CN112746181B - 一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，包括如下步骤：S1、高温合金原材料的预处理；S2、电子束精炼高温合金铸锭，得到碳化物细小弥散分布的Inconel 718高温合金铸锭。本发明利用电子束精炼过程中的高真空、大过热环境实现合金熔体中杂质的充分去除，通过电子束精炼高温合金过程中对合金熔体进行充分过热处理，并对合金熔体进行快速凝固，在充分去除挥发性杂质及合金内部夹杂物的基础上，有效抑制了合金元素的偏析以及碳化物的形核及生长，从而达到细化高温合金中碳化物的目的。

Description

一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法

技术领域

本发明涉及一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法。

背景技术

高温合金多采用真空感应熔炼(VIM)的方法制备，为了提高合金的冶金质量，逐渐发展了真空感应精炼+真空自耗重熔/电渣重熔的双联工艺，以及真空感应精炼、真空自耗重熔、电渣重熔相结合的三联工艺。无论采用何种方法，其在凝固过程中不可避免地形成碳化物，当凝固过程越缓慢，合金的偏析程度越高，形成的碳化物尺寸越大，数量越多。

高温合金中的碳化物会对其性能产生重要影响，细小且弥散的碳化物会提高合金的高温力学性能，而当碳化物尺寸较大，超过裂纹形核的临界尺寸时，裂纹会优先在碳化物处形核及扩展，进而降低了合金的高低周疲劳及蠕变等高温力学性能。为了消除高温合金中的碳化物，传统的方法是将合金在热处理炉中进行高温长时间保温，使得碳化物逐渐扩散溶解到基体中。传统的改善碳化物的方法一方面显著增加了合金制备的能耗，使得合金成本提高，另一方面需要探索不同合金碳化物演变规律，对热处理工艺具有极高要求。

本发明提出一种从源头上细化高温合金中碳化物的方法。利用电子束精炼过程中的高真空、大过热环境实现合金熔体中杂质的充分去除，在此基础上对合金熔体进行快速凝固，从而有效抑制了合金元素的偏析以及碳化物的形核及生长。利用该方法制备的高温合金碳化物细小且弥散分布，且有效降低了合金制备的能耗以及生产成本，是实现高品质高温合金制备的有效方法。

发明内容

根据上述提出的传统的改善碳化物的方法一方面显著增加了合金制备的能耗，使得合金成本提高，另一方面需要探索不同合金碳化物演变规律，对热处理工艺具有极高要求的技术问题，而提供一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法。本发明主要利用电子束精炼过程中的高真空、大过热环境实现合金熔体中杂质的充分去除，通过电子束精炼高温合金过程中对合金熔体进行充分过热处理，并对合金熔体进行快速凝固，在充分去除挥发性杂质及合金内部夹杂物的基础上，有效抑制了合金元素的偏析以及碳化物的形核及生长，从而达到细化高温合金中碳化物的目的。

