CN110396605B - 一种变形高温合金铸锭的制备方法 - Google Patents

一种变形高温合金铸锭的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种变形高温合金铸锭的制备方法，采用原料预处理+真空感应熔炼+热装退火+电渣重熔+热装退火+真空自耗+热装退火的制备工艺，其中，原料预处理提高和改善了冶炼炉料的洁净度，真空感应熔炼能够获得成分均匀的电极，电渣重熔能够进一步降低夹杂物，使铸锭组织更加致密，得到质量更加优异的电极锭，真空自耗重熔进一步使合金铸态枝晶组织细化以及组织均匀化，能够实现很好的补缩效果，避免产生严重偏析、疏松、缩孔等冶金缺陷，每一步熔炼后的热装退火能够防止电极或重熔锭在冷却过程出现裂纹，最终得到表面质量好、无裂纹缺陷、铸态枝晶组织细小、低偏析、低应力的优质铸锭，提高了铸锭的合格率，具有显著的经济效益。

Description

一种变形高温合金铸锭的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制造技术领域，涉及一种变形高温合金铸锭的制备方法，尤其涉及一种高合金化的变形高温合金优质铸锭的制备方法。
背景技术
随着先进航空发动机推重比的提高，其涡轮前温度越来越高，相应地，要求涡轮盘的使用温度更高。因此，要求制作涡轮盘的高温合金(如GH4151、GH4720Li、GH4065等)具有更加优异的承温能力和良好的综合性能。此类涡轮盘高温合金具有很高的合金化程度，该类合金含固溶强化元素总量较高，同时，沉淀强化元素含量高，此外，合金主要强化相γ′相含量通常高于45％。这种高合金化的成分特点和合金特性，对合金铸锭的组织低偏析及细化、低铸造应力、低冶金缺陷的控制带来很大难度，在真空感应+真空自耗或真空感应+电渣重熔等传统熔炼工艺下，合金铸锭易于产生裂纹等冶金缺陷，铸锭报废率高、合格率低。
发明内容
本发明的目的是：公开一种变形高温合金铸锭的制备方法，以解决在目前传统工艺导致合金铸锭易于产生裂纹等冶金缺陷，铸锭报废率高、合格率低的技术问题。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种变形高温合金铸锭的制备方法，包含以下步骤：
步骤一、把冶炼用原料装入真空感应炉中熔炼，熔炼末期在熔模内浇注成电极棒，保持电极棒在炉内停留一定时间，并控制电极棒表面温度不低于400℃，随后脱模；
步骤二、把脱模后的电极棒，迅速转入预先预热至400℃的退火炉内进行退火处理；
步骤三、对真空感应电极棒扒皮、切除冒口后，进行电渣重熔，保持电渣锭在炉内停留时间40min～60min，并保持电渣锭表面温度不低于400℃；对电渣锭进行脱模；
步骤四、电渣锭装炉进行退火处理：脱模后的电渣锭立即转移至预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，转移入炉时间≤5min；
步骤五、对电渣锭切除头尾、机加工扒皮后，进行真空自耗重熔，保持自耗锭在炉内停留时间30min～50min，表面温度不低于400℃后出炉；
步骤六、把从真空自耗炉中出炉的自耗锭趁热装入预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理。
步骤一熔炼过程控制全熔温度：1530℃～1580℃，控制钢液精炼温度：1500℃～1570℃。
步骤二中退火理的具体操作为：将电极棒升温到650℃～750℃，保温4h～6h，炉冷至100℃以下出炉。
步骤三中所述电渣重熔的过程为：
在电极棒底部切取制备引弧板、引弧块；预先在电渣渣料混入50g～70g铝豆，送电起弧，加渣，进行电渣重熔，在电渣重熔末期对电渣锭进行补缩获得电渣锭。
步骤三中所述电渣渣料为五元预熔渣系渣料；所述五元预熔渣系重量配比为Al2O3：19％～25％，TiO2：2.0％～4.0％，CaO：17％～23％，MgO：4.0～6.0％，余量为CaF2。
步骤四中所述电渣锭的退火处理具体过程为：加热升温到650℃～800℃，保温4h～8h后，断电炉冷到100℃以下出炉。
步骤五中所述真空自耗重熔过程中熔速为(2.0～5.0)Kg/min。
步骤六中自耗锭退火处理具体过程为：加热升温到650℃～850℃，保温4h～8h后，炉冷至100℃以下出炉。
优选地，制备方法还包括对冶炼用原料进行预处理的步骤，具体操作为：
将冶炼用原料(如Co板，Ni板)切成小块料，然后对小料块在400℃～500℃条件下进行烘烤，之后对小料块进行酸洗处理；使用的酸洗液配方体积比为：H2SO4：10％～20％，HCl：8％～15％，HNO3：3％～10％，H2O：50％～70％。
步骤五中所述真空自耗重熔过程中采用氦气冷却。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用真空感应熔炼+热装退火+电渣重熔+热装退火+真空自耗+热装退火工艺技术，能够大大降低和减小熔炼冷却过程因电极棒、重熔锭表层和心部的温度差异以及冷却速度的不同而导致的热应力，从而避免因热应力过大、热应力不均而导致合金铸锭裂纹产生问题。
(2)本发明注重对冶炼用原料的预处理并结合采用真空感应熔炼能够获得成分均匀、纯净化的电极棒；采用电渣重熔能够进一步降低夹杂物，使铸锭组织更加致密，得到质量更加优异的自耗重熔用电极材料；采用真空自耗重熔，进一步使合金铸态枝晶组织细化以及组织均匀化，此外，能够实现很好的补缩效果，避免产生严重偏析、疏松、缩孔等冶金缺陷。
