本發(fā)明涉及真空冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鎳基高溫合金的純凈化冶煉工藝，該工藝適用于需要降低O、N含量的鎳基高溫合金純凈化冶煉需要。
背景技術(shù)：
真空感應(yīng)熔煉(Vacuum induction melting，簡稱VIM)是一種在真空條件下利用電磁感應(yīng)加熱原理來熔煉金屬的金屬工藝制程。在電磁感應(yīng)過程中會產(chǎn)生渦電流，使金屬熔化。此制程可用來提煉高純度的金屬及合金。
作為真空冶金的耐火材料有很多種，目前大家所熟知的為CaO、純MgO、以及尖晶石(MgO：Al2O3＝2.5:1)類真空感應(yīng)爐用熔煉坩堝，此類耐火材料都具有較低的蒸氣壓、高堿度以及良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，但是由于CaO大型坩堝粉化問題一直無法徹底解決，因此現(xiàn)在大型真空感應(yīng)坩堝廣泛使用的依然是氧化鎂或尖晶石坩堝。
GH3535鎳基高溫合金具有優(yōu)良的室溫塑性、高溫組織穩(wěn)定性和較高的高溫力學(xué)性能，同時具有良好的抗熔鹽腐蝕性能，可以滿足有較高使用溫度和性能要求的熔鹽、輻照環(huán)境使用需要，適用于熔鹽核反應(yīng)堆的高溫結(jié)構(gòu)材料。由于其使用環(huán)境要求苛刻，因此對該合金的純凈度要求較高。
尖晶石坩堝中由于含有Al2O3，能和爐渣中的游離CaO和SiO2結(jié)合使爐襯受到侵蝕，因此，選用尖晶石坩堝為實驗坩堝，應(yīng)選擇低堿度爐渣，同時配合適合的純凈化冶煉工藝，將鎳基高溫合金(GH3535)的O、N含量降低，拓展其在對O、N含量要求低的領(lǐng)域的應(yīng)用極為重要。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種鎳基高溫合金的純凈化冶煉工藝，該工藝選用尖晶石坩堝為實驗坩堝，配合正確的純凈化冶煉工藝，經(jīng)純凈化冶煉后鎳基高溫合金的O、N含量降低到8ppm以下。該工藝適用的鎳基高溫合金(GH3535合金) 化學(xué)成分為(wt.％)：C≤0.08％，F(xiàn)e 0.5～5％，Cr 6.0～8.0％，Mo 12～18％，Ta≤2.0％，Ti≤2.0％，Nb≤2.0％，Ni余量；Co＜0.15％；B＜0.002％；W＜0.15％；Al＜0.2％；S≤0.01％，P≤0.005％，Si≤0.8％，Mn≤0.8％，V≤0.1％，Cu≤0.1％；其中：1％≤Ti+Nb+Ta≤2％，C元素含量優(yōu)選為0.03～0.06％。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
一種鎳基高溫合金的純凈化冶煉工藝：該工藝采用尖晶石(MgO：Al2O3＝2.5:1)坩堝，對GH3535鎳基高溫合金進行真空感應(yīng)熔煉，使合金的O、N含量降低到8ppm以下。該工藝包括慢速熔化期、超高溫精煉期、冷凍期、終脫氧期和澆注期，具體過程如下：
(1)慢速熔化期：在坩堝底部加入占合金總量0.04～0.05wt.％的碳，然后加入爐料，抽真空至真空度低于2Pa后小功率送電(為電源額定功率的20％)，直至坩堝內(nèi)的金屬料變紅后并在坩堝底部出現(xiàn)鋼液時，加大送電功率至60-80千瓦，直至爐料熔化完畢(真空度保持在3Pa以內(nèi))。慢速熔化期加爐料時，需要按比例加入合金各組成元素，按順序?qū)㈡?、鉻、鉬及其他元素(除錳、硅外)自然的加入坩堝中，注意不要人為的碼料，避免架橋；慢速熔化期小功率送電的目的是可以使坩堝內(nèi)金屬爐料充分排氣，并能使C和O充分反應(yīng)，生成的CO在真空條件下排除，有利于O的脫除。
(2)超高溫精煉期：精煉期真空度在1Pa以下，精煉溫度1614～1626℃，精煉時間5-8min；超高溫精煉目的是使合金中的氧化物、氮化物在超高真空下、超高溫度下分解，一部分真空條件下排除，另一部分溶解在合金中，在隨后的冷凍期中析出排除。500公斤的真空感應(yīng)爐精練時間一般為8分鐘，而小于500公斤的真空感應(yīng)爐精煉時間一般在6分鐘。精煉期保持高真空是為碳脫氧創(chuàng)造良好條件，并可使合金料中的氧化物、氮化物夾雜充分的上浮去除。精煉時間不宜過長是因為在合金中有大量的活潑元素，在高溫下易與坩堝的耐火材料發(fā)生置換反應(yīng)，使合金液中增加氧含量，以50公斤爐為例6左右分鐘為宜。
