一种减少镍基高温合金钢锭中Laves相的方法

摘要

本发明涉及一种减少镍基高温合金钢锭中Laves相的方法，有以下步骤：1）以镍基高温合金作为母合金；2）取母合金，真空感应熔炼：全熔后精炼，精炼末期真空度≥3 Pa，关阀，充Ar至7‑9 kPa，加入钒铁中间合金，充分搅拌、振荡，5min后调温至1470‑1500℃，慢速连续浇铸，出炉，得到钢锭；3）电渣熔炼：用质量百分比为CaF2：CaO：Al2O3：MgO=60：15：20：5的电渣渣料，4）均匀化退火1140℃×24h。采用本发明所述方法得到的钢锭在凝固过程中Laves相的析出量显著减少，提高了钢锭组织均匀性，降低了钢锭后续均匀化处理的难度，并能保证镍基高温合金的力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种冶金工艺，特别涉及一种减少镍基高温合金钢锭中Laves相的方法。

背景技术

钢水经盛钢包注入铸模凝固形成钢锭。钢液在完成冶炼后，必须铸成一定形状的锭或坯才能进行加工。钢锭质量的优劣对锻造、热轧、机加工等后续生产过程有着十分重要的影响。质量优良的钢锭是合金零部件产品生产的重要基础。

镍基高温合金以镍元素(Ni)为基体，Ni含量通常大于50％，是一类在650-1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。GH4169作为其中的典型代表，是我国于上世纪六十年代开始仿制Inconel 718合金而来，在随后的几十年中，国内开展了大量的研究工作，使国产GH4169合金质量不断提高，并被广泛应用于航、核能、石油工业等领域的关键零部件制造。

在GH4169中这种镍基高温合金中，Nb、Mo被认为是非常重要的合金化元素，它们往往在改变合金微观结构和力学性能方面扮演着重要作用。在GB/T 30566-2014《GH4169合金棒材、锻件和环形件》中规定，Nb、Mo在该合金中的含量范围分别为4.75-5.50％、2.8-3.3％，它们在构成γ”强化相，起强化关键作用的同时，又在该合金钢锭凝固过程中，成为该合金中最主要的偏析元素。尤其在钢锭凝固阶段，析出大量富Nb、Mo的有害Laves相，造成凝固组织中Nb、Mo的局部富集和基体中Nb、Mo贫化现象。Laves相一般被认为是影响合金高温性能、导致服役过程中零部件裂纹萌生的重要原因。

目前，很多学者对如何改善和消除合金中Laves做出大量研究。主要有以下几种方法：1.在激光增材制造镍基高温合金过程中控制Laves相，该方法通过激光调制方法，能有效控制激光增材制造镍基高温合金过程中Laves相的析出行为，降低激光增材制造零件的开裂敏感性，改善显微组织；2.以均匀化热处理方法消除合金中Laves相。该方法是镍基高温合金制造过程中消除Laves相的经典方法，在均匀化热处理过程中，合金钢锭中的Nb、Mo元素在足够高的温度下能够发生扩散，从而达到减少和消除Laves相的目的。

然而，上述方法尤其是均匀化热处理消除合金中Laves相，所需的温度高、时间长，加之Nb、Mo元素在GH4169合金中的扩散速率小，微观偏析严重，因而均匀化处理难度很大。

若能够减少钢锭凝固过程中Laves相的析出数量，则后期均匀化处理的难度将大大降低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种减少镍基高温合金钢锭中Laves相的方法，采用本发明所述方法得到的钢锭凝固组织中Laves相的析出量显著减少，降低了钢锭后续均匀化处理的难度，并能保证其力学性能。

本发明的技术方案是：

一种减少镍基高温合金钢锭中Laves相的方法，有以下步骤：

1)以镍基高温合金作为母合金；

2)取母合金，真空感应熔炼：熔化时间至少30分钟，全熔后进行精炼，精炼功率30-35kW，时间15分钟，精炼末期真空度优于3Pa，关阀，充Ar至7-9kPa，加入钒铁中间合金，充分电磁及机械搅拌、振荡，5min后调温至1470-1500℃，慢速连续浇铸，破真空出炉，得到钢锭；

3)电渣熔炼：用质量百分比为CaF₂：CaO：Al₂O₃：MgO＝60：15：20：5的电渣渣料，熔炼电流3±1kA，电压45±5V，补缩电流1-2kA/s；

4)均匀化退火1140℃×24h；

步骤1)所述镍基高温合金各组分的重量百分含量为：C≤0.08％，Si≤0.35％，Mn≤0.35％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 17.0-21.0％，Ni 50.0-55.0％，Mo 2.8-3.3％，Co≤1.0％，Cu≤0.30％，Al 0.20-0.80％，B≤0.006％，Nb 4.75-5.5％，Ti 0.65-1.15％，Fe为余量。

步骤2)所述钒铁中间合金，其中钒元素的质量百分含量为50％。

所述钒元素的最终加入量为母合金重量的0.2-1.0％。

钒属于稀有金属材料，熔点高，不易熔入合金基体。本发明所述钒铁中间合金相比于钒单质具有更低的熔点、更快的溶解速度、更稳定的实收率，被广泛应用于合金生产过程中元素的准确添加及成分调整。相对于添加钒单质，本发明所述方法采用了钒质量百分比为50％的钒铁中间合金，使得在制备镍基高温合金时合金熔化温度降低，缩短了金属材料的熔炼时间，降低了冶炼温度。同时，钒铁中间合金在钢锭浇铸前加入，可以降低稀有金属钒的烧损，同时减少其氧化物的形成，从而获得化学成分精确和分布均匀的金属材料以及较高的元素收得率。

