抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法

摘要

本发明公开了一种抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法，将高Nb含量的高温合金电极棒进行真空电弧重熔，在正常重熔过程中，控制熔炼电压为22～30V、熔炼电流为5000～7000A、熔滴速率为6～8滴/s，并且采用水冷与充氦气冷却相结合的冷却方式，其中，氦气压强为300～500Pa；本发明还公开了一种采用上述方法冶炼获得的高Nb含量的高温合金。本发明根据真空电弧炉的设备特点，结合高Nb含量高温合金真空电弧重熔过程中易出现宏观偏析的特点，合理制定真空电弧重熔工艺参数，有效地预防和抑制了宏观成分偏析情况的发生，熔炼的产品质量好、生产效率高，经济效益显著。

说明书

技术领域

本发明属于冶金行业中的高温合金熔炼领域，涉及高温合金真空电弧重 熔过程中的合金质量控制方法，更具体地讲，涉及一种抑制高Nb含量的高温 合金宏观偏析的真空电弧重熔方法。

背景技术

金属Nb是一种高熔点金属，熔点为2468℃、沸点为4742℃；在高温合 金添加Nb可以改善合金的焊接性能，提高合金的高温强度和抗氧化性能。因 而，有众多高温合金中含有Nb，常用的含Nb高温合金的主要化学成分见表1。 由表1可以看出，以重量百分比计，如GH4169、GH2907和GH2909合金中的 Nb含量要求分别为4.8～5.5％、4.3～5.2％和4.3～5.2％，属于高Nb含量 的高温合金，其冶炼工艺路线通常为真空感应炉冶炼+真空电弧炉重熔，如采 用6吨真空感应炉冶炼φ440mm的电极棒，再采用3吨钛/6吨钢的真空电弧 炉重熔成φ508mm的高温合金钢锭。

表1含Nb高温合金主要化学成分(wt％)

  钢种   C   Mn   Si   Ni   Cr   W   V   GH690   0.015～0.025   ≤0.50   ≤0.50   余   28.0～31.0   GH2036   0.34～0.40   7.50～9.50   0.30～0.80   7.0～9.0   11.5～13.5   1.25～1.55   GH4648   ≤0.10   ≤0.50   ≤0.40   余   32.0～35.0   4.3～5.3   GH4145   ≤0.08   ≤0.35   ≤0.35   余   14.0～17.0   GH2150   ≤0.10   ≤0.60   ≤0.30   43.0～47.0   14.0～16.0   2.5～3.5   GH3039   ≤0.08   ≤0.40   ≤0.80   余   19.0～22.0   GH4133   ≤0.07   ≤0.35   ≤0.65   余   19.0～22.0   GH783   ≤0.03   ≤0.50   ≤0.50   26.0～30.0   2.5～3.5   GH625   ≤0.10   ≤0.50   ≤0.50   余   20.0～23.0   GH2909   ≤0.06   ≤1.00   0.07～0.35   35.0～40.0   ≤1.00

  GH2909   ≤0.06   ≤1.00   0.25～0.50   35.0～40.0   ≤1.00   GH4169   0.02～0.06   ≤0.35   ≤0.35   50.0～55.0   17.0～21.0

续表1含Nb高温合金的主要化学成分(wt％)

  钢种   Mo   Al   Ti   Cu   Fe   Nb   Co   GH690   ≤0.50   ≤0.50   ≤0.50   8.0～11.0   ≤0.10   ≤0.035   GH2036   1.10～1.40   ≤0.12   余   0.25～0.50   GH4648   2.30～3.30   0.50～1.10   0.50～1.10   ≤4.0   0.50～1.10   GH4145   0.40～1.00   2.55～2.75   ≤0.50   5.00～9.00   0.70～1.20   ≤1.00   GH2150   4.0～5.2   0.9～1.4   1.9～2.4   余   0.8～1.5   GH3039   1.80～2.30   0.35～0.75   0.35～0.75   ≤0.20   ≤3.00   0.90～1.30   GH4133   0.70～1.20   2.50～3.00   ≤0.07   ≤1.50   1.15～1.65   GH783   5.0～6.0   ≤0.40   ≤0.50   2.5～3.5   余   GH625   8.0～10.0   ≤0.40   ≤0.40   ≤5.0   3.15～4.15   ≤1.0   GH2907   ≤0.15   1.3～1.8   ≤0.50   余   4.3～5.2   12.0～16.0   GH2909   ≤0.15   1.3～1.8   ≤0.50   余   4.3～5.2   12.0～16.0   GH4169   2.80～3.30   0.30～0.70   0.75～1.15   ≤0.20   余   4.80～5.50   ≤1.0

