CN114293261B - 一种超高纯dd419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于合金熔炼技术领域，具体涉及一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其通过分步加料、一次精炼、二次精炼和三次精炼后制备得到超高纯DD419单晶高温合金母合金。本发明通过高温一次精炼，可大幅度脱O和脱N；采用分步加Al，可深度脱O；通过合理控制金属Re尺寸和三次精炼工艺，母合金中Re成分均匀、无偏析；采用脱硫工艺，脱硫剂与合金熔体内部反应脱S；采用两种不同规格陶瓷过滤网过滤，可最大限度降低熔体中O、N、S和夹杂物含量。采用本发明的加料方式和真空感应熔炼工艺，可实现超高纯DD419单晶高温合金母合金熔炼制备，制备的母合金中O含量低于4ppm，N含量低于2ppm，S含量低于4ppm，夹杂物含量控制到0.5级。

Description

一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺

技术领域

本发明属于合金熔炼技术领域，具体涉及一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺。

背景技术

DD419单晶高温合金因其具有优异的高温综合性能，被广泛用作先进航空发动机涡轮叶片材料。随着对DD419单晶高温合金母合金承温能力和使用寿命要求的提高，对DD419单晶母合金的纯净度要求越来越高，尤其对气体元素O、N和杂质元素S控制要求更加严格。要得到性能优异、满足服役条件的DD419单晶高温合金铸件，超高纯DD419高温合金母合金是基本保障。

DD419单晶高温合金是一种典型的第二代单晶高温合金，等同于国外单晶高温合金牌号CMSX-4，目前国内对DD419单晶合金O、N、S含量控制与国外存在明显差距，严重制约了我国DD419单晶高温合金的实际应用和进一步发展。

DD419单晶高温合金中含2.5～3.5wt％的Re元素，不含C元素。金属Re属于稀贵金属，价格昂贵，将金属Re与其它原材料同时加料熔炼，若因其它个别元素不合格导致整炉合金报废，造成的经济损失严重，因此，在熔炼合金化结束，取样检测其他元素全部合格后添加Re元素，可避免因合金报废导致的经济损失。此外，金属Re密度大、熔点高，熔炼后期添加易造成合金锭中Re含量不合格或成分偏析；若通过提升精炼温度、延长精炼时间确保金属Re熔化，反而会增加熔体中O含量，如何实现金属Re快速、均匀熔化于熔体中，需要对金属Re规格尺寸和精炼工艺进行合理控制。此外，DD419单晶合金中不含C元素，无法实现C脱氧，熔炼时脱氧困难，通过真空熔炼工艺脱氧和分步加Al工艺脱氧非常重要。因此，为实现超高纯DD419单晶高温合金母合金的熔炼制备，开发一种合理的布料、加料方式及相应的真空熔炼工艺具有非常重要的工程化意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺。采用本发明提供的加料方式和真空感应熔炼工艺，熔炼制备的DD419单晶高温合金中O含量低于4ppm，N含量低于2ppm，S含量低于4ppm，夹杂物含量为0.5级。

为实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，所述DD419单晶高温合金包括以下化学成分：6.2～6.8wt％Cr，0.3～0.9wt％Mo，0.7～1.2wt％Ti，5.3～5.8wt％Al，9～10wt％Co，0.07～0.15wt％Hf，2.5～3.5wt％Re，6.1～7.0wt％Ta，6.0～6.8wt％W，余量为Ni，具体包括以下步骤：

(1)加料：按照DD419单晶高温合金的化学成分将所有与O和N亲和力较低的原材料Ni、Cr、Co、Mo、Ta和W装入坩埚；

(2)一次精炼：待将步骤(1)中原材料全部加入坩埚后，对坩埚进行抽真空处理并送功率加热，采用阶梯式加热方式进行加热，当真空度达到5×10^-2Pa、温度达到1660～1680℃时，进行一次精炼，精炼时间为30～40min；

(3)二次精炼：待一次精炼结束熔体降温至表面结膜后，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Ti、Hf和部分Al，当真空度达到1×10^-1Pa时、温度达到1470～1500℃时，进行二次精炼，精炼时间为15～20min，搅拌功率为260～300kW，二次精炼结束后，随炉取样进行熔体化学成分检测；

(4)三次精炼：待步骤(3)取样检测结果合格后，熔体降温至表面结膜，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Re和剩余Al，当真空度达到1×10^-1Pa、温度达到1530～1550℃时，进行三次精炼，精炼时间为10～15min，搅拌功率为280～320kW；