本发明采用的技术手段如下：

一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，包括如下步骤：

S1、高温合金原材料的预处理：

S11、所述原材料为Inconel 718合金；

S12、将所述原材料加工至合适尺寸，以能够放入精炼用水冷铜坩埚为准；

S13、对加工后的所述原材料进行打磨，去除表面氧化层和加工痕迹；

S14、将打磨后的所述原材料进行清洗、烘干，备用；

S2、电子束精炼高温合金铸锭：

S21、对电子束精炼用水冷铜坩埚进行清理：打磨、酒精擦拭、烘干，以保证坩埚清洁无污染；

S22、清理电子束熔炼炉炉体及炉壁污染物，避免精炼过程中外来杂质的引入；

S23、将预处理后的所述原材料放置在水冷铜坩埚中，确定原材料准备就绪且炉体清洁后关闭电子束熔炼炉炉门；

S24、打开电子束精炼设备，将电子束熔炼炉炉体与电子枪枪体抽至目标真空状态，达到目标真空度后启动两个电子枪，将电子枪束流调整至一定值后开始对设备进行预热；

S25、预热完毕后，以环形扫描的方式匀速移动电子束光斑，对所述原材料进行熔炼；

S26、继续熔炼所述原材料，蒸发和去除杂质；

S27、熔炼完毕后，对熔炼所得熔体进行过热处理，使合金中的碳化物以及有序原子基团充分溶解；

S28、熔体过热处理后，快速凝固熔体，以减少Nb元素的偏析及碳化物的析出与生长；

S29、关闭电子束熔炼***，首先关闭电子枪高压，增加电子束束流至一定值使***的高压值降为0，随后关闭电子枪，使得铸锭在真空环境下充分冷却；

S210、待炉体与枪体以及电子束精炼的铸锭充分冷却后，取出Inconel718合金铸锭，从而得到碳化物细小弥散分布的Inconel 718高温合金铸锭。

进一步地，所述步骤S14的具体步骤如下：

分别使用去离子水及酒精对打磨后的所述原材料进行超声清洗，其中，分别用去离子水及超声清洗三次，清洗完毕后将合金至于烘干箱中，在30℃下烘干待电子束精炼使用。

进一步地，所述步骤S25的具体步骤如下：

预热完毕后将电子枪束流调至0mA，将电子束束流半径参数调整至25mm，之后启动高压，待高压到达30kV并开始增加束流；

待原材料表面发现电子束光斑后在增加束流的同时，以环形扫描的方式匀速移动光斑，使原材料表面受热均匀。

进一步地，所述步骤S26的具体步骤如下：

增加束流的大小至500mA，并在该参数下继续熔化原材料，当原材料完全熔化后开始计时，继续熔炼Inconel 718合金10min，充分促进杂质的蒸发与去除。

进一步地，所述步骤S27的具体步骤如下：

熔炼完毕后快速增加束流大小至800mA，并将束斑位置保持在铸锭中心处，进行过热处理，使得熔体充分过热，过热时间为20min，使得合金中的碳化物以及有序原子基团充分溶解，促进合金的成分和结构均匀分布。

进一步地，所述步骤S28的具体步骤如下：

熔体过热处理后，迅速将束流大小减小至0mA，使得熔体进行快速凝固，以减少Nb元素的偏析及碳化物的析出与生长。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，从源头上细化高温合金中碳化物，利用电子束精炼过程中的高真空、大过热环境实现合金熔体中杂质的充分去除，通过电子束精炼高温合金过程中对合金熔体进行充分过热处理，并对合金熔体进行快速凝固，在充分去除挥发性杂质及合金内部夹杂物的基础上，有效抑制了合金元素的偏析以及碳化物的形核及生长，从而达到细化高温合金中碳化物的目的。

2、本发明提供的电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，相对于传统的双联及多联工艺(真空感应+真空自耗重熔、真空感应+电渣重熔+真空自耗重熔等)，所制备的高温合金偏析程度更低，合金中碳化物的尺寸更加细小且弥散分布，从而有效地提高了合金的高温力学性能，有效降低了合金制备的能耗以及生产成本，是实现高品质高温合金制备的有效方法。

3、本发明提供的电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，制备的高温合金铸锭，不仅杂质含量少、合金的偏析程度低，还能细化合金中的碳化物，使得凝固后碳化物的平均尺寸小于5μm，且均匀弥散分布，为高性能高温合金的制备提供了一种重要方法。

综上，应用本发明的技术方案能够解决传统的改善碳化物的方法一方面显著增加了合金制备的能耗，使得合金成本提高，另一方面需要探索不同合金碳化物演变规律，对热处理工艺具有极高要求的问题。

基于上述理由本发明可在精炼合金中的碳化物等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电子束过热溶解去除夹杂物过程示意图。

图中：1、油扩散泵；2、阀门；3、机械泵；4、熔体局部过热区；5、合金熔体；6、水冷铜底盘；7、冷却水；8、电子枪；9、电子束；10、水冷铜坩埚；11、罗茨泵。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