高温合金在凝固过程中得到化学成分完全均匀的钢锭是很困难的。一般 来说，高温合金凝固后，截面上不同位置，化学成分都存在不均匀的现象， 这种成分的不均匀现象是凝固过程中存在着溶质的再分配造成的。在凝固中， 液相与固相浓度不同，先析出的固相与后析出的固相化学成分不同，甚至在 一个晶粒内各个微区凝固先后不同，其化学成分也有差异，这种化学成分的 不均匀性称为偏析。偏析分为两大类，即微观偏析和宏观偏析。微观偏析是 在较小的范围内产生的，一般指在一个晶粒范围内，也称为短程偏析。宏观 偏析是在较大尺寸范围内产生的，也称为区域偏析或长程偏析。

真空电弧炉又名真空自耗炉，它是在真空下进行熔炼的一种特种冶炼设 备，其熔炼和铸锭是在同一个系统中完成，边熔边铸，不受耐火材料污染钢 液，可有效的去除材料中的气体含量、夹杂物，获得致密组织，进而提高高 温合金纯洁度及材料质量，是较理想的二次重熔设备。

在实际生产中，高Nb含量的高温合金容易在钢锭凝固过程中形成Nb元 素的偏析，如图1、图2所示的GH4169合金的宏观组织、GH2909合金的显微 组织，导致在枝晶间析出富Nb的白块状Laves相。产生上述宏观偏析的原因 有两个：第一是在凝固早期，固相或液相的上浮下沉运动而引起的区域性偏 析；第二是在固-液两相区内液体沿枝晶流动而引起的区域性偏析。消除方法 主要有：平衡凝固而使其无偏析产生；细化晶粒而使偏析不明显；快速凝固 而使溶质来不及分配；均匀化退火消除等。其中，平衡凝固在实际生产中难 以实现；细化晶粒则需要材质有着良好的热塑性才能达到，而高Nb含量的高 温合金的合金强度大、热加工塑性差，因而实现难度大；均匀化退火处理只 能改善微观偏析，每当发现宏观偏析时，往往偏析程度已经较为严重，因而 均匀化退火对宏观偏析改善的效果是不明显的。

因此，需要寻找一种从源头和根本上减少或避免高Nb含量的高温合金宏 观偏析的有效方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术 中存在的一个或多个问题。

本发明的目的在于提供一种使用快速凝固方法而从源头和根本上抑制高 Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法及根据该方法获得的高温合 金。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种抑制高Nb含量的高温合 金宏观偏析的真空电弧重熔方法，将高Nb含量的高温合金电极棒进行真空电 弧重熔，在正常重熔过程中，控制熔炼电压为22～30V、熔炼电流为5000～ 7000A、熔滴速率为6～8滴/s，并且采用水冷与充氦气冷却相结合的冷却方 式，其中，氦气压强为300～500Pa。

根据本发明的抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法 的一个实施例，所述高Nb高温合金电极棒通过真空感应炉冶炼获得。

根据本发明的抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法 的一个实施例，所述真空电弧重熔方法还包括将高Nb高温合金电极棒在真空 条件下焊接在真空电弧炉中的假电极上并破空检查焊接质量的步骤。

根据本发明的抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法 的一个实施例，所述真空电弧重熔方法还包括在正常重熔过程之后逐渐降低 熔炼电流进行钢锭头部填充的步骤。

根据本发明的抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法 的一个实施例，所述逐渐降低熔炼电流的步骤具体采用台阶式逐渐降低熔炼 电流，每一级熔炼电流的保持时间为3～20分钟，所述钢锭头部填充的总时 间为30～90min。

本发明的另一方面还提供了一种高Nb含量的高温合金，所述高温合金由 上述抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法冶炼获得。

