九銘特鋼高溫合金Inconel 718電渣重熔冶煉技術(shù)資訊

九銘特鋼潔凈金屬?lài)娚涑尚图夹g(shù)

非金屬夾雜物對(duì)氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金部件的低循環(huán)疲勞壽命有重要的影響,，脆性的夾雜物經(jīng)常是裂紋源,，從而導(dǎo)致了高溫合金部件的早期失效,。因此，消除或限制此類(lèi)夾雜物的大小尺寸就顯得十分重要。

目前，在高純凈度鑄造,、鍛造高溫合金生產(chǎn)工業(yè)中普遍采用三聯(lián)工藝（真空感應(yīng)熔煉＋電渣重熔＋真空電弧重熔）。真空感應(yīng)熔煉制備具有適當(dāng)化學(xué)成分的自耗電極,，在電渣重熔工序去除脆性的氧化物夾雜獲得較高的純凈度,，后通過(guò)真空電弧重熔獲得無(wú)宏觀偏析、組織均勻的毛坯,，這一組合工藝很快就成為了標(biāo)準(zhǔn)的冶煉工藝,。然而，這一工藝生產(chǎn)成本高,、冶煉周期長(zhǎng)。為了克服這一問(wèn)題,，通用電氣公司開(kāi)發(fā)了潔凈金屬?lài)娚涑尚图夹g(shù),。有機(jī)地結(jié)合了電渣精煉和噴射成型優(yōu)點(diǎn)的潔凈金屬?lài)娚涑尚图夹g(shù)可以十分快速、經(jīng)濟(jì)地航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及工業(yè)用氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造的需求,。

具有合格成分的自耗電極經(jīng)電渣重熔后得到純凈的液態(tài)金屬,，通過(guò)底部澆鑄系統(tǒng)，即冷壁感應(yīng)引導(dǎo)系統(tǒng)（CIG）,，液態(tài)金屬到達(dá)噴射成型室,，在這里，穩(wěn)定的氣流把液態(tài)金屬霧化成可快速凝固的金屬滴,，然后可直接制得高質(zhì)量無(wú)缺陷的鑄錠,，以及各種尺寸、近終成形的合金鑄件,。這一技術(shù)有效地減少了工序,，特別是對(duì)一些難以鍛造的沉淀強(qiáng)化高溫合金部件的制造來(lái)說(shuō),，具有重要的意義。另外,，在減少生產(chǎn)時(shí)間,、降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，液態(tài)金屬?lài)娚涑尚图夹g(shù)明顯地提高了鑄件的純凈度,，表1對(duì)高溫合金718真空感應(yīng)自耗電極,、三聯(lián)工藝重熔錠和潔凈金屬?lài)娚涑尚丸T件中的氧化物夾雜進(jìn)行了比較。

九銘特鋼可控氣氛電渣冶金

1  真空電渣重熔

應(yīng)用于航空領(lǐng)域的高溫合金必須在真空下電弧重熔,，這樣重熔后金屬具有良好的組織結(jié)構(gòu)和高的純凈度,，并且成分易于控制，然而,，真空電弧重熔不能脫硫且易形成白點(diǎn)及產(chǎn)生年輪狀偏析,。*，電渣重熔金屬同樣具有良好的組織結(jié)構(gòu)和高的純凈度,，脫硫效果好,，不易形成白點(diǎn)及產(chǎn)生年輪狀偏析，但電渣重熔過(guò)程中活潑元素?zé)龘p大,，成分控制困難,，氣體含量有時(shí)會(huì)增加?？紤]到以上情況,，德國(guó)的ALD真空技術(shù)公司開(kāi)發(fā)了結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)、克服兩者不足的真空下電渣重熔技術(shù)[14],。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明,，直徑為250mm、重量約為300kg的真空下電渣重熔錠表面光滑,，無(wú)表面缺陷,，在有效脫硫的情況下，活潑元素如鈦,、鋁等沒(méi)有燒損,。

2 惰性氣體保護(hù)下的電渣重熔

過(guò)去電渣熔煉都是在大氣氣氛或者為了防止增氫而在干燥空氣下進(jìn)行的。六十年代初以來(lái)的研究表明,，重熔合金中的氧含量取決于主要脫氧元素的濃度和該脫氧元素的氧化物在渣中的活度,，此外，渣池上的氧分壓也或多或少也產(chǎn)生一定的影響,，氧的介入除了直接與Fe,、Mn和其它重元素的陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng)外，更多的是由于熔渣上方電極受熱被氧化引起的。在過(guò)去的幾十年中,，普遍通過(guò)往渣池中加入脫氧劑如Al,、CaSi、FeSi,、Mg等的方法對(duì)熔渣連續(xù)脫氧,，然而這樣就會(huì)引起熔渣組分的變化，從而使重熔錠中的易氧化元素含量的不一致,。近來(lái),，采用惰性氣體保護(hù)下的電渣重熔，在防止增氫的同時(shí),，也可以有效地防止氧的增加,。相信在不久的將來(lái)，電渣冶金過(guò)程的惰性氣體保護(hù)將成為通用措施之一,。

九銘特鋼 高溫合金Inconel 718電渣重熔冶煉技術(shù)資訊 下面將介紹德國(guó)ALD公司于為英國(guó)第五RIXSON高溫合金有限公司制造的臺(tái)惰性氣體保護(hù)電渣重熔爐,。這臺(tái)電渣爐配備了一個(gè)密封罩把熔煉區(qū)域與大氣*隔離，用真空泵把空氣排出后再充入氬氣,，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)控制可全自動(dòng)運(yùn)行,。熔煉過(guò)程是在*無(wú)氧化的惰性氣氛下進(jìn)行的，因而,，熔渣不會(huì)被氧化,，也無(wú)需加入脫氧劑，重熔錠具有的純凈度,。

由于氧和氮的問(wèn)題而沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破?，F(xiàn)在，在全密封的惰性氣體保護(hù)下,，重熔鈦就成為可能,。實(shí)驗(yàn)是在ALD公司的惰性氣氛電渣重熔爐上進(jìn)行的，重熔錠的直徑是170mm,，熔渣的組成是工業(yè)純的CaF2和2～9%的金屬鈣,。烏克蘭頓涅茨克國(guó)立技術(shù)大學(xué)和美國(guó)拉特羅布鋼鐵公司聯(lián)合研究結(jié)果表明，惰性氣氛電渣重熔鈦的純凈度與碘化物提純鈦相當(dāng),，氧含量小于0.03%、氮小于0.005%,、氫小于0.003%,、碳小于0.01%。烏克蘭巴頓電焊研究所也同樣得到了令人振奮的結(jié)果,，這又進(jìn)一步拓寬了電渣冶金的應(yīng)用范圍,。

3 高壓電渣爐

九銘特鋼德國(guó)建成了世界上高壓電渣重熔爐。這臺(tái)爐子能生產(chǎn)直徑1m,，重達(dá)14.5噸的錠子,，熔煉室氮?dú)鈮毫Ω哌_(dá)4.2Mpa,。在這樣的條件下，就可能*生產(chǎn)氮含量超過(guò)1%的大尺寸奧氏體不銹鋼錠,，在鐵素體和馬氏體不銹鋼中氮的含量也可以達(dá)到0.5%,。氮是奧氏體穩(wěn)定元素，其作用超過(guò)鎳的30多倍,，在奧氏體組織中溶解氮的增加可顯著提高抗拉強(qiáng)度,、屈服點(diǎn)和耐腐蝕性能。

保加利亞,、奧地利也發(fā)展了類(lèi)似工藝來(lái)生產(chǎn)高氮鋼,。

以上簡(jiǎn)要地介紹了近年來(lái)國(guó)外在電渣冶金方面所取得的重要進(jìn)展。這些成果的取得進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)了電渣冶金技術(shù)*的性,，部分或*克服了長(zhǎng)期困擾電渣冶金發(fā)展的一些問(wèn)題,，電渣冶金顯示了更強(qiáng)大的生命力，即使在爐外精煉技術(shù)飛速發(fā)展的今天,，電渣冶金在許多方面仍具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力,。如電渣重熔在中型及大型鍛件生產(chǎn)、電渣重熔空心錠和電渣熔鑄異型鑄件方面地位仍將占有重要地位,；在優(yōu)質(zhì)工模具鋼,、不銹鋼以及其它特殊鋼生產(chǎn)領(lǐng)域中占優(yōu)勢(shì)，真空電弧重熔在這一領(lǐng)域必將為電渣重熔所取代,；對(duì)高溫合金,、耐蝕合金、精密合金,、電熱合金等特殊合金,，電渣重熔將在與真空電弧重熔的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)；電渣冶金在有色金屬的冶煉方面將得到越來(lái)越多的應(yīng)用,；電渣冶金技術(shù)的發(fā)展不僅局限于結(jié)晶器內(nèi)電渣重熔,，電渣冶金亦將成為現(xiàn)代煉鋼流程中的一環(huán)，鋼包精煉,、連鑄中間包加熱,、電渣熱封頂、電渣多爐澆鑄技術(shù)將有較快的發(fā)展,。

九銘特鋼高溫合金Inconel 718電渣重熔冶煉技術(shù)資訊 Inconel 718高溫合金因其*的耐高溫,、耐腐蝕、抗氧化,、強(qiáng)度高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在航空,、航天、石油、電力,、化工,、能源等苛刻環(huán)境中。然而,硫元素作為Inconel 718高溫合金中的雜質(zhì)元素,硫會(huì)降低Inconel 718合金的蠕變抗力,硫極易在鎳基高溫合金晶界和表面處偏聚,造成合金的高溫下持久壽命和工作穩(wěn)定性降低,如何精確控制Inconel 718高溫合金中的硫含量,對(duì)提高材料的高溫穩(wěn)定性以及高溫持久壽命至關(guān)重要,。為此本課題基于Inconel 718高溫合金電渣重熔過(guò)程中脫硫熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)展開(kāi)研究,明確降低高溫合金中硫含量的有利條件,闡明電渣重熔過(guò)程中渣系組元對(duì)脫硫的影響規(guī)律以及界面脫硫傳質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)和界面脫硫速率,探究限制電渣重熔過(guò)程中脫硫的因素,。本課題利用熔渣結(jié)構(gòu)的分子與離子共存理論、質(zhì)量守恒定律以及質(zhì)量作用定律建立CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-TiO_2-MgO-FeO渣系組元的質(zhì)量作用濃度控制方程,進(jìn)而構(gòu)建電渣重熔過(guò)程中脫硫的熱力學(xué)模型,研究不同渣系條件下渣-金間硫的分配比;其次,利用菲克第二定律,、滲透理論以及薄膜理論建立界面脫硫的動(dòng)力學(xué)模型,研究不同溫度下界面處硫的傳質(zhì)系數(shù)以及界面脫硫傳質(zhì)速率,明確溫度與界面脫硫傳質(zhì)速率之間的函數(shù)關(guān)系,。研究結(jié)果表明,利用[Fe]-[O]平衡和[Fe]-[Al]-[O]平衡建立了七元渣系CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-TiO_2-MgO-FeO的質(zhì)量濃度控制方程,構(gòu)建了熔渣脫硫的熱力學(xué)模型。九銘特鋼通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)表明:基于[Fe]-[Al]-[O]平衡建立的脫硫熱力學(xué)模型優(yōu)于基于[Fe]-[O]平衡建立的脫硫熱力學(xué)模型,能更準(zhǔn)確地反映熔渣的脫硫能力,。七元渣系CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-TiO_2-MgO-FeO中組元CaO,、CaF_2、MgO可以提高硫的分配比,增強(qiáng)熔渣的脫硫能力;組元Al_2O_3,、SiO_2,、TiO_2、FeO可以降低硫的分配比,抑制熔渣的脫硫,。當(dāng)FeO含量在0.4%~1%之間時(shí),熔渣中的部分FeO會(huì)與渣中的Al_2O_3,、SiO_2以及CaO等結(jié)合形成FeO·Al_2O_3、2FeO·SiO_2,、CaO·FeO·SiO_2等復(fù)雜分子,降低了FeO的活度,減小了FeO含量對(duì)硫分配比的影響,。根據(jù)界面脫硫傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)的研究,隨著溫度從1833K升高到1873K,金屬相與渣相接觸界面的脫硫傳質(zhì)速率從3.48×10~(-7)mol/cm~3·s升高到3.69×10~(-7)mol/cm~3·s,通過(guò)擬合得出界面脫硫傳質(zhì)速率隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式為:C=0.0055T-6.56。