一種鎳基高溫合金GH4720Li的冶煉工藝的製作方法

2023-11-12 02:12:27 2

本發明屬於高溫合金冶煉
技術領域：
，具體涉及一種鎳基高溫合金GH4720Li的冶煉工藝。
背景技術：
：高溫合金由於具有良好的高溫強度和抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕性能，並且能在高溫環境中擁有良好的組織穩定性而廣泛運用於航空發動機和工業燃氣輪機的熱端部件。合金化能顯著提高高溫合金的高溫服役強度，因而高溫合金的組成元素多達十幾種甚至是二十幾種，這往往會引起高溫合金冶煉過程中合金元素的偏析以及雜質元素含量的提高，這些都會惡化高溫合金的性能。GH4720Li是一種鎳基時效強化型高溫合金，其中Al和Ti的含量較高達到7.5％，通過γ＇強化和固溶強化作用，使其用於製造使用溫度為650-750℃的高性能壓氣機和渦輪盤以及在900℃高溫環境下服役的渦輪盤。目前國外航空用高溫合金普遍運用三聯的冶煉工藝，即真空感應熔煉(VIM)+電渣重熔(ESR)+真空自耗重熔(VAR)。然而，保護性氣氛電渣重熔過程中，渣料的選擇不當不僅不利於除渣而且使高溫合金的夾雜增多，對於低熔點元素像Al、Ti元素的燒損難以控制，渣料和冶煉工藝選擇不當導致整個鑄錠夾雜物增多以及Al、Ti等低熔點元素出現大的波動，致使鑄錠報廢。技術實現要素：本發明的目的是提供一種鎳基高溫合金GH4720Li的冶煉工藝，解決了現有方法熔煉GH4720Li高溫合金雜質元素含量高、Al、Ti等低熔點元素波動大的問題。本發明所採用的技術方案是：一種鎳基高溫合金GH4720Li的冶煉工藝，具體包括以下步驟：步驟1，稱取原料：按照GH4720Li合金的成分要求，稱取一號或零號Ni、真空脫氣Cr、海綿Ti、Al豆、金屬Co、NiW合金、NiMo合金、碳、NiMg合金、NiB合金、海綿鋯；步驟2，真空感應熔煉：2.1將70-80wt％Ni、金屬Co、NiMo合金、NiW合金和20-30wt％Ni依次裝入爐中，抽真空到真空度≤0.1Pa時，緩慢升功率直至原材料熔清後，調節功率至精煉溫度精煉，精煉過程中施加電磁攪拌；2.2降功率至熔體表面結膜後加入真空脫氣Cr，升功率至熔清後調節功率至精煉溫度精煉，精煉過程中施加電磁攪拌；2.3降功率至熔體表面結膜後加入Al豆和海綿Ti，升功率至熔清後調節功率至精煉溫度精煉，精煉過程中施加電磁攪拌；2.4降功率保溫，並充氬氣至20000Pa後加入NiB合金、海綿Zr和NiMg合金，施加電磁攪拌一定時間後調節功率至澆注溫度後出鋼，得到真空熔煉鑄錠；步驟3，真空自耗熔煉：將步驟2得到的真空熔煉鑄錠置於VAR銅坩堝中熔煉，進行兩次真空自耗熔煉，得到GH4720Li高溫合金鑄錠。本發明的特點還在於，GH4720Li高溫合金各成分重量百分比wt％：C：0.01-0.02，Cr：15.5-16.5，Co：14-15.5，W：1.00-1.50，Mo：2.75-3.25，Al：2.25-2.75，Ti：4.75-5.25，B：0.01-0.02，Zr：0.025-0.05，Fe≤0.5，Si≤0.2，P≤0.015，S≤0.001，O≤0.002，N≤0.003，Ni：餘量。步驟2中熔清溫度為1500-1550℃，精煉溫度為1480-1500℃，精煉時間為20-40min。步驟2.1-2.3中熔煉和精煉時的真空度≤0.1Pa。步驟2.4中澆注溫度為1460-1480℃。步驟3中，熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且以充氦壓力作為參考，通過調控氦氣流量使氦氣壓力維持在300-400Pa，當氦氣壓力增大時，降低氦氣流量確保氦氣壓力降低到設定值，當氦氣壓力減小時，增大氦氣流量確保氦氣壓力升高到設定值。流量控制具體為：熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到150-200kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。步驟3中第一次真空自耗熔煉的熔速為3.3-3.7kg/min。步驟3中第二次真空自耗熔煉的熔速為2.8-3.2kg/min。本發明的有益效果是，(1)本發明採用新型的三聯冶煉工藝提高了GH4720Li合金的冶金質量，特別是在GH4720Li合金中起主要強化作用的γ』相形成元素Al元素和Ti元素成分控制精度高以及均勻性好，其他合金元素偏析減少並且成分控制精度高。(2)製備得到的GH4720Li合金中O、N、S等雜質元素含量減少，其性能在650-750℃具有長期的穩定性。(3)本發明新型的三聯冶煉工藝成本低，操作簡單並且提高鑄錠質量的穩定性。具體實施方式下面結合具體實施方式對本發明進行詳細說明。