(3)冷凍期：超高溫精煉期完成后，電源停止送電，使合金自然冷卻直至完全凝固(一般需要1～1.5小時)，冷凍期真空度在1Pa以下。該過程的目的是使溶解于合金中的氧化物、氮化物以及游離態(tài)的氧、氮隨著溫度的下降在溶解度降低的情況下，析出并排走。
(4)終脫氧期：合金完全凝固后，送電使合金重新熔化，加入錳和硅元素后，此時送電功率為電源額定功率的15％，在剛化清時加入占合金重量的0.03-0.08％(以Mg計)Mg-Ni合金(Mg含量為25-30wt.％)作為金屬脫氧劑，攪拌條件下進行脫氧。采用脫氧劑對合金熔體進行脫氧時，脫氧劑分為3-5次加入合金中，脫氧劑首次加入時，送電功率為電源額定功率的15％，加入后送電功率提高至電源額定功率的30％進行攪拌，保持時間30秒；之后將送電功率降至電源額定功率的15％后，再進行下一次脫氧劑的加入，如此反復(fù)直至金屬脫氧劑加入完畢；
(5)澆注期：金屬脫氧劑脫氧完畢后，再將溫度提升至1550℃精煉3～8分鐘，然后降溫至1400℃進行澆注；澆注過程中送電功率為額定功率的10％。
本發(fā)明純凈化冶煉工藝的優(yōu)點如下：
1、本發(fā)明為鎳基高溫合金的純凈化冶煉工藝，選用尖晶石坩堝(MgO：Al2O3＝2.5:1)為實驗坩堝，配合適合的真空感應(yīng)熔煉工藝，經(jīng)冶煉后合金中O、N含量都降低到8ppm以下。
2、本發(fā)明工藝適用于GH3535鎳基高溫合金純凈化冶煉，拓展其在對O、N含量要求低的領(lǐng)域的應(yīng)用。
附圖說明
圖1是GH3535高溫合金的冶煉工藝曲線。
具體實施方式
下面通過實施例詳述本發(fā)明。
以下實施例是對GH3535合金進行純凈化冶煉，該合金化學(xué)成分為(wt.％)：C≤0.08％，F(xiàn)e 0.5～5％，Cr 6.0～8.0％，Mo 12～18％，Ta≤2.0％，Ti≤2.0％，Nb≤2.0％，Ni余量；其中：1％≤Ti+Nb+Ta≤2％；C的優(yōu)選范圍為0.03～0.06％，Co＜0.15％；B＜0.002％；W＜0.15％；Al＜0.2％；S≤0.01％，P≤0.005％，Si≤0.8％，Mn≤0.8％，V≤0.1％，Cu≤0.1％。
如圖1所示，選用尖晶石坩堝(MgO：Al2O3＝2.5:1)，進行真空感應(yīng)熔煉GH3535合金的工藝流程為：裝料→慢速熔化期→超高溫精煉期→冷凍期→終脫 氧期→澆注，具體操作步驟如下：
1、爐料的加入：先把坩堝清理干凈，在坩堝底部加入占爐料重量比的0.045wt.％的碳，然后按順序把鎳、鉻、鉬、自然的加入坩堝中，再加入除錳、硅外的其他合金元素，注意不要人為的碼料，避免架橋。
2、慢速熔化期：加料完畢，抽真空，真空度至2帕以內(nèi)時小功率送電(占額定功率的20％)，待坩堝中的爐料完全變紅，并在坩堝底部出現(xiàn)鋼液時，加大送電功率至60-80千瓦，同時保持較高的真空狀態(tài)(3Pa以內(nèi))，直至爐料完全熔化。
3、超高溫精煉期：當(dāng)合金完全熔化后，使合金液的溫度升至1620℃轉(zhuǎn)入精煉期，精煉期的真空度必須在1Pa以下，精煉時間5-8min。
4、冷凍期：合金經(jīng)過超高溫精煉期后停電，使合金在超高真空狀態(tài)(真空度在1Pa以下)自然凝固。
5、終脫氧期：經(jīng)過冷凍后送電使合金熔化再進行大功率攪拌30秒。當(dāng)合金完全熔化后，加入金屬錳、硅元素，立即把送電功率降至額定功率15％，將金屬脫氧劑(Mg-Ni合金)分3-5次加入鋼液中，并在每次加入后都要提高功率(每次加入后送電功率提高到電源額定功率的30％)攪拌鋼液使脫氧產(chǎn)物上浮脫除，每次脫氧劑都加入后保持30秒，然后將送電功率降至電源額定功率的15％，再進行下一次的脫氧劑加入，如此反復(fù)直至脫氧劑加入完畢；金屬脫氧劑的總加入量(以Mg計算)為合金重量0.05％，Mg-Ni合金中Mg元素含量為30wt.％。
6、合金的澆注：經(jīng)過終脫氧后的鋼液，將溫度提升至1550℃精煉5分鐘，然后溫度降至1400℃進行澆注，澆注時功率調(diào)整至額定功率的10％帶電澆注。
實施例
采用本發(fā)明工藝冶煉了GH3535合金，容量從10公斤至500公斤的O、N含量都降至8個ppm以下，結(jié)果見表1，現(xiàn)該技術(shù)可以批量冶煉GH3535合金，實現(xiàn)了GH3535合金采用此工藝冶煉后O、N超低含量的目標。
表1.采用高溫合金返回料純凈化冶煉工藝處理的實驗數(shù)據(jù)