提高鎳基單晶高溫合金鑄造過程中稀土元素收得率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高鎳基單晶高溫合金鑄造過程中稀土元素收得率的方法，具體 為一種通過在鎳基單晶高溫合金中增加合金元素的方式，并配合一定的定向凝固技術(shù)工藝 參數(shù)，降低在鑄造過程中稀土元素的損耗，提高稀土元素的收得率。
【背景技術(shù)】
[0002] 稀土元素在國防高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、新能源、新材料以及機械、冶金、石油、 化工等重要產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用極其廣泛，是當(dāng)今非常重要的國家戰(zhàn)略資源，同時它又是不可再生 的稀有地質(zhì)礦產(chǎn)資源，更在美國國會參議院2014年聽證會上被描述為二十一世紀(jì)綜合國 力競爭的關(guān)鍵自然資源。隨著稀土材料需求量的快速增長，稀土資源浪費、利用率低、消耗 過快等矛盾日益突出。稀土等廢固資源對環(huán)境產(chǎn)生的巨大壓力，引起國家的高度重視，相繼 出臺了《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)稀土行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見》等政策和行政法規(guī)。因此，如 今稀土資源的高效利用成為業(yè)界廣大科技工作者的共識，是我國稀土產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 的重中之重。
[0003] 當(dāng)今稀土元素在諸多應(yīng)用中，鎳基高溫合金中添加稀土元素近年來受到越來越多 矚目。由于鎳基高溫合金（超合金）具有高熔點高強度等性能，目前已逐漸發(fā)展成為最重 要的飛機發(fā)動機用高溫結(jié)構(gòu)材料，而稀土元素的添加極大的有利于提高鎳基高溫合金的抗 氧化性與熱腐蝕性。為此，加深對添加稀土元素的鎳基高溫材料研究與開發(fā)，既符合世界科 技發(fā)展趨勢以及我國新材料發(fā)展戰(zhàn)略，又貼合稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際需求，實現(xiàn)稀土資源高效 利用，推進(jìn)稀土產(chǎn)業(yè)鏈合理的結(jié)構(gòu)性調(diào)整與優(yōu)化。
[0004] 鎳基高溫合金的制備通常使用熔模鑄造法，在鑄造過程中，稀土元素的損失可高 達(dá)50-80 %，收得率低于50%。究其原因主要有兩點：（一）元素?zé)龘p，合金熔煉過程以及 澆鑄過程為低壓（真空）環(huán)境，加劇元素?fù)]發(fā)，但由于稀土元素熔點高，相較低熔點元素而 言損失較少；（二）反應(yīng)損失，在澆鑄過程中，由于稀土元素較活潑，合金中稀土元素會與型 殼之間發(fā)生反應(yīng)，例如3Si02+4Y= 2Y203+3Si，導(dǎo)致稀土元素含量急劇下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所提供的提高鎳基單晶高溫合金鑄造過程中稀土元素收得率的方法，是針 對現(xiàn)有技術(shù)中第二種稀土元素?fù)p失原因，通過改善合金成分，調(diào)整定向凝固技術(shù)工藝參數(shù)， 達(dá)到降低稀土元素?fù)p耗、提高稀土元素收得率的目的。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0007] -種提高鎳基單晶高溫合金鑄造過程中稀土元素收得率的方法，其特征在于，所 述方法包括鑄造鎳基單晶高溫母合金錠步驟，向所述鎳基單晶高溫合金中添加鈣，鈣在鑄 成的母合金錠中的重量百分比為0.5%彡Ca彡2.0%。
[0008] 進(jìn)一步，所述母合金錠鑄造過程中鈣以單質(zhì)形式添加，鈣的添加量為0.5%、1.0% 或 2. 0%〇
[0009] 進(jìn)一步，所述方法中稀土元素的收得率為75. 5-89. 0%。
[0010] 進(jìn)一步，所述方法還包括定向凝固步驟，具體為在真空室內(nèi)依次進(jìn)行：將母合金錠 裝入坩堝，抽真空，升溫熔化，保溫預(yù)定時間，澆鑄，靜置預(yù)定時間，抽拉型殼。抽拉型殼是指 將型殼連同鑄件一起抽拉，使鑄件往一個方向生長。
[0011] 進(jìn)一步，當(dāng)真空室內(nèi)溫度降至900°c時，關(guān)閉真空取出型殼，空冷至室溫后清除型 殼，取出鑄件。
[0012] 進(jìn)一步，所述定向凝固步驟中，抽真空至105Pa，升溫至1580°C±20°C熔化，保溫 時間30min，靜置時間30min，抽拉型殼速率為4_6mm/min。
[0013] 進(jìn)一步，所述抽拉型殼速率為4mm/min.5mm/min或6mm/min。
[0014] 進(jìn)一步，所述母合金錠中含有以下組分，以重量百分比計：鋁5. 75%，鈷5. 0%， 鉻9. 5%，鉬4. 0%，鈦1. 9%，鎢5. 5%，稀土元素0. 2%，鈣0. 5-2. 0%，不可避免的雜質(zhì) < 0.08%，余量為鎳。
[0015] 進(jìn)一步，所述母合金錠中含有以下組分，以重量百分比計：鋁5. 75%，鈷9. 0%，鉻 4. 4%，鉬 2. 0%，鉭 7. 2%，鎢 8. 0%，錸 2. 0%，稀土元素 0. 2%，鈣 0. 5-2. 0%，不可避免的 雜質(zhì)< 0.08%，余量為鎳。
[0016] 進(jìn)一步，所述稀土元素為釔或鑭。
[0017] 本發(fā)明提高鎳基單晶高溫合金鑄造過程中稀土元素收得率的方法具有以下優(yōu) 占.
[0018] 由于鈣的活潑性高于稀土元素，本發(fā)明中，鈣的加入會先與型殼發(fā)生反應(yīng)，如 Ca+Si02 =Ca0+Si，阻礙稀土元素與型殼的反應(yīng)，減少稀土元素的損耗；鈣（熔點800多度） 以單質(zhì)形式加入，在真空環(huán)境下，損耗量不會太大。
[0019] 本發(fā)明中，抽拉型殼速率在5±lmm/min，過高則形成單晶能力差，過低則損耗過多 I丐元素，因此該速率是配合I丐元素的添加量來設(shè)計的。
[0020] 本發(fā)明能夠顯著降低在鑄造過程中稀土元素的損耗，提高稀土元素的收得率，該 方法中稀土元素的收得率為75. 5-89. 0%。
【具體實施方式】
[0021] 為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)到預(yù)定技術(shù)目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 較佳實施例，對本發(fā)明的工藝過程、特征以及功效詳細(xì)說明如后。
[0022] 本發(fā)明能夠適用所有稀土元素，在此僅以Y(釔），La(鑭）做實驗舉例說明。
[0023] 實施例1
[0024] 按照表1準(zhǔn)備相應(yīng)成分的母合金錠（稀土含量為0. 2% )，并在其中添加一定含 量的鈣元素，鈣的重量百分比為0. 5 %。將母合金錠裝入坩堝，抽真空至10-5Pa，升溫至 1550°C±30°C，保溫30min，澆鑄，靜置30min，抽拉型殼，速率為4mm/min，當(dāng)溫度降至900°C 時，關(guān)閉真空取出型殼，空冷至室溫后清除型殼，取出鑄件，鑄錠中稀土實際含量為〇. 151% (重量百分比），損耗率為24. 5%，收得率為75. 5%。
[0025] 表1母合金各元素重量百分比
[0026]
[0027] 實施例2
[0028] 按照表2準(zhǔn)備相應(yīng)成分的母合金錠（稀土含量為0. 2% )，并在其中添加一定含 量的鈣元素，鈣的重量百分比為1.0%。將母合金錠裝入坩堝，抽真空至10-5Pa，升溫至 1550°C±30°C，保溫30min，澆鑄，靜置30min，抽拉型殼，速率為5mm/min，當(dāng)溫度降至900°C 時，關(guān)閉真空取出型殼，空冷至室溫后清除型殼，取出鑄件，鑄錠中稀土實際含量為〇. 153% (重量百分比），損耗率為23. 5%，收得率為76. 5%。
[0029] 表2母合金各元素重量百分比
[0030]
[0031] 實施例3
[0032] 按照表3準(zhǔn)備相應(yīng)成分的母合金錠（稀土含量為0.2% )，并在其中添加一定含 量的鈣元素，鈣的重量百分比為2. 0 %。將母合金錠裝入坩堝，抽真空至10-5Pa，升溫至 1550°C±30°C，保溫30min，澆鑄，靜置30min，抽拉型殼，速率為6mm/min，當(dāng)溫度降至900°C 時，關(guān)閉真空取出型殼，空冷至室溫后清除型殼，取出鑄件，鑄錠中稀土實際含量為〇. 178% (重量百分比），損耗率為11. 〇%，收得率為89. 0%。
[0033] 表3母合金各元素重量百分比
[0034]
[0035] 實施例4
[0036] 按照表4準(zhǔn)備相應(yīng)成分的母合金錠（稀土含量為0.2% )，并在其中添加一定含 量的鈣元素，鈣的重量百分比為0. 5 %。將母合金錠裝入坩堝，抽真空至10-5Pa，升溫至 1550°C±30°C，保溫30min，澆鑄，靜置30min，抽拉型殼，速率為6mm/min，當(dāng)溫度降至900°C 時，關(guān)閉真空取出型殼，空冷至室溫后清除型殼，取出鑄件，鑄錠中稀土實際含量為〇. 166% (重量百分比），損耗率為17. 0%，收得率為83. 0%。
[0037]表4母合金各元素重量百分比
[0038]
[0039] 實施例5
[0040]按照表5準(zhǔn)備相應(yīng)成分的母合金錠（稀土含量為0.2% )，并在其中添加一定含 量的鈣元素，鈣的重量百分比為1.0%。將母合金錠裝入坩堝，抽真空至10-5Pa，升溫至 1550