(5)三次精炼结束后，向熔体中加入脱硫剂，当真空度达到5Pa、温度达到1480～1520℃时进行浇注，完成合金熔炼，得到超高纯DD419单晶高温合金。

进一步地，步骤(1)中所述阶梯式加热具体为：

当真空度达到20Pa时，送功率40～60kW对原材料进行排气；当真空度达到5Pa时，送功率至150～200kW，保持20～25min，提升功率至350～400kW，保持30～40min，继续提升功率至500～550kW，待所有原材料全部熔化后，继续提升功率至570～590kW，熔体温度为1580～1600℃保持15～20min。

进一步地，步骤(1)中原材料的加料顺序依次为：部分Ni、W、Ta、Mo、Cr、Co和剩余Ni，W加入前Ni的加入量是所需量的20～40％。

进一步地，步骤(3)中Al的加入量是所需量的99％。

进一步地，所述脱硫剂为镍钙合金，所述脱硫剂的加入量为合金总质量的0.5～1.0％。

进一步地，所述原材料Re为块状金属，所述块状金属Re的长度和宽度为15～30mm，厚度为10～15mm。

进一步地，步骤(5)进行浇注时，采用陶瓷过滤网进行过滤，所述陶瓷过滤网组入溜槽内使用，所述陶瓷过滤网的组合方式为15～20PPI+20～30PPI。

进一步地，所述超高纯DD419单晶高温合金中O含量低于4ppm，N含量低于2ppm，S含量低于4ppm，夹杂物含量为0.5级。

本申请的发明名称“一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺”中的“DD419”，仅是指一种金属的牌号，该牌号对应的金属成分就是上述的成分：“6.2～6.8wt％Cr，0.3～0.9wt％Mo，0.7～1.2wt％Ti，5.3～5.8wt％Al，9～10wt％Co，0.07～0.15wt％Hf，2.5～3.5wt％Re，6.1～7.0wt％Ta，6.0～6.8wt％W，余量为Ni，”。

与现有技术相比，本发明实施例技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明采用一次高温精炼，同时在高真空条件下使熔体大幅度脱O和脱N。

(2)本发明通过合理控制原材料Re规格尺寸和三次精炼工艺，制备的母合金中Re元素分布均匀、无偏析。

(3)本发明在合金化结束添加原材料Re，可有效降低因其他元素不合格导致的经济损失。

(4)本发明采用分步加Al的方式可实现深度脱O。

(5)本发明采用15～20PPI+20～30PPI两种不同规格的陶瓷过滤网在浇注时对合金液进行过滤，可以最大限度降低合金中O、N、S和夹杂物含量。

(6)采用本发明提供加料方式和真空感应熔炼工艺，熔炼制备的DD419单晶高温合金中O含量低于4ppm，N含量低于2ppm，S含量低于4ppm，夹杂物含量为0.5级。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明。

实施例1

本实施例DD419单晶高温合金中元素组分含量为：6.2wt％Cr、0.3wt％Mo、0.7wt％Ti、5.3wt％Al、9.0wt％Co、0.07wt％Hf、2.5wt％Re、6.1wt％Ta、6.0wt％W，余量为Ni，单炉熔炼2000kg合金。

一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，具体包括以下步骤：

(1)加料：按照DD419单晶高温合金的化学成分将所有与O和N亲和力较低的原材料Ni、Cr、Co、Mo、Ta和W装入坩埚，装料顺序依次为：所需Ni量的20％、W、Ta、Mo、Cr、Co及剩余Ni；

(2)一次精炼：待原材料全部加入坩埚后，抽真空和送功率加热，采用阶梯式加热方式进行加热，具体为：当真空度达到20Pa时，送功率40kW对原材料进行排气；当真空度达到5Pa时，送功率至150kW保持25min，提升功率至350kW保持40min，继续提升功率至500kW，待所有原材料全部熔化后，继续提升功率至570kW，熔体温度为1580℃保持20min；当真空度达到5×10^-2Pa时，进行一次精炼，精炼温度为1660℃时，精炼时间为40min；

(3)二次精炼：待一次精炼结束熔体降温至表面结膜后，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Ti、Hf和所需Al量的99％；当真空度达到1×10^-1Pa、温度达到1470℃时，进行二次精炼，精炼时间为20min，搅拌功率为260kW；二次精炼结束后，随炉取样进行熔体化学成分检测；

