提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法

摘要

本发明公开了一种提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法，该方法包括以下步骤：铸造母合金锭：按照需求准备相应成分的母合金锭，并在其中添加一定含量的钙元素，钙的重量百分比为0.5%≤Ca≤2.0%。定向凝固：将母合金锭装入坩埚，抽真空至10

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方 法，具体为一种通过在镍基单晶高温合金中增加合金元素的方式，并配合一定 的定向凝固技术工艺参数，降低在铸造过程中稀土元素的损耗，提高稀土元素 的收得率。

背景技术

稀土元素在国防高新技术产业、信息产业、新能源、新材料以及机械、冶 金、石油、化工等重要产业中应用极其广泛，是当今非常重要的国家战略资源， 同时它又是不可再生的稀有地质矿产资源，更在美国国会参议院2014年听证 会上被描述为二十一世纪综合国力竞争的关键自然资源。随着稀土材料需求量 的快速增长，稀土资源浪费、利用率低、消耗过快等矛盾日益突出。稀土等废 固资源对环境产生的巨大压力，引起国家的高度重视，相继出台了《国务院关 于促进稀土行业持续健康发展的若干意见》等政策和行政法规。因此，如今稀 土资源的高效利用成为业界广大科技工作者的共识，是我国稀土产业可持续发 展战略的重中之重。

当今稀土元素在诸多应用中，镍基高温合金中添加稀土元素近年来受到越 来越多瞩目。由于镍基高温合金(超合金)具有高熔点高强度等性能，目前已 逐渐发展成为最重要的飞机发动机用高温结构材料，而稀土元素的添加极大的 有利于提高镍基高温合金的抗氧化性与热腐蚀性。为此，加深对添加稀土元素 的镍基高温材料研究与开发，既符合世界科技发展趋势以及我国新材料发展战 略，又贴合稀土产业发展实际需求，实现稀土资源高效利用，推进稀土产业链 合理的结构性调整与优化。

镍基高温合金的制备通常使用熔模铸造法，在铸造过程中，稀土元素的损 失可高达50-80％，收得率低于50％。究其原因主要有两点：(一)元素烧损，合 金熔炼过程以及浇铸过程为低压(真空)环境，加剧元素挥发，但由于稀土元 素熔点高，相较低熔点元素而言损失较少；(二)反应损失，在浇铸过程中，由 于稀土元素较活泼，合金中稀土元素会与型壳之间发生反应，例如 3SiO₂+4Y＝2Y₂O₃+3Si，导致稀土元素含量急剧下降。

发明内容

本发明所提供的提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方 法，是针对现有技术中第二种稀土元素损失原因，通过改善合金成分，调整定 向凝固技术工艺参数，达到降低稀土元素损耗、提高稀土元素收得率的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法，其特征在 于，所述方法包括铸造镍基单晶高温母合金锭步骤，向所述镍基单晶高温合金 中添加钙，钙在铸成的母合金锭中的重量百分比为0.5％≤Ca≤2.0％。

进一步，所述母合金锭铸造过程中钙以单质形式添加，钙的添加量为0.5％、 1.0％或2.0％。

进一步，所述方法中稀土元素的收得率为75.5-89.0％。

进一步，所述方法还包括定向凝固步骤，具体为在真空室内依次进行：将 母合金锭装入坩埚，抽真空，升温熔化，保温预定时间，浇铸，静置预定时间， 抽拉型壳。抽拉型壳是指将型壳连同铸件一起抽拉，使铸件往一个方向生长。

进一步，当真空室内温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温 后清除型壳，取出铸件。

进一步，所述定向凝固步骤中，抽真空至10^-5Pa，升温至1580℃±20℃熔 化，保温时间30min，静置时间30min，抽拉型壳速率为4-6mm/min。

进一步，所述抽拉型壳速率为4mm/min、5mm/min或6mm/min。

进一步，所述母合金锭中含有以下组分，以重量百分比计：铝5.75％，钴 5.0％，铬9.5％，钼4.0％，钛1.9％，钨5.5％，稀土元素0.2％，钙0.5-2.0％，不 可避免的杂质＜0.08％，余量为镍。

进一步，所述母合金锭中含有以下组分，以重量百分比计：铝5.75％，钴 9.0％，铬4.4％，钼2.0％，钽7.2％，钨8.0％，铼2.0％，稀土元素0.2％，钙0.5-2.0％， 不可避免的杂质＜0.08％，余量为镍。

进一步，所述稀土元素为钇或镧。

本发明提高镍基单晶高温合金铸造过程中稀土元素收得率的方法具有以下 优点：

由于钙的活泼性高于稀土元素，本发明中，钙的加入会先与型壳发生反应， 如Ca+SiO2＝CaO+Si，阻碍稀土元素与型壳的反应，减少稀土元素的损耗；钙(熔 点800多度)以单质形式加入，在真空环境下，损耗量不会太大。