根据本发明的高Nb含量的高温合金的一个实施例，以重量百分比计，所 述高温合金中的Nb含量为4.3～5.5％。

根据本发明的高Nb含量的高温合金的一个实施例，以重量百分比计，所 述高温合金中的Nb含量为4.55～5.48％。

本发明根据真空电弧炉的设备特点，结合高Nb含量高温合金真空电弧重 熔过程中易出现宏观偏析的特点，合理制定真空电弧重熔工艺参数，有效地 预防和抑制了宏观成分偏析情况的发生，熔炼的产品质量好、生产效率高， 经济效益显著。

附图说明

图1示出了现有技术中GH4169合金宏观偏析处的宏观组织。

图2示出了现有技术中GH2909合金宏观偏析处的显微组织。

图3是在不同冷却条件下熔池变化的示意图。

图4示出了本发明的示例所冶炼的无宏观偏析的GH4169合金的低倍图 片。

图5示出了本发明的示例所冶炼的无宏观偏析的GH4169合金的高倍图 片。

附图标记说明：

1-仅水冷条件下的熔池、2-水冷和充氦气冷却条件下的熔池。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的抑制高Nb含量的高 温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法及根据该方法获得的高温合金。

本发明的思路在于采用快速凝固的方法，使溶质来不及分配，从而减少 或避免真空电弧重熔过程中的宏观偏析现象，达到抑制宏观偏析的目的。

根据本发明示例性实施例的抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空 电弧重熔方法，将高Nb含量的高温合金电极棒进行真空电弧重熔，在正常重 熔过程中，控制熔炼电压为22～30V、熔炼电流为5000～7000A、熔滴速率为 6～8滴/s，并且采用水冷与充氦气冷却相结合的冷却方式，其中，氦气压强 为300～500Pa。

根据本发明，在正常重熔阶段，主要通过采用熔滴速率控制和补充氦气 冷却的方式合理控制重熔的工艺过程，直至完成正常重熔阶段，进入头部填 充阶段。

其中，在真空电弧重熔过程，通常采用低电压、大电流工艺进行重熔， 所以无论钢锭大小(φ305mm～φ660mm)，熔炼电压均小于45V，本发明控制 为22～30V为宜。

根据经验和反复的参数实验、调整和优化，当熔炼电流在5000～7000A 时，熔速稳定、熔池平稳，避免了因熔速时快时慢所造成的熔池深度时深时 浅，避免了凝固速率波动影响材质的均匀性，甚至出现宏观偏析。

熔滴速率反应了真空电弧重熔过程中电极熔化时熔滴的下落频率和颗粒 大小，将熔滴速率控制为6～8滴/s对控制真空电弧重熔过程中的弧长有利。 本发明对于电极熔化的控制主要采用采用熔滴控制，而不采用控制熔化速率 的方式，当采取熔化速率控制时，因电极棒的各部位质量存在差异，因而存 在重熔过程中电弧的长短波动大的缺陷，而采用熔滴控制时，则电弧弧长波 动较小，对熔池扰动影响也较小。一般而言，熔滴速率是由真空电弧炉设备 中一个电气控制柜进行控制的，该电气控制柜通过可编程逻辑控制系统(PLC) 中的“带测量范围子模块的模拟输入模块”对正常重熔过程中熔滴下落到熔 池的颗粒数目进行检测，通常当下落颗粒太小时是不予以记录、反馈和显示 的，因而上述熔滴速率是一个相对值，而不是绝对值。

本发明采用水冷与充氦气冷却相结合的冷却方式，其中，氦气的压强为 300～500Pa，这可提高真空电弧重熔的冷却速率，进而提高合金的凝固速率， 也可以细化晶粒、缩小枝晶臂距，减轻或避免宏观偏析。若氦气的冷却压强 值较高时，氦气有可能冲破糊状区和熔池区而进入熔池上部，造成重熔过程 的真空度波动，导致真空电弧重熔过程不稳定和钢锭表面质量差；若氦气的 冷却压强值低较时，则冷却强度及效果较差，达不到改善熔池形状和钢锭组 织效果。