(4)三次精炼：待步骤(3)取样检测结果合格后，熔体降温至表面结膜，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Re和剩余Al，所述原材料Re为块状金属，所述块状金属Re的长度和宽度均为15mm，厚度为10mm；当真空度达到1×10^-1Pa时，精炼温度为1530℃时，进行三次精炼，精炼时间为15min，搅拌功率为280kW；三次精炼结束后，向熔体中加入脱硫剂镍钙合金，脱硫剂加入量为合金总质量0.5wt％；

(5)合金浇注前将15+30PPI陶瓷过滤网组入溜槽内使用，当真空度达到5Pa、温度为1480℃时进行浇注，完成合金熔炼，得到超高纯DD419单晶高温合金。

实施例2

本实施例DD419单晶高温合金中元素组分含量为：6.5wt％Cr、0.6wt％Mo、1.0wt％Ti、5.5wt％Al、9.6wt％Co、0.10wt％Hf、3.0wt％Re、6.5wt％Ta、6.4wt％W，余量为Ni，单炉熔炼2000kg合金。

一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，包括以下步骤：

(1)加料：按照DD419单晶高温合金的化学成分将所有与O和N亲和力较低的原材料Ni、Cr、Co、Mo、Ta和W装入坩埚，装料顺序为：所需Ni量的30％、W、Ta、Mo、Cr、Co及剩余Ni；

(2)一次精炼：待原材料全部加入坩埚后，抽真空和送功率加热，采用阶梯式加热方式进行加热，具体为：当真空度达到20Pa时，送功率50kW对原材料进行排气；当真空度达到5Pa时，送功率至180kW保持22min，提升功率至380kW保持35min，继续提升功率至530kW，待所有原材料全部熔化后，继续提升功率至580kW，熔体温度为1590℃保持18min；当真空度达到5×10^-2Pa时，进行一次精炼，精炼温度为1670℃时，精炼时间为35min；

(3)二次精炼：待一次精炼结束熔体降温至表面结膜后，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Ti、Hf和所需Al量的99％，当真空度达到1×10^-1Pa、温度为1490℃时，进行二次精炼，精炼时间为18min，搅拌功率为280kW；二次精炼结束后，随炉取样进行熔体化学成分检测；

(4)三次精炼：待步骤(3)取样检测结果合格后，熔体降温至表面结膜，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Re和剩余Al，所述原材料Re为块状金属，所述块状金属Re长度和宽度均为25mm，厚度为13mm；当真空度达到1×10^-1Pa时，精炼温度为1540℃时，进行三次精炼，精炼时间为13min，搅拌功率为300kW；三次精炼结束后，向熔体中加入脱硫剂镍钙合金，所述脱硫剂加入量为合金总质量0.8wt％；

(5)合金浇注前将15+20PPI陶瓷过滤网组入溜槽内使用，当真空度达到5Pa、温度为1500℃时进行浇注，完成合金熔炼，得到超高纯DD419单晶高温合金。

实施例3

本实施例中DD419单晶高温合金中元素组分含量为：6.8wt％Cr、0.9wt％Mo、1.2wt％Ti、5.8wt％Al、10.0wt％Co、0.15wt％Hf、3.5wt％Re、6.9wt％Ta、6.8wt％W，Ni为余量，单炉熔炼2000kg合金。

一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，包括以下步骤：

(1)加料：按照DD419单晶高温合金的化学成分将所有与O和N亲和力较低的原材料Ni、Cr、Co、Mo、Ta和W装入坩埚，装料顺序为：所需Ni量的40％、W、Ta、Mo、Cr、Co及剩余Ni；

(2)一次精炼：待原材料全部加入坩埚后，抽真空和送功率加热，采用阶梯式加热方式进行加热，具体为：当真空度达到20Pa时，送功率60kW对原材料进行排气；当真空度达到5Pa时，送功率至200kW保持20min，提升功率至400kW保持30min，继续提升功率至550kW，待所有原材料全部熔化后，继续提升功率至590kW，熔体温度为1600℃保持15min；当真空度达到5×10^-2Pa时，进行一次精炼，精炼温度为1680℃，精炼时间为30min；

(3)二次精炼：待一次精炼结束后，熔体降温至表面结膜后，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Ti、Hf和所需Al量的99％；当真空度达到1×10^-1Pa时，精炼温度为1500℃时，进行二次精炼，精炼时间为15min，搅拌功率为300kW；二次精炼结束后，随炉取样进行熔体化学成分检测；