本发明中，抽拉型壳速率在5±1mm/min，过高则形成单晶能力差，过低则 损耗过多钙元素，因此该速率是配合钙元素的添加量来设计的。

本发明能够显著降低在铸造过程中稀土元素的损耗，提高稀土元素的收得 率，该方法中稀土元素的收得率为75.5-89.0％。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达到预定技术目的所采取的技术手段及功效，以 下结合较佳实施例，对本发明的工艺过程、特征以及功效详细说明如后。

本发明能够适用所有稀土元素，在此仅以Y(钇)，La(镧)做实验举例说 明。

实施例1

按照表1准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为0.5％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为4mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.151％(重量百分比)，损耗率为24.5％， 收得率为75.5％。

表1母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ti W Y Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 5.0 9.5 4.0 1.9 5.5 0.2 0.5 <0.08

实施例2

按照表2准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为1.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为5mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.153％(重量百分比)，损耗率为23.5％， 收得率为76.5％。

表2母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ti W Y Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 5.0 9.5 4.0 1.9 5.5 0.2 1.0 <0.08

实施例3

按照表3准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为2.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为6mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.178％(重量百分比)，损耗率为11.0％， 收得率为89.0％。

表3母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ti W Y Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 5.0 9.5 4.0 1.9 5.5 0.2 2.0 <0.08

实施例4

按照表4准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为0.5％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为6mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.166％(重量百分比)，损耗率为17.0％， 收得率为83.0％。

表4母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ti W La Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 5.0 9.5 4.0 1.9 5.5 0.2 0.5 <0.08

实施例5

按照表5准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为1.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为5mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.171％(重量百分比)，损耗率为14.5％， 收得率为85.5％。

表5母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ti W La Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 5.0 9.5 4.0 1.9 5.5 0.2 1.0 <0.08

实施例6

按照表6准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为2.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为4mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.159％(重量百分比)，损耗率为20.5％， 收得率为79.5％。

表6母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ti W La Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 5.0 9.5 4.0 1.9 5.5 0.2 2.0 <0.08

实施例7

按照表7准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为0.5％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为4mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.154％(重量百分比)，损耗率为13.0％， 收得率为77.0％。

表7母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ta W Re Y Ca 杂质含量总和

含量 余量 5.75 9.0 4.4 2.0 7.2 8.0 2.0 0.2 0.5 <0.08

实施例8

按照表8准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为1.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为5mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.151％(重量百分比)，损耗率为24.5％， 收得率为75.5％。

表8母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ta W Re Y Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 9.0 4.4 2.0 7.2 8.0 2.0 0.2 1.0 <0.08

实施例9

按照表9准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为2.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为6mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.161％(重量百分比)，损耗率为19.5％， 收得率为80.5％。

表9母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ta W Re Y Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 9.0 4.4 2.0 7.2 8.0 2.0 0.2 2.0 <0.08

实施例10

按照表10准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为0.5％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为6mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.155％(重量百分比)，损耗率为22.5％， 收得率为77.5％。

表10母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ta W Re La Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 9.0 4.4 2.0 7.2 8.0 2.0 0.2 0.5 <0.08

实施例11

按照表11准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为1.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为5mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.158％(重量百分比)，损耗率为21.0％， 收得率为79.0％。

表11母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ta W Re La Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 9.0 4.4 2.0 7.2 8.0 2.0 0.2 1.0 <0.08

实施例12

按照表12准备相应成分的母合金锭(稀土含量为0.2％)，并在其中添加一 定含量的钙元素，钙的重量百分比为2.0％。将母合金锭装入坩埚，抽真空至 10-5Pa，升温至1550℃±30℃，保温30min，浇铸，静置30min，抽拉型壳， 速率为4mm/min，当温度降至900℃时，关闭真空取出型壳，空冷至室温后清除 型壳，取出铸件，铸锭中稀土实际含量为0.169％(重量百分比)，损耗率为15.5％， 收得率为84.5％。

表12母合金各元素重量百分比

合金元素 Ni Al Co Cr Mo Ta W Re La Ca 杂质含量总和 含量 余量 5.75 9.0 4.4 2.0 7.2 8.0 2.0 0.2 2.0 <0.08

取本发明实施例1-12的产品，进行元素测定，并计算出稀土元素的损耗率 以及收益率，其结果归纳至表13中。

表13本发明稀土元素损耗以及收益率(重量百分比)

合金 稀土添加量 钙添加量 稀土剩余量 稀土损耗率 稀土收益率 产品1 0.2 0.5 0.151 24.5％ 75.5％ 产品2 0.2 1.0 0.153 23.5％ 76.5％ 产品3 0.2 2.0 0.178 11.0％ 89.0％ 产品4 0.2 0.5 0.166 17.0％ 83.0％ 产品5 0.2 1.0 0.171 14.5％ 85.5％ 产品6 0.2 2.0 0.159 20.5％ 79.5％ 产品7 0.2 0.5 0.154 13.0％ 77.0％ 产品8 0.2 1.0 0.151 24.5％ 75.5％ 产品9 0.2 2.0 0.161 19.5％ 80.5％ 产品10 0.2 0.5 0.155 22.5％ 77.5％ 产品11 0.2 1.0 0.158 21.0％ 79.0％ 产品12 0.2 2.0 0.169 15.5％ 84.5％

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例， 符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。