镍基高温合金中的碳化物形成于凝固过程中，由于其具有很高的热力学稳定性，很难通过常规的热处理过程加以消除，因此会遗传到合金制件中。当碳化物尺寸超过裂纹形核的临界尺寸时，裂纹会在碳化物处形核及扩展，进而恶化合金的高温力学性能。本发明通过电子束精炼过程中对高温合金熔体进行充分过热处理并快速凝固，有效抑制了由于元素偏析而导致的碳化物的形核及生长，从而达到细化高温合金中碳化物的目的。本发明技术相对于传统的双联及多联工艺(真空感应+真空自耗重熔、真空感应+电渣重熔+真空自耗重熔等)，所制备的高温合金偏析程度更低，合金中碳化物的尺寸更加细小，从而有效地提高了合金的高温力学性能。

如图1所示，本发明提供了一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，包括如下步骤：

一、高温合金原材料的预处理

1、以Inconel 718合金为例，将Inconel 718合金原材料加工至合适尺寸，以能够放入精炼用水冷铜坩埚为准。

2、对加工后的原材料进行打磨，去除表面氧化层以及加工痕迹。

3、分别使用去离子水及酒精对打磨后的Inconel 718合金原材料进行超声清洗，分别用去离子水及超声清洗三次，清洗完毕后将Inconel 718合金放置于烘干箱中，在30℃下烘干待电子束精炼使用。

二、电子束精炼高温合金铸锭

1、对电子束精炼用水冷铜坩埚进行清理(打磨、酒精擦拭、烘干)，以保证水冷铜坩埚清洁无污染。

2、清理电子束熔炼炉炉体及炉壁污染物，避免精炼过程中外来杂质的引入。

3、将预处理后的Inconel 718合金原材料放置在精炼用水冷铜坩埚中，确定原材料准备就绪且炉体清洁后关闭电子束熔炼炉炉门。

4、打开电子束精炼设备，将电子束熔炼炉炉体与电子枪枪体抽至目标真空状态，达到目标真空度后启动两电子枪，将电子枪束流调整至一定值后开始对设备进行预热。

5、预热完毕后将电子枪束流调至0mA，将电子束束流半径参数调整至25mm，之后启动高压，待高压到达30kV并开始增加束流。待原材料表面发现电子束光斑后在增加束流的同时，以环形扫描的方式匀速移动光斑，使原材料表面受热均匀。

6、增加束流的大小至500mA，并在该参数下继续熔化原材料，当原材料完全熔化后开始计时，继续熔炼Inconel 718合金10min，充分促进杂质的蒸发与去除。

7、熔炼完毕后快速增加束流大小至800mA，并将束斑位置保持在铸锭中心处，进行过热处理，使得熔体充分过热(图1)，过热时间为20min，使得合金中的碳化物以及有序原子基团充分溶解，促进合金的成分和结构均匀分布。

8、熔体过热处理后，迅速将束流大小减小至0mA，使得熔体进行快速凝固，以减少Nb元素的偏析及碳化物的析出与生长。

9、关闭电子束熔炼***，首先关闭电子枪高压，增加电子束束流至一定值使***的高压值降为0，随后关闭电子枪，使得铸锭在真空环境下充分冷却。

10、待炉体与枪体以及电子束精炼的铸锭充分冷却后，取出Inconel 718合金铸锭，从而得到碳化物细小弥散分布的Inconel 718高温合金铸锭。

如图1所示为本发明电子束过热溶解去除夹杂物过程示意图，本发明采用图1所示的设备进行电子束精炼去除高温合金中夹杂物。电子枪8固定在电子束熔炼炉的顶部两侧角，水冷铜坩埚10通过水冷铜底盘6放置于电子束熔炼炉底部，水冷铜坩埚10通入冷却水7，Inconel 718高温合金原材料放置在水冷铜坩埚内，并处于电子束9扫描范围内。油扩散泵1与机械泵3相邻，二者之间用阀门2控制连通关系；罗茨泵11与炉体机械泵3相邻，二者连接在一起。合金熔体5为水冷铜坩埚10中熔化的金属原材料，并在熔化后形成熔体局部过热区4。