氦气有着其它气体无法比拟的热传导性和不活泼性，氦是最不活泼的元 素，几乎不能和其他任何元素化合，因而氦气主要是作为保护气体、气冷时 的工作流体和超低温冷冻剂等等。当室温下的氦气充入钢锭与结晶器之间的 缝隙后，随着对流和传导的传热作用，温度会上升，主要通过控制压强来控 制其温度实现冷却的目的。本发明的真空电弧重熔过程中，采用循环水冷却 (即熔池边缘与水冷结晶器相接触部位以传导方式带走熔池热量)的同时， 增加充氦气冷却，具体地，熔池下部的钢锭由于收缩而与结晶器之间形成间 隙，在该处充入氦气作为介质，以对流、辐射、传导方式带走钢锭及熔池的 热量，本发明的水冷与充氦气冷却相结合的冷却方式可以减小熔池深度和固 态与液态见糊状区的厚度，使熔池扁平化(如图3所示)，即让熔池保持一个 规则的扁平的倒圆锥形状。在真空电弧重熔过程中且电极熔化速率不变的情 况下，增加冷却强度，会使凝固速率加快，因而熔池深度和体积将会减小， 因而使熔池扁平化，这可以细化晶粒、缩小枝晶臂距，减轻成分偏析。因而， 采用水冷和充氦气冷却熔池是减轻或避免高温合金真空电弧重熔过程宏观偏 析的有效措施。

具体地，本发明的抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方 法在正常重熔阶段之前还可以包括真空感应炉冶炼电极棒、电极焊接、起弧、 形成熔池等步骤，在正常重熔阶段之后还可以包括头部填充阶段、出炉冷却、 扒皮、热处理等步骤，但不限于此。

在本发明的一个示例性实施例中，通过真空感应炉冶炼获得真空电弧重 熔的高Nb高温合金电极棒，但不限于此。

在本发明的一个示例性实施例中，本发明的真空电弧重熔方法还包括将 高Nb高温合金电极棒在真空条件下焊接在真空电弧炉中的假电极上并破空 检查焊接质量的步骤。

在本发明的一个示例性实施例中，本发明的真空电弧重熔方法还包括在 正常重熔过程之后逐渐降低熔炼电流进行钢锭头部填充的步骤。其中，上述 逐渐降低熔炼电流的步骤具体采用台阶式逐渐降低熔炼电流，每一级熔炼电 流的保持时间为3～20分钟，所述钢锭头部填充的总时间为30～90min。其 中，钢锭头部填充的工艺参数如表2所示，但由于填充部分不是真空电弧重 熔的重点，通常情况下填充部位是会在后续的热加工过程中切除的，填充的 目的主要是使真空电弧重熔钢锭的缩孔减小，提高钢锭的成材率，因此本发 明不对钢锭头部填充阶段详细介绍。

表2钢锭头部填充的工艺参数

  电流(KA)   电压(V)   熔滴速率(滴/s)  保持时间(min)   6   23   9.5   3   5   22.8   10   5   4   22.6   10   10   3   22.5   10   20   2.5   22   10   5   2   21.7   10   5   2   20   10   0

本发明的另一方面还提供了一种高Nb含量的高温合金，所述高温合金由 上述抑制高Nb含量的高温合金宏观偏析的真空电弧重熔方法冶炼获得。根据 本发明，以重量百分比计，上述高Nb含量的高温合金中的Nb含量可以为4.3～ 5.5％，Nb含量优选为4.55～5.48％。其中，使用本发明实际冶炼及重熔钢 种、炉号所对应的Nb含量如表3所示。

表3实际冶炼及重熔钢种、炉号对应的Nb含量

  钢种   炉号   Nb含量(％)   钢种   炉号   Nb含量(％)   GH2909   T12M4-3   4.55   GH4169   T11M4208   5.32   GH907   T12M430   4.8   GH4169   T11M4209   5.34   GH907   T11M4211   4.89   GH4169   T12M4153   5.35   GH4169   T12M486   5.19   GH4169   T12M4152   5.41   GH4169   T07R22   5.25   GH4169   T11M4111   5.48

下面举出具体示例来对本发明的示例性实施例作进一步的阐述。示例仅 用于说明本发明，而并非以任何方式来限制本发明。其中所涉及的百分比含 量若无特别说明，均为重量百分比。