(4)三次精炼：待步骤(3)取样检测结果合格后，熔体降温至表面结膜，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Re和剩余Al，所述原材料Re为块状金属，所述块状金属Re长度和宽度均为30mm，厚度为15mm；当真空度达到1×10^-1Pa时，精炼温度为1550℃时，进行三次精炼，精炼时间为10min，搅拌功率为320kW；三次精炼结束后，向熔体中加入脱硫剂镍钙合金，所述脱硫剂加入量为合金总质量1.0wt％；

(5)合金浇注前将20+30PPI陶瓷过滤网组入溜槽内使用，当真空度达到5Pa，浇注温度为1520℃时进行浇注，完成合金熔炼，得到超高纯DD419单晶高温合金。

实施例1～3熔炼制备的DD419单晶高温合金母合金中O、N、S含量及总含量、夹杂物含量检测结果与国外先进水平对比如表1所示。

表1实施例1～3制备DD419合金和国外先进水平对比表

由表1可知，通过本发明实施例1～3熔炼制备的DD419单晶高温合金母合金中O含量低于4ppm，N含量低于2ppm，S含量低于4ppm，O、N、S总含量低于10ppm，夹杂物含量为0.5级，与国外先进水平相当，表明本发明实现了超高纯DD419单晶高温合金母合金的制备。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，所述DD419单晶高温合金包括以下化学成分：6.2~6.8wt% Cr，0.3~0.9wt% Mo，0.7~1.2wt% Ti，5.3~5.8wt% Al，9~10wt% Co，0.07~0.15wt% Hf，2.5~3.5wt% Re，6.1~7.0wt% Ta，6.0~6.8wt%W，余量为Ni，具体包括以下步骤：

（1）加料：按照DD419单晶高温合金的化学成分将所有与O和N亲和力较低的原材料Ni、Cr、Co、Mo、Ta和W装入坩埚；

（2）一次精炼：待将步骤（1）中原材料全部加入坩埚后，对坩埚进行抽真空处理并送功率加热，采用阶梯式加热方式进行加热，当真空度达到5×10^-2Pa、温度达到1660~1680℃时，进行一次精炼，精炼时间为30~40min；

（3）二次精炼：待一次精炼结束熔体降温至表面结膜后，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Ti、Hf和部分Al，当真空度达到1×10^-1Pa时、温度达到1470~1500℃时，进行二次精炼，精炼时间为15~20min，搅拌功率为260~300kW，二次精炼结束后，随炉取样进行熔体化学成分检测；

（4）三次精炼：待步骤（3）取样检测结果合格后，熔体降温至表面结膜，按照DD419单晶高温合金的化学成分向熔体中加入Re和剩余Al，当真空度达到1×10^-1Pa、温度达到1530~1550℃时，进行三次精炼，精炼时间为10~15min，搅拌功率为280~320kW；

（5）三次精炼结束后，向熔体中加入脱硫剂，当真空度达到5Pa、温度达到1480~1520℃时进行浇注，完成合金熔炼，得到超高纯DD419单晶高温合金。

2.根据权利要求1所述的超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤（1）中所述阶梯式加热具体为：

当真空度达到20Pa时，送功率40~60kW对原材料进行排气；当真空度达到5Pa时，送功率至150~200kW，保持20~25min，提升功率至350~400kW，保持30~40min，继续提升功率至500~550kW，待所有原材料全部熔化后，继续提升功率至570~590kW，熔体温度为1580~1600℃保持15~20min。

3.根据权利要求1所述的超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤（1）中原材料的加料顺序依次为：部分Ni、W、Ta、Mo、Cr、Co和剩余Ni，W加入前Ni的加入量是所需量的20~40%。

4.根据权利要求1所述的超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤（3）中Al的加入量是所需量的99%。

5.根据权利要求1所述的超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，所述脱硫剂为镍钙合金，所述脱硫剂的加入量为合金总质量的0.5~1.0%。

6.根据权利要求1所述的超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，所述原材料Re为块状金属，所述块状金属Re的长度和宽度为15~30mm，厚度为10~15mm。

7.根据权利要求1所述的超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，步骤（5）进行浇注时，采用陶瓷过滤网进行过滤，所述陶瓷过滤网组入溜槽内使用，所述陶瓷过滤网的组合方式为15~20PPI+20~30PPI。

8.根据权利要求1所述的超高纯DD419单晶高温合金母合金真空感应熔炼工艺，其特征在于，所述超高纯DD419单晶高温合金中O含量低于4ppm，N含量低于2ppm，S含量低于4ppm，夹杂物含量为0.5级。