(3)本发明能够准确控制铸锭的化学成分，有效减轻元素偏析并防止铸锭裂纹等一系列冶金缺陷发生，提高了高合金化变形高温合金铸锭的合格率和冶金质量，具有显著的经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用本发明与传统熔炼工艺下的自耗锭的残余应力对比。
图2为采用本发明获得的自耗锭细化的枝晶组织形貌；
图3为传统熔炼工艺下的自耗锭粗大的枝晶组织形貌；
其中，图2、图3中的比例尺为100μm；从图1中可以看出通过本发明方法制备的自耗锭热应力低，从而由热应力导致的裂纹几率低；从图2和图3的对比可以看出通过本发明方法制备的合金铸锭具有细化的枝晶组织并且组织均匀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
实施例1
对冶炼用原料进行预处理，将原料Co板，Ni板切成小块料，然后对小料块在400℃条件下进行烘烤，之后对小料块在配比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O＝10％:15％:10％:65％的酸液中进行酸洗处理，把配好的原料装入真空感应炉中熔炼，熔炼过程控制全熔温度：1550℃，控制钢液精炼温度：1530℃，熔炼末期在模内浇注成电极棒，保持电极棒在炉内停留30min，控制电极棒表面温度不低于400℃，随后脱模；把脱模后的电极棒，立即转入预先预热至400℃的退火炉内进行退火处理，升温到650℃，保温4h，炉冷至100℃以下出炉；对真空感应电极棒扒皮、切除冒口后，进行电渣重熔，在电极棒底部切一个厚度15mm的薄片作为引弧板，在引弧板上切取4个Φ20小圆柱作为引弧块，电渣渣料为Al2O3:TiO2:CaO:MgO:CaF2＝20％:3％:17％:5％:55％的五元预熔渣系渣料，预先在渣料中均匀混入50g铝豆，通入氩气20L/min，通入时间10min后，流量改为5L/min，通水，送电起弧，加渣，待渣料完全熔化后每隔10min向熔池加入铝豆2g，电渣重熔末期对电渣锭补缩，控制补缩开始重量110Kg，结束重量10Kg，电渣锭在炉内停留时间45min；对电渣锭进行脱模并保持电渣锭表面温度不低于400℃，电渣锭脱模后立即转移至预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，转移入炉时间3min；电渣锭装炉后，加热升温到700℃，保温5h后，断电炉冷到100℃以下出炉；对电渣锭切除头尾、机加工扒皮后，进行真空自耗重熔，真空自耗重熔过程，控制熔速为3.0Kg/min，并采用氦气冷却，保持自耗锭在炉内停留时间30min，表面温度不低于400℃后出炉；把从真空自耗炉中出炉的自耗锭趁热装入预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，自耗锭装炉后，加热升温到820℃，保温6h后，炉冷至100℃以下出炉，获得高合金化的变形高温合金优质铸锭。
实施例2
对冶炼用原料进行预处理，将原料Co板，Ni板切成小块料，然后对小料块在450℃条件下进行烘烤，之后对小料块在配比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O＝15％:8％:5％:72％的酸液中进行酸洗处理，把配好的原料装入真空感应炉中熔炼，熔炼过程控制全熔温度：1560℃，控制钢液精炼温度：1550℃，熔炼末期在模内浇注成电极棒，保持电极棒在炉内停留35min，控制电极棒表面温度不低于400℃，随后脱模；把脱模后的电极棒，立即转入预先预热至400℃的退火炉内进行退火处理，升温到700℃，保温4h，炉冷至100℃以下出炉；对真空感应电极棒扒皮、切除冒口后，进行电渣重熔，在电极棒底部切一个厚度15mm的薄片作为引弧板，在引弧板上切取4个Φ20小圆柱作为引弧块，电渣渣料为Al2O3:TiO2:CaO:MgO:CaF2＝23％:4％:18％:4％:51％的五元预熔渣系渣料，预先在渣料中均匀混入60g铝豆，通入氩气20L/min，通入时间10min后，流量改为5L/min，通水，送电起弧，加渣，待渣料完全熔化后每隔10min向熔池加入铝豆3g，电渣重熔末期对电渣锭补缩，控制补缩开始重量100Kg，结束重量10Kg，电渣锭在炉内停留时间50min；对电渣锭进行脱模并保持电渣锭表面温度不低于400℃，电渣锭脱模后立即转移至预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，转移入炉时间3min；电渣锭装炉后，加热升温到750℃，保温6h后，断电炉冷到100℃以下出炉；对电渣锭切除头尾、机加工扒皮后，进行真空自耗重熔，真空自耗重熔过程，控制熔速为4.0Kg/min，并采用氦气冷却，保持自耗锭在炉内停留时间40min，表面温度不低于400℃后出炉；把从真空自耗炉中出炉的自耗锭趁热装入预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，自耗锭装炉后，加热升温到850℃，保温4h后，炉冷至100℃以下出炉，获得高合金化的变形高温合金优质铸锭。
实施例3