由于GH4169、GH2907和GH2909合金中的Nb含量要求分别为：4.8～5.5 ％、4.3～5.2％和4.3～5.2％，均属于含Nb较高的高温合金，并且冶炼工 艺路线均可以为真空感应炉冶炼+真空电弧炉重熔，具体可以为采用6吨真空 感应炉冶炼φ440mm的电极棒，再采用3吨钛/6吨钢真空电弧炉重熔成φ 508mm的钢锭。经过对GH4169合金12炉、GH2907合金4炉和GH2909合金1 炉，共计17炉进行多轮次的工艺参数的实验、调整、优化和固化，确认采用 本发明的工艺参数可使GH4169、GH2907和GH2909合金等高Nb含量的高温合 金在真空电弧重熔过程中重熔稳定，并增大钢锭冷却强度，减少熔池下部、 钢锭上部糊状层厚度，并使熔池扁平化，使溶质来不及分配，进而减轻或避 免出现宏观偏析的缺陷，GH4169、GH2907和GH2909合金的成分如表1所示， 具体的冶炼工艺步骤如下：

1)真空电弧炉重熔电极棒的准备：

在6吨真空感应炉中熔炼φ440mm电极棒，冶炼过程中当加入Nb时和加 入Nb后采用三相工频搅拌25～30min，在浇注前炉低吹氩使熔炼室内压力达 到10000～14000Pa，在氩气保护气氛下，控制出钢温度为1460～1480℃。带 电出钢、挡渣过滤，完成φ440mm电极棒浇注，制备得到致密的缩孔较浅的 φ440mm电极棒，再将φ440mm电极棒经切帽口和表面打磨，完成电极棒的准 备工作。

2)电极棒的焊接和真空电弧重熔起弧：

首先，当冷态真空度达到1Pa以下后进行φ440mm电极棒焊接，将其焊 接到本钢的假电极上；焊接完成后，破空检查焊接质量；质量合格后，合炉 重新抽真空，当真空度达到1Pa以下时，起电起弧化料，并逐渐提高电流， 加大熔化速度，待熔池形成后进入正常重熔阶段。

3)真空电弧重熔的正常重熔：

在正常重熔过程中，采用水冷与充氦气冷却的方式，并通过控制工艺参 数控制熔滴，对熔炼电压、熔炼电流等工艺参数设定如下：电压为22～30V； 电流为5000～7000A；熔滴速率为6～8滴/s；充氦气冷却，其压强为300～ 500Pa，完成正常重熔至到填充阶段。例如，熔炼电压为24V、熔炼电流为 7000A，熔滴速率为8滴/s，氦气压强为400Pa。

4)真空电弧重熔的填充：

在正常重熔阶段之后，例如当电极重量为300～400kg时，以台阶式逐渐 降低电流，每一级电流保持3～20min，填充时间共计30～90min，完成φ508mm 钢锭的填充阶段。

5)真空电弧重熔完钢锭的出炉和扒皮：

完成填充后，炉冷1h，破空出炉，空冷，完成φ508mm钢锭的冶炼，后 续对真空电弧重熔钢锭进行拔皮。

6)真空电弧炉钢锭的后续生产：

对真空电弧重熔钢锭进行均匀化等热处理，热加工生产成品和成品各项 理化项目检测。

根据本示例所得GH4196合金的低倍、高倍组织如图4、图5所示所示， 根据本示例所得的GH2907合金、GH2909合金和GH4196合金的力学性能如表

4、表5、表6和表7所示。

表4GH2907合金的力学性能检测结果

表5GH2909合金的力学性能检测结果

表6GH4169合金的拉伸性能检测结果

表7GH4169合金的高温持久性能检测结果

根据图4和图5、表4至表8可知，本发明的抑制高Nb含量的高温合金 宏观偏析的真空电弧重熔方法所得的高Nb含量的高温合金的高倍、低倍组 织、力学性能均合格，且无宏观偏析缺陷的存在，能够满足高温合金的性能 要求。

综上所述，本发明的方法可以有效地抑制高Nb含量的高温合金在真空电 弧重熔过程中出现宏观偏析的冶金缺陷，提高了高温合金的冶金质量，熔炼 的高Nb含量的高温合金质量好、生产效率高，经济效益显著。

尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人 员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例 进行各种修改。