新材料发展战略，又贴合稀土产业发展实际需求，实现稀土资源高效 利用，推进稀土产业链合理的结构性调整与优化。
[0004] 镍基高温合金的制备通常使用熔模铸造法，在铸造过程中，稀土元素的损失可高 达50-80 %，收得率低于50%。究其原因主要有两点：（一）元素烧损，合金熔炼过程以及 浇铸过程为低压（真空）环境，加剧元素挥发，但由于稀土元素熔点高，相较低熔点元素而 言损失较少；（二）反应损失，在浇铸过程中，由于稀土元素较活泼，合金中稀土元素会与型 壳之间发生反应，例如3Si02+4Y= 2Y203+3Si，导致稀土元素含量急剧下降。
【发明内容】
[0005] 本发明所提供的提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法，是针 对现有技术中第二种稀土元素损失原因，通过改善合金成分，调整定向凝固技术工艺参数， 达到降低稀土元素损耗、提高稀土元素收得率的目的。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
[0007] -种提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法，其特征在于，所 述方法包括铸造镍基单晶高温母合金锭步骤，向所述镍基单晶高温合金中添加钙，钙在铸 成的母合金锭中的重量百分比为0.5%彡Ca彡2.0%。
[0008] 进一步，所述母合金锭铸造过程中钙以单质形式添加，钙的添加量为0.5%、1.0% 或 2. 0%〇
[0009] 进一步，所述方法中稀土元素的收得率为75. 5-89. 0%。
[0010] 进一步，所述方法还包括定向凝固步骤，具体为在真空室内依次进行：将母合金锭 装入坩埚，抽真空，升温熔化，保温预定时间，浇铸，静置预定时间，抽拉型壳。抽拉型壳是指 将型壳连同铸件一起抽拉，使铸件往一个方向生长。
[0011] 进一步，当真空室内温度降至900°c时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除型 壳，取出铸件。
[0012] 进一步，所述定向凝固步骤中，抽真空至105Pa，升温至1580°C±20°C熔化，保温 时间30min，静置时间30min，抽拉型壳速率为4_6mm/min。
[0013] 进一步，所述抽拉型壳速率为4mm/min.5mm/min或6mm/min。
[0014] 进一步，所述母合金锭中含有以下组分，以重量百分比计：铝5. 75%，钴5. 0%， 铬9. 5%，钼4. 0%，钛1. 9%，钨5. 5%，稀土元素0. 2%，钙0. 5-2. 0%，不可避免的杂质 < 0.08%，余量为镍。
[0015] 进一步，所述母合金锭中含有以下组分，以重量百分比计：铝5. 75%，钴9. 0%，铬 4. 4%，钼 2. 0%，钽 7. 2%，钨 8. 0%，铼 2. 0%，稀土元素 0. 2%，钙 0. 5-2. 0%，不可避免的 杂质< 0.08%，余量为镍。
[0016] 进一步，所述稀土元素为钇或镧。
[0017] 本发明提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法具有以下优 占.
[0018] 由于钙的活泼性高于稀土元素，本发明中，钙的加入会先与型壳发生反应，如 Ca+Si02 =Ca0+Si，阻碍稀土元素与型壳的反应，减少稀土元素的损耗；钙（熔点800多度） 以单质形式加入，在真空环境下，损耗量不会太大。
[0019] 本发明中，抽拉型壳速率在5±lmm/min，过高则形成单晶能力差，过低则损耗过多 I丐元素，因此该速率是配合I丐元素的添加量来设计的。
[0020] 本发明能够显著降低在铸造过程中稀土元素的损耗，提高稀土元素的收得率，该 方法中稀土元素的收得率为75. 5-89. 0%。
【具体实施方式】
[0021] 为更进一步阐述本发明为达到预定技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合 较佳实施例，对本发明的工艺过程、特征以及功效详细说明如后。
[0022] 本发明能够适用所有稀土元素，在此仅以Y(钇），La(镧）做实验举例说明。
[0023] 实施例1
[0024] 按照表1准备相应成分的母合金锭（稀土含量为0. 2% )，并在其中添加一定含 量的钙元素，钙的重量百分比为0. 5 %。将母合金锭装入坩埚，抽真空至10-5Pa，升温至 1550°C±30°C，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳，速率为4mm/min，当温度降至900°C 时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为〇. 151% (重量百分比），损耗率为24. 5%，收得率为75. 5%。
[0025] 表1母合金各元素重量百分比
[0026]
[0027] 实施例2
[0028] 按照表2准备相应成分的母合金锭（稀土含量为0. 2% )，并在其中添加一定含 量的钙元素，钙的重量百分比为1.0%。将母合金锭装入坩埚，抽真空至10-5Pa，升温至 1550°C±30°C，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳，速率为5mm/min，当温度降至900°C 时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为〇. 153% (重量百分比），损耗率为23. 5%，收得率为76. 5%。
[0029] 表2母合金各元素重量百分比
[0030]
[0031] 实施例3
[0032] 按照表3准备相应成分的母合金锭（稀土含量为0.2% )，并在其中添加一定含 量的钙元素，钙的重量百分比为2. 0 %。将母合金锭装入坩埚，抽真空至10-5Pa，升温至 1550°C±30°C，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳，速率为6mm/min，当温度降至900°C 时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为〇. 178% (重量百分比），损耗率为11. 〇%，收得率为89. 0%。
[0033] 表3母合金各元素重量百分比
[0034]
[0035] 实施例4
[0036] 按照表4准备相应成分的母合金锭（稀土含量为0.2% )，并在其中添加一定含 量的钙元素，钙的重量百分比为0. 5 %。将母合金锭装入坩埚，抽真空至10-5Pa，升温至 1550°C±30°C，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳，速率为6mm/min，当温度降至900°C 时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为〇. 166% (重量百分比），损耗率为17. 0%，收得率为83. 0%。
[0037]表4母合金各元素重量百分比
[0038]
[0039] 实施例5
[0040]按照表5准备相应成分的母合金锭（稀土含量为0.2% )，并在其中添加一定含 量的钙元素，钙的重量百分比为1.0%。将母合金锭装入坩埚，抽真空至10-5Pa，升温至 1550