申请人通过实验验证，未加入钒铁中间合金时，GH4169钢锭组织中有明显大块状白亮Laves相析出，Nb、Mo元素偏析严重；添加钒铁中间合金后，Laves相析出显著减少，钢锭的整体组织均匀性提高；均匀化24h后，未加入钒的钢锭(实施例1)仍有laves相，而加入钒元素的实施例2-4则未观察到Laves相存在。采用本发明所述方法大大降低均匀化处理时间，显著改善了钢锭凝固组织。

采用本发明所述方法得到的钢锭中由于Laves相的析出量显著降低，大大降低了后续均匀化处理难度，减少了均匀化处理时间，减少其在后续加工和服役过程中裂纹的萌生，并且不显著改变其力学性能。

附图说明

图1为实施例1钢锭组织中显微组织扫描电镜图(a)及Laves相能谱分析图(b)；

图2为实施例1-4钢锭的金相组织图，其中a-d分别依次表示实施例1的金相组织图、实施例2的金相组织图、实施例3的金相组织图、实施例4的金相组织图；

图3为实施例1-4中析出的Laves相在钢锭中的体积分数变化图；

图4为实施例1-4经均匀化处理后的钢锭凝固金相组织图，其中a-d分别依次表示实施例1的金相组织图、实施例2的金相组织图、实施例3的金相组织图、实施例4的金相组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

GH4169镍基高温合金(母合金)各组分的质量百分含量为：C≤0.08％，Si≤0.35％，Mn≤0.35％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 17.0-21.0％，Ni 50.0-55.0％，Mo 2.8-3.3％，Co≤1.0％，Cu≤0.30％，Al 0.20-0.80％，B≤0.006％，Nb 4.75-5.5％，Ti 0.65-1.15％，Fe余量。上述成分均为质量百分含量。共熔炼300Kg，作为母合金备用。

实施例1

取母合金50Kg，进行真空感应熔炼，浇铸，得到钢锭。取金相样进行显微组织观测及分析，随后母合金经电渣熔炼，使用重量约5-7kg质量百分比为CaF₂：CaO：Al₂O₃：MgO＝60：15：20：5的电渣渣料，结晶器直径为熔炼电流3±1kA，电压45±5V，补缩电流1-2kA/s。然后进行1140℃×24h均匀化退火；最后将钢锭于1080±15℃保温120min后开始锻造，开锻温度≥1080℃，终锻温度≥980℃，总锻造比≥4后，测定其力学性能。

参见图1，图1中(a)、(b)分别代表实施例1钢锭组织中Laves相的扫描电镜图片及Laves相元素组成。可以看出，Laves相中富集了大量的Nb、Mo元素，这必然造成基体中这两种元素的贫乏和其他元素的富集，使得合金元素在钢锭组织中分布不均匀，给后续均匀化退火带来相当大的难度。若能降低或减少Laves相析出，促进元素和组织均匀化分布，必然降低后续工艺难度，从而节约时间和能源成本。

实施例2

取母合金50Kg，加入钒铁中间合金，使钒元素重量百分含量为母合金重量的0.2％，进行真空感应熔炼，浇铸，取金相样进行显微组织观测及分析，其余步骤同实施例1，测定其力学性能。

实施例3

取母合金50Kg，加入钒铁中间合金，使钒元素重量百分含量为母合金重量的0.5％，进行真空感应熔炼，浇铸，取金相样进行显微组织观测及分析，其余步骤同实施例1，测定其力学性能。

实施例4

取母合金50Kg，加入钒铁中间合金，使钒元素重量百分含量为母合金重量的1.0％，进行真空感应熔炼，浇铸，取金相样进行显微组织观测及分析其余步骤同实施例1，测定其力学性能。

对以上实施例的钢锭凝固组织进行了金相观察、扫描电镜观察及能谱分析。

参见图2，图2中(a-d)分别代表实施例1-4钢锭的金相显微照片。从图中可以看到，钒元素的加入使Laves相析出减少，其分布更加分散。

参见图3，图3表示铸锭中Laves相体积分数随钒元素含量增加逐渐下降并趋于稳定。

为进一步说明本发明方法对GH4169钢锭组织的影响，对以上实施例进行均匀化退火后的钢锭凝固组织进行了金相显微组织观察。其显微组织图像参见图4，图4中(a-d)分别代表实施例1-4钢锭经相同的均匀化退火热处理之后的金相显微照片。

实施例1-4的力学性能检测，其数值如下表所示：

结论：经历相同的均匀化热处理工艺之后，实施例1母合金仍有显著的块状Laves相未回溶至基体合金，实施例2-4的Laves相已基本全部回溶，只余下长链状及点状碳氮化物。因此，本发明所述方法显著降低了钢锭组织后续均匀化热处理难度。本发方法在改善钢锭组织和元素分布均匀性的基础上，并不显著影响GH4169镍基高温合金的最终力学性能。