对冶炼用原料进行预处理，将原料Co板，Ni板切成小块料，然后对小料块在500℃条件下进行烘烤，之后对小料块在配比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O＝20％:8％:10％:62％的酸液中进行酸洗处理，把配好的原料装入真空感应炉中熔炼，熔炼过程控制全熔温度：1560℃，控制钢液精炼温度：1570℃，熔炼末期在模内浇注成电极棒，保持电极棒在炉内停留32Min，控制电极棒表面温度不低于400℃，随后脱模；把脱模后的电极棒，立即转入预先预热至400℃的退火炉内进行退火处理，升温到750℃，保温6h，炉冷至100℃以下出炉；对真空感应电极棒扒皮、切除冒口后，进行电渣重熔，在电极棒底部切一个厚度15mm的薄片作为引弧板，在引弧板上切取4个Φ20小圆柱作为引弧块，电渣渣料为Al2O3:TiO2:CaO:MgO:CaF2＝25％:2.0％:18％:5％:50％的五元预熔渣系渣料，预先在渣料中均匀混入70g铝豆，通入氩气20L/min，通入时间10min后，流量改为5L/min，通水，送电起弧，加渣，待渣料完全熔化后每隔10min向熔池加入铝豆5g，电渣重熔末期对电渣锭补缩，控制补缩开始重量120Kg，结束重量10Kg，电渣锭在炉内停留时间60min；对电渣锭进行脱模并保持电渣锭表面温度不低于400℃，电渣锭脱模后立即转移至预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，转移入炉时间4min；电渣锭装炉后，加热升温到800℃，保温6h后，断电炉冷到100℃以下出炉；对电渣锭切除头尾、机加工扒皮后，进行真空自耗重熔，真空自耗重熔过程，控制熔速为5.0Kg/min，并采用氦气冷却，保持自耗锭在炉内停留时间50min，表面温度不低于400℃后出炉；把从真空自耗炉中出炉的自耗锭趁热装入预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，自耗锭装炉后，加热升温到850℃，保温4h后，炉冷至100℃以下出炉，获得高合金化的变形高温合金优质铸锭。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变形高温合金铸锭的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包含以下步骤：
步骤一、把冶炼用原料装入真空感应炉中熔炼，熔炼末期在熔模内浇注成电极棒，并控制电极棒表面温度不低于400℃，随后脱模；
步骤二、把脱模后的电极棒，迅速转入预先预热至400℃的退火炉内进行退火处理；
步骤三、对真空感应电极棒扒皮、切除冒口后，进行电渣重熔，保持电渣锭在炉内停留时间40min～60min，并保持电渣锭表面温度不低于400℃；对电渣锭进行脱模；
步骤四、脱模后的电渣锭立即转移至预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理，转移入炉时间≤5min；
步骤五、对电渣锭切除头尾、机加工扒皮后，进行真空自耗重熔，保持自耗锭在炉内停留时间30min～50min，表面温度不低于400℃后出炉；
步骤六、把从真空自耗炉中出炉的自耗锭趁热装入预先加热至400℃的退火炉内进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一所述熔炼过程控制全熔温度：1530℃～1580℃，控制钢液精炼温度：1500℃～1570℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤二中所述退火处理的具体操作为：将电极棒升温到650℃～750℃，保温4h～6h，炉冷至100℃以下出炉。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中所述电渣重熔的过程为：
在电极棒底部切取制备引弧板、引弧块；预先在五元预熔渣系渣料混入50g～70g铝豆，送电起弧，加渣，进行电渣重熔，在电渣重熔末期对电渣锭进行补缩获得电渣锭。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述五元预熔渣系重量配比为Al2O3：19%~25%，TiO2：2.0%~4.0%，CaO：17%~23%，MgO：4.0~6.0%，余量为CaF2。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤四中所述电渣锭的退火处理具体过程为：加热升温到650℃～800℃，保温4h～8h后，断电炉冷到100℃以下出炉。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤五中所述真空自耗重熔过程中熔速为（2.0～5.0）Kg/min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤六中所述自耗锭退火处理具体过程为：加热升温到650℃～850℃，保温4h～8h后，炉冷至100℃以下出炉。
9.根据权利要求1至8任一项所述的制备方法，其特征在于：所述的制备方法还包括对冶炼用原料进行预处理的步骤，所述预处理的操作为：
将冶炼用原料切成小块料，然后对小料块在400℃~500℃条件下进行烘烤，之后对小料块进行酸洗处理。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：酸洗液配方体积比为：H2SO4：10%～20%，HCl：8%～15%，HNO3：3%～10%，H2O：50%～70%。
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