本发明方法通过电子束精炼高温合金过程中对熔体进行充分过热及快速冷却，在充分去除挥发性杂质及合金内部夹杂物的基础上，有效抑制了合金元素的偏析以及碳化物的形核及生长，从而达到细化高温合金中碳化物的目的。通过该种方式制备的高温合金铸锭，不仅杂质含量少、合金的偏析程度低，还能细化合金中的碳化物，使得凝固后碳化物的平均尺寸小于5μm，且均匀弥散分布，为高性能高温合金的制备提供了一种重要方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，其特征在于，利用电子束精炼过程中的高真空、大过热环境实现合金熔体中杂质的充分去除，通过电子束精炼高温合金过程中对合金熔体进行充分过热处理，并对合金熔体进行快速凝固，在充分去除挥发性杂质及合金内部夹杂物的基础上，有效抑制合金元素的偏析以及碳化物的形核及生长，达到细化高温合金中碳化物的目的；

包括如下步骤：

S1、高温合金原材料的预处理：

S11、所述原材料为Inconel 718合金；

S12、将所述原材料加工至合适尺寸，以能够放入精炼用水冷铜坩埚为准；

S13、对加工后的所述原材料进行打磨，去除表面氧化层和加工痕迹；

S14、将打磨后的所述原材料进行清洗、烘干，备用；

S2、电子束精炼高温合金铸锭：

S21、对电子束精炼用水冷铜坩埚进行清理：打磨、酒精擦拭、烘干，以保证水冷铜坩埚清洁无污染；

S22、清理电子束熔炼炉炉体及炉壁污染物，避免精炼过程中外来杂质的引入；

S23、将预处理后的所述原材料放置在水冷铜坩埚中，确定原材料准备就绪且炉体清洁后关闭电子束熔炼炉炉门；

S24、打开电子束精炼设备，将电子束熔炼炉炉体与电子枪枪体抽至目标真空状态，达到目标真空度后启动两个电子枪，将电子枪束流调整至一定值后开始对设备进行预热；

S25、预热完毕后，以环形扫描的方式匀速移动电子束光斑，对所述原材料进行熔炼；

S26、继续熔炼所述原材料，蒸发和去除杂质；

S27、熔炼完毕后，对熔炼所得熔体进行过热处理，使合金中的碳化物以及有序原子基团充分溶解；

S28、熔体过热处理后，快速凝固熔体，以减少Nb元素的偏析及碳化物的析出与生长；

S29、关闭电子束熔炼***，首先关闭电子枪高压，增加电子束束流至一定值使***的高压值降为0，随后关闭电子枪，使得铸锭在真空环境下充分冷却；

S210、待炉体与枪体以及电子束精炼的铸锭充分冷却后，取出Inconel 718合金铸锭，得到碳化物细小弥散分布的Inconel 718高温合金铸锭；

所述步骤S27的具体步骤如下：

熔炼完毕后快速增加束流大小至800mA，并将束斑位置保持在铸锭中心处，进行过热处理，使得熔体充分过热，过热时间为20 min，使得合金中的碳化物以及有序原子基团充分溶解，促进合金的成分和结构均匀分布；

所述步骤S28的具体步骤如下：

熔体过热处理后，迅速将束流大小减小至0 mA，使得熔体进行快速凝固，以减少Nb元素的偏析及碳化物的析出与生长；凝固后碳化物的平均尺寸小于5 μm，且均匀弥散分布。

2.根据权利要求1所述的电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，其特征在于，所述步骤S14的具体步骤如下：

分别使用去离子水及酒精对打磨后的所述原材料进行超声清洗，其中，分别用去离子水及超声清洗三次，清洗完毕后将合金至于烘干箱中，在30℃下烘干待电子束精炼使用。

3.根据权利要求1所述的电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，其特征在于，所述步骤S25的具体步骤如下：

预热完毕后将电子枪束流调至0 mA，将电子束束流半径参数调整至25 mm，之后启动高压，待高压到达30 kV并开始增加束流；

待原材料表面发现电子束光斑后在增加束流的同时，以环形扫描的方式匀速移动光斑，使原材料表面受热均匀。

4.根据权利要求1所述的电子束精炼细化高温合金中碳化物的方法，其特征在于，所述步骤S26的具体步骤如下：

增加束流的大小至500mA，并在该参数下继续熔化原材料，当原材料完全熔化后开始计时，继续熔炼Inconel 718合金10 min，充分促进杂质的蒸发与去除。

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