本發明一種鎳基高溫合金GH4720Li的冶煉工藝，具體包括以下步驟：步驟1，稱取原料：按照各成分重量百分比(wt％)：C：0.01-0.02，Cr：15.5-16.5，Co：14-15.5，W：1.00-1.50，Mo：2.75-3.25，Al：2.25-2.75，Ti：4.75-5.25，B：0.01-0.02，Zr：0.025-0.05，Fe≤0.5，Si≤0.2，P≤0.015，S≤0.001，O≤0.002，N≤0.003，Ni：餘量，稱取一號或零號Ni、真空脫氣Cr、海綿Ti、Al豆、金屬Co、NiW合金、NiMo合金、碳、NiMg合金、NiB合金、海綿鋯。步驟2，真空感應熔煉(VIM)2.1將70-80wt％金屬Ni、金屬Co、NiMo合金、NiW合金和20-30wt％金屬Ni依次裝入爐中，抽真空到真空度≤0.1Pa時，緩慢升功率直至原材料熔清，熔清熔體溫度為1500-1550℃；進入精煉期，調節功率至精煉溫度1480-1500℃，精煉20-40min，精煉過程中施加電磁攪拌；2.2降功率至熔體表面結膜後加入真空脫氣Cr，升功率至熔清，熔清熔體溫度為1500-1550℃；進入精煉期，調節功率至精煉溫度1480-1500℃，精煉20-40min，精煉過程中施加電磁攪拌；2.3降功率至熔體表面結膜後加入Al豆和海綿Ti，升功率至熔清，熔清熔體溫度為1500-1550℃；進入精煉期，調節功率至精煉溫度1480-1500℃，精煉20-40min，精煉過程中施加電磁攪拌；2.4降功率保溫，並充氬氣至20000Pa後加入NiB合金、海綿Zr和NiMg合金，施加電磁攪拌一定時間後調節功率至澆注溫度後出鋼至Φ350mm的鑄模中，澆注溫度為1460-1480℃，得到真空熔煉鑄錠。步驟2.1-2.3中熔煉和精煉時的真空度≤0.1Pa。步驟3，一次真空自耗熔煉(VAR)：將步驟2得到的真空熔煉鑄錠置於規格為Φ410mm的VAR銅坩堝中，控制熔速3.3-3.7kg/min進行熔煉，得到一次真空自耗熔煉鑄錠。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且以氦壓力作為參考，通過調控氦氣流量使氦氣壓力維持在300-400Pa，當氦氣壓力增大時，降低氦氣流量確保氦氣壓力降低到設定值，當氦氣壓力減小時，增大氦氣流量確保氦氣壓力升高到設定值。流量控制具體為：熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到150-200kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。步驟4，二次真空自耗熔煉(VAR)：將步驟3得到的一次真空熔煉鑄錠置於規格為Φ490mm的VAR銅坩堝中，控制熔速2.8-3.2kg/min進行熔煉。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且以氦壓力作為參考，控制過程同步驟3。本發明首先採用真空感應熔煉方法將高溫合金原材料分批加入爐中熔化和精煉，在精煉過程中施加電磁攪拌，從而起到逐步脫氣和除渣的作用。而且，在最後加入低熔點和含量較少的原材料合金NiMg、合金NiB和海綿Zr時，採用充氬的方法熔煉以減少低熔點合金元素的損失。從而獲得雜質元素較少、成分均勻性較好以及合金化程度較高的VIM鑄錠。考慮到GH4720Li高溫合金的Al元素和Ti元素含量較高約為7-8wt％，並且其為γ』的主要形成元素，而γ』相在GH4720Li高溫合金中起主要強化作用。真空自耗重熔(VAR)比電渣重熔(ESR)對Al和Ti元素的燒損程度小，並且電渣重熔需要選擇較好的渣系，成本也高，而真空自耗重熔(VAR)也有很好的除氣和除夾雜物的能力，因此選用真空自耗重熔(VAR)對VIM鑄錠進行熔煉，即採用新型的三聯(VIM+VAR+VAR)冶煉工藝對GH4720Li進行冶煉，能夠獲得成分合乎標準且均勻性好以及雜質元素含量更少的鑄錠。實施例1(1)真空感應熔煉(VIM)：先將70wt％Ni、金屬Co、NiMo合金、NiW合金和30wt％Ni依次裝入爐中，等到真空度≤0.1Pa時，緩慢升功率至300kw開始熔化原材料，緩慢升功率至450kw直至原材料熔清，測得此時溫度為1520℃，進入精煉期調節熔體溫度為1500℃，精煉時間為30min，精煉過程中施加電磁攪拌；待降功率熔體表面結膜後加入真空脫氣Cr，升功率至熔清，測得此時溫度為1530℃，進入精煉期調節熔體溫度為1500℃，精煉時間為20min，精煉過程中施加電磁攪拌；待降功率熔體表面結膜後加入Al豆和海綿Ti，升功率至熔清，此時溫度為1500℃；進入精煉期調節熔體溫度為1480℃，精煉時間為20min，精煉過程中施加電磁攪拌；然後降功率至100kw保溫，並充氬氣至20000Pa後加入NiB合金、海綿Zr和NiMg合金，電磁攪拌15min後調節功率使熔體溫度為1460℃時出鋼。得到的VIM鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表1所示。表1VIM鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01616.252.565.120.00090.00120.0018中部0.01316.162.505.060.00090.00110.0017尾部0.01516.222.515.050.00080.00120.0018(2)一次真空自耗熔煉(VAR)將得到VIM鑄錠置於真空感應爐VAR銅坩堝中，控制熔速3.3kg/min進行熔煉。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且充氦壓力作為參考，熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到150kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。一次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表2所示。表2一次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01416.232.525.090.00090.000110.0014中部0.01216.142.485.040.00080.000100.0013尾部0.01516.202.475.030.00080.000110.0012由表2可見，一次VAR鑄錠成分均勻性好，雜質元素含量減少。(2)二次真空自耗熔煉(VAR)將得到一次VAR鑄錠置於真空感應爐VAR銅坩堝中，控制熔速2.8kg/min進行熔煉。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且充氦壓力作為參考，熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到160kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。二次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表3所示。表3二次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01316.142.464.980.00070.00090.0012中部0.01216.122.444.950.00070.00080.0012尾部0.01316.162.454.950.00080.00090.0012由表3可見，二次VAR鑄錠成分均勻性更好，雜質元素含量進一步減少。實例2(1)真空感應熔煉(VIM)：先將75wt％Ni、金屬Co、NiMo合金、NiW合金和25wt％Ni依次裝入爐中，等到真空度≤0.1Pa時，緩慢升功率至300kw開始熔化原材料，緩慢升功率至500kw直至原材料熔清，測得此時溫度為1530℃，進入精煉期調節熔體溫度為1500℃，精煉時間為30min，精煉過程中施加電磁攪拌；待降功率熔體表面結膜後加入真空脫氣Cr，升功率至熔清，測得此時溫度為1520℃，進入精煉期調節熔體溫度為1490℃，精煉時間為20min，精煉過程中施加電磁攪拌；待降功率熔體表面結膜後加入Al豆和海綿Ti，升功率至熔清，此時溫度為1500℃，進入精煉期調節熔體溫度為1480℃，精煉時間為20min，精煉過程中施加電磁攪拌；然後降功率至100kw保溫，並充氬氣至20000Pa後加入NiB合金、海綿Zr和NiMg合金，電磁攪拌15min後調節功率使熔體溫度為1470℃時出鋼。VIM鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表4所示。表4VIM鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01516.242.535.080.00060.00080.0016中部0.01316.182.495.040.00060.00080.0015尾部0.01616.202.515.040.00060.00080.0015(2)一次真空自耗熔煉(VAR)將得到VIM鑄錠置於真空感應爐VAR銅坩堝中，控制熔速3.5kg/min進行熔煉。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且充氦壓力作為參考，熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到180kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。一次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表5所示表5一次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01316.182.424.960.00060.00070.0013中部0.01216.132.524.970.00050.00070.0013尾部0.01416.162.484.980.00060.00080.0013由表5可見，一次VAR鑄錠成分均勻性好，雜質元素含量減少。(2)二次真空自耗熔煉(VAR)將得到一次VAR鑄錠置於真空感應爐VAR銅坩堝中，控制熔速3.0kg/min進行熔煉。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且充氦壓力作為參考，熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到190kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。二次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表6所示表6二次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01216.062.434.900.00050.00060.0010中部0.01216.032.414.890.00050.00060.0010尾部0.01316.052.424.890.00060.00060.0010由表6可見，二次VAR鑄錠成分均勻性更好，雜質元素含量進一步減少。實施例3(1)真空感應熔煉(VIM)：先將80wt％Ni、金屬Co、NiMo合金、NiW合金和20wt％Ni依次裝入爐中，等到真空度≤0.1Pa時，緩慢升功率至300kw開始熔化原材料，緩慢升功率至550kw直至原材料熔清，測得此時溫度為1540℃，進入精煉期調節熔體溫度為1500℃，精煉時間為40min，精煉過程中施加電磁攪拌；待降功率熔體表面結膜後加入真空脫氣Cr，升功率至熔清，測得此時溫度為1550℃，進入精煉期調節熔體溫度為1500℃，精煉時間為20min，精煉過程中施加電磁攪拌；待降功率熔體表面結膜後加入Al和Ti，升功率至熔清，此時溫度為1500℃，進入精煉期調節熔體溫度為1480℃，精煉時間為20min，精煉過程中施加電磁攪拌；然後降功率至100kw保溫，並充氬氣至20000Pa後加入NiB合金、海綿Zr和NiMg合金，電磁攪拌15min後調節功率使熔體溫度為1480℃時出鋼。VIM鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表7所示。表7VIM鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01416.162.454.970.00060.00070.0014中部0.01216.102.404.920.00050.00070.0015尾部0.01516.122.424.940.00060.00080.0015(2)一次真空自耗熔煉(VAR)將得到VIM鑄錠置於真空感應爐VAR銅坩堝中，控制熔速3.7kg/min進行熔煉。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且充氦壓力作為參考，熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到190kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。一次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表8所示表8一次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01216.112.394.860.00060.00060.0012中部0.01116.092.384.870.00050.00070.0013尾部0.01216.132.414.910.00060.00070.0013由表8可見，一次VAR鑄錠成分均勻性好，雜質元素含量減少。(2)二次真空自耗熔煉(VAR)將得到一次VAR鑄錠置於真空感應爐VAR銅坩堝中，控制熔速3.2kg/min進行熔煉。熔煉時充入氦氣冷卻，採用流量控制並且充氦壓力作為參考，熔煉起始階段，坩堝內鋼液重量達到200kg時，開始充氦氣並且在60min內氦氣的流量從0ml/min緩慢升高到110ml/min；熔煉過程中，通過調節流量的大小使氦氣壓力維持在300-400Pa；熱封頂階段的30min內氦氣的流量從110ml/min降低到30ml/min。二次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分如表9所示。表9二次VAR鑄錠頭部、中部和尾部的化學成分(wt％)鑄錠部位CCrAlTiSON頭部0.01116.032.364.830.00050.00050.0011中部0.01116.032.374.840.00050.00060.0010尾部0.01016.042.364.820.00060.00060.0010由表9可見，二次VAR鑄錠成分均勻性更好，雜質元素含量進一步減少。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp