一种高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法

摘要

本发明提供一种高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法，包括如下步骤：S1、高温合金原材料的预处理；S2、电子束精炼去除高温合金中的低密度与高密度夹杂物，得到低密度及高密度夹杂物含量极低的DD406高温合金铸锭。本发明采用电子束精炼技术同步去除高温合金中的低密度及高密度夹杂。通过在高真空精炼过程中增加熔体过热实现熔体内部小尺寸低密度与高密度夹杂物的溶解去除，通过高能电子束的轰击作用实现熔体表面大尺寸低密度夹杂物的原位分解去除，通过铸锭底部的凝壳的吸附作用实现大尺寸高密度夹杂物的捕获去除，从而全面去除合金中的低密度及高密度夹杂，进而通过浇铸获得高纯的高温合金锭坯。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法。

背景技术

高温合金在制备过程中会添加大量合金化元素从而使其具有良好的服役性能，随着对合金使用要求的不断提高，一些贵金属元素如Ta、Hf、Re等逐渐被添加到高温合金、特别是定向及单晶高温合金中。高温合金中的活性元素，如Al、Ti等极易熔体中的O、N结合形成稳定性极高的低密度夹杂物，如Al

当前，采用泡沫陶瓷过滤、促进熔池中夹杂物的上浮或对上浮至熔体表面的夹杂物进行吸附是熔炼过程中夹杂物去除的主要途径。由夹杂物运动的Stokes定律可知，当夹杂物尺寸越小，其上浮或沉降的速度越慢，通过促进上浮或沉降的方式去除夹杂物变得越困难，而陶瓷过滤也只对大尺寸夹杂有较好的效果。当前已有的手段能够成功去除高温合金中10μm以上的低密苏夹杂物，对于粒径较小的夹杂物(<10μm)去除效果十分有限。此外，高温合金中的高密度夹杂物相对于合金熔体具有较大的比重，在熔炼的过程中难以创造上浮的条件，因此，传统的夹杂物去除方法很难实现高温合金中高密度夹杂物的深度去除。

电子束精炼技术是利用高能量密度的电子束轰击材料的表面使材料熔化并精炼材料的工艺过程，该技术被广泛应用于难熔金属及合金的精炼、制备高纯特殊钢以及超洁净钢、精炼提纯钛及钛合金等领域中。电子束具有极高的能量密度，且具有束流可控、束斑可调、自动化程度高的特点，高能量密度的电子束作用于熔体后会产生局部超高温(>3000K)，结合高真空(5×10

发明内容

根据上述提出的当前已有的手段能够成功去除高温合金中10μm以上的低密苏夹杂物，但对于粒径较小的夹杂物(<10μm)去除效果十分有限；此外，高温合金中的高密度夹杂物相对于合金熔体具有较大的比重，在熔炼的过程中难以创造上浮的条件，因此，传统的夹杂物去除方法很难实现高温合金中高密度夹杂物的深度去除的技术问题，而提供一种高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法。本发明主要采用电子束精炼技术同步去除高温合金中的低密度及高密度夹杂。通过在高真空精炼过程中增加熔体过热实现熔体内部小尺寸低密度与高密度夹杂物的溶解去除，通过高能电子束的轰击作用实现熔体表面大尺寸低密度夹杂物的原位分解去除，通过铸锭底部的凝壳的吸附作用实现大尺寸高密度夹杂物的捕获去除，从而全面去除合金中的低密度及高密度夹杂，进而通过浇铸获得高纯的高温合金锭坯。

本发明采用的技术手段如下：

一种高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法，包括如下步骤：

S1、高温合金原材料的预处理：

S11、所述原材料为含有不同种类夹杂物的DD406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，去除表面的陶瓷粘连、氧化层以及加工痕迹等，使合金无外来污染物；

S14、将打磨后的所述原材料进行清洗、烘干，备用；

S2、电子束精炼去除高温合金中的低密度与高密度夹杂物：

S21、对电子束精炼及凝固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；

S24、打开电子束精炼设备，对电子束熔炼炉和电子枪枪体抽至目标真空状态，达到目标真空度后，对设备进行预热；

S25、预热完毕后启动高压，待高压稳定后缓慢增加左侧电子枪束流至600mA，均匀扫描并熔化精炼用水冷铜坩埚中的原材料；

S26、待所述原材料完全熔化后，对所述原材料进行精炼10min；

S27、对精炼后的原材料进行熔体过热处理；

S28、熔体过热处理后，进行大尺寸低密度夹杂物在铸锭表面最后凝固区的富集；

S29、对最后凝固区的大尺寸低密度夹杂物进行高温热解，至夹杂物完全分解后，进行大尺寸高密度夹杂物充分沉降至熔体底部进而被凝壳捕获；

S210、精炼结束后，将左侧电子枪束流大小瞬间调节至0mA，同时开启熔炼坩埚倾倒机构，使精炼后的熔体流入凝固用水冷铜坩埚中，而熔炼用水冷铜坩埚中的凝壳则保留在原坩埚中；

S211、通过右侧电子枪均匀扫描凝固用水冷铜坩埚中的高温合金熔体，使凝固用水冷铜坩埚中熔体表面均匀；

S212、关闭电子枪高压，将两电子枪束流增加至60～120mA使高压值为0后关闭电子枪，使得铸锭在凝固用水冷铜坩埚中充分凝固并冷却；

S213、取出电子束精炼后的DD406合金铸锭，得到低密度及高密度夹杂物含量极低的DD406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DD406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S26的具体步骤如下：

待合金完全熔化后，以电子束环形扫描的方式对合金进行精炼10min，其中束斑半径保持在20～25mm，使得高温合金熔体中的挥发性气体杂质(O、N等)得以充分去除，同时大尺寸高密度夹杂物会逐渐沉降至熔池底部进而被凝壳捕获。

进一步地，所述步骤S27的具体步骤如下：

增加左侧电子束束流大小至800mA，并对DD406合金进行熔体过热处理20min，使得其中的小尺寸低密度及高密度夹杂物以及有序原子基团得以充分溶解。

进一步地，所述步骤S28的具体步骤如下：

熔体过热处理后，将束流大小降至500mA，控制电子束精炼参数，使得电子束束斑从左至右缓慢移动，在束斑移动的过程中采用缓慢降束的方式逐渐减小束流的大小，同时收缩束斑的半径，使得束斑移动至铸锭右侧边缘区域时束流大小及束斑大小同时为0，以实现大尺寸低密度夹杂物在铸锭表面最后凝固区的富集。

进一步地，所述步骤S29的具体步骤如下：

将左侧电子枪束斑半径调整至5mm，逐渐增加束流大小至600mA，利用高能量密度的电子束对最后凝固区的大尺寸低密度夹杂物进行高温热解；至夹杂物完全分解后将束斑半径调整至25mm，以环形扫描路径继续精炼水冷铜坩埚中的DD406合金，持续时间为10min，使得大尺寸高密度夹杂物充分沉降至熔体底部进而被凝壳捕获。

进一步地，所述步骤S211的具体步骤如下：

增加右侧电子枪束流至500～600mA，束斑半径大小调至25mm，以环形路径均匀扫描凝固用水冷铜坩埚中的合金熔体，使得凝固用水冷铜坩埚中熔体表面均匀，之后将右侧电子枪束流大小减小至0mA。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法，创新性地提出采用电子束精炼技术同步去除高温合金中的低密度及高密度夹杂，利用电子束精炼过程中的局部大过热环境实现熔体内部小尺寸低密度及高密度夹杂物的原位溶解去除，利用高能电子束轰击作用实现表面大尺寸低密度夹杂物的原位分解去除，利用熔体底部冷凝壳的捕获作用实现大尺寸高密度夹杂物的捕获去除，从而达到全面去除高温合金中低密度夹杂物与高密度夹杂物的目的。

2、本发明提供的高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法，创新性地提出采用电子束精炼技术同步去除高温合金中的低密度及高密度夹杂。通过在高真空精炼过程中增加熔体过热实现熔体内部小尺寸低密度与高密度夹杂物的溶解去除，通过高能电子束的轰击作用实现熔体表面大尺寸低密度夹杂物的原位分解去除，通过铸锭底部的凝壳的吸附作用实现大尺寸高密度夹杂物的捕获去除，从而全面去除合金中的低密度及高密度夹杂，进而通过浇铸获得高纯的高温合金锭坯。

3、本发明提供的高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法，在电子束精炼高温合金过程中挥发性杂质充分去除的基础上，通过在高温高真空电子束精炼过程中增加熔体过热实现熔体内部小尺寸低密度及高密度夹杂物的溶解去除，通过电子束的直接轰击实现表面大尺寸低密度夹杂物的原位分解去除，通过铸锭底部的凝壳对沉降至熔池下方的大尺寸夹杂物的吸附作用实现熔体内部大尺寸高密度夹杂物的捕获去除，进而通过浇铸获得高纯的高温合金铸锭。利用该方法获得的高温合金铸锭中低密度及高密度夹杂物的尺寸及数量显著降低，从而达到全面去除高温合金中夹杂物的目的，为高温合金夹杂物的有效去除提供了新的途径。

综上，应用本发明的技术方案能够解决当前已有的手段能够成功去除高温合金中10μm以上的低密苏夹杂物，但对于粒径较小的夹杂物(<10μm)去除效果十分有限；此外，高温合金中的高密度夹杂物相对于合金熔体具有较大的比重，在熔炼的过程中难以创造上浮的条件，因此，传统的夹杂物去除方法很难实现高温合金中高密度夹杂物的深度去除的问题。

基于上述理由本发明可在高温合金中高密度和低密度夹杂物去除等领域广泛推广。

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小尺寸夹杂物示意图。

图2为本发明表面大尺寸低密度夹杂物分解示意图。

图3为本发明电子束精炼后浇铸过程示意图。

图4为本发明高密度夹杂物与流体相对运动的雷诺数与夹杂物尺寸的关系示意图。

图5为本发明高密度夹杂物的运动速率与夹杂物颗粒尺寸的关系示意图。

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、凝壳层；7、水冷铜坩埚；8、熔炼坩埚倾倒机构；9、冷却水；10、电子枪；11、电子束；12、罗茨泵；13、熔体表面大尺寸低密度夹杂富集区。

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。

如图所示，本发明提供了一种高温合金中高密度夹杂与低密度夹杂同步去除的方法，包括如下步骤：

一、高温合金原材料的预处理

1、以DD406合金为例，将含有不同种类夹杂物的DD406合金原材料加工至合适尺寸，以能够放入水冷铜精炼坩埚为准。

2、对加工后的DD406合金进行打磨，去除表面的陶瓷粘连、氧化层以及加工痕迹等，使得合金无外来污染物。

3、分别使用去离子水及酒精对打磨后的DD406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，清洗完毕后将合金至于烘干箱中，在30℃下烘干待电子束精炼使用。

二、电子束精炼去除高温合金中的低密度与高密度夹杂物

1、对电子束精炼及凝固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。

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DD406合金原材料放置在精炼用水冷铜坩埚中，确定准备就绪且炉体清洁后关闭炉门。

4、打开电子束精炼设备，将炉体与枪体抽至目标真空状态，达到目标真空度后启动左右两侧电子枪，并对设备进行预热。

5、预热完毕后启动高压，待高压稳定后缓慢增加左侧电子枪束流至600mA，均匀扫描并熔化水冷铜坩埚中的DD406合金原材料。

6、待合金完全熔化后，以电子束环形扫描的方式对合金进行精炼10min，其中束斑半径保持在20～25mm，使得高温合金熔体中的挥发性气体杂质(O、N等)得以充分去除，同时大尺寸高密度夹杂物会逐渐沉降至熔池底部进而被凝壳捕获。

7、增加左侧电子束束流大小至800mA，并对DD406合金进行熔体过热处理20min，使得其中的小尺寸低密度及高密度夹杂物以及有序原子基团得以充分溶解(图1)。

8、熔体过热处理后，将束流大小降至500mA，控制电子束精炼参数，使得电子束束斑从左至右缓慢移动，在束斑移动的过程中采用缓慢降束的方式逐渐减小束流的大小，同时收缩束斑的半径，使得束斑移动至铸锭右侧边缘区域时束流大小及束斑大小同时为0，以实现大尺寸低密度夹杂物在铸锭表面最后凝固区的富集。

9、将左侧电子枪束斑半径调整至5mm，逐渐增加束流大小至600mA，利用高能量密度的电子束对最后凝固区的大尺寸低密度夹杂物进行高温热解(图2)。至夹杂物完全分解后将束斑半径调整至25mm，以环形扫描路径继续精炼水冷铜坩埚中的DD406合金，持续时间为10min，使得大尺寸高密度夹杂物充分沉降至熔体底部进而被凝壳捕获。

10、精炼结束后，将左侧电子枪束流大小瞬间调节至0mA，同时开启熔炼坩埚倾倒机构，使精炼后的熔体流入凝固用水冷铜坩埚中，而熔炼用水冷铜坩埚中的凝壳则保留在原坩埚中(图3)。

11、增加右侧电子枪束流至500～600mA，束斑半径大小调至25mm，以环形路径均匀扫描凝固用水冷铜坩埚中的合金熔体，使得凝固用水冷铜坩埚中熔体表面均匀，之后将右侧电子枪束流大小减小至0mA。

12、关闭电子枪高压，将两电子枪束流增加至60～120mA使高压值为0后关闭电子枪，使得铸锭在凝固用水冷铜坩埚中充分凝固并冷却。

13、取出电子束精炼的DD406合金铸锭，从而得到低密度及高密度夹杂物含量极低的DD406高温合金铸锭。

如图1所示为本发明电子束过热溶解去除小尺寸夹杂物示意图，如图2所示为本发明表面大尺寸低密度夹杂物分解示意图，如图3所示为本发明电子束精炼后浇铸过程示意图。本发明采用如图1-3所示的设备进行高温合金中高密度夹杂物和低密度夹杂物去除。电子枪10固定在电子束熔炼炉的顶部两侧角，熔炼用水冷铜坩埚7(即精炼用水冷铜坩埚)通过熔炼坩埚倾倒机构8放置于电子束熔炼炉内，凝固用水冷铜坩埚7放置于电子束熔炼炉底部，并通入冷却水9。DD406合金原材料放置在熔炼用水冷铜坩埚7中并处于电子束11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12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7中熔化的金属原料，并在熔化后形成熔体局部过热区4。熔体过热处理后，控制电子束精炼参数，形成熔体表面大尺寸低密度夹杂富集区13。熔炼用水冷铜坩埚7中精炼后的熔体流入凝固用水冷铜坩埚7中后，熔炼用水冷铜坩埚中的凝壳层6则保留在原坩埚中。

本发明方法在电子束精炼高温合金过程中挥发性杂质充分去除的基础上，通过在高温高真空电子束精炼过程中增加熔体过热实现熔体内部小尺寸低密度及高密度夹杂物的溶解去除，通过电子束的直接轰击实现表面大尺寸低密度夹杂物的原位分解去除，通过铸锭底部的凝壳对沉降至熔池下方的大尺寸夹杂物的吸附作用实现熔体内部大尺寸高密度夹杂物的捕获去除，进而通过浇铸获得高纯的高温合金铸锭。利用该方法获得的高温合金铸锭中低密度及高密度夹杂物的尺寸及数量显著降低，从而达到全面去除高温合金中夹杂物的目的，为高温合金夹杂物的有效去除提供了新的途径。

本发明的高密度夹杂物凝壳捕获机制为：

与合金熔体相比，HfO

夹杂物所受重力为F

式中，ρ

夹杂物在熔体中的浮力F

式中，ρ为合金熔体的密度。

夹杂物受到重力和浮力的合力：

夹杂物的密度ρ

式中，C

夹杂物颗粒的综合受力F为：

F＝F

根据牛顿第二定律可知，上式中的合力F可用下式表示，a为加速度：

F＝ma (6)

夹杂物开始上升的瞬间，其初始速度u为零使得阻力F

由于小颗粒的比表面积较大，在颗粒上升的极短时间内夹杂物受到的阻力与其所受的净重力(即重力减浮力)接近平衡，夹杂物加速上升对整个上升过程来说往往可以忽略。当a＝0时，u＝u

阻力系数C

式中，μ为流体的粘度Pa·s。

将夹杂物假设为最大粒径为100μm的球形颗粒，则夹杂物的沉降行为在Re

则夹杂物上升的最终速度可以通过式(7-9)计算得到：

夹杂物在熔体中运动的雷诺数Re

其中，ρ

由图5可知，熔体粘度越低，夹杂物尺寸越大，则其沉降速率越快。如当熔体粘度为0.007Pa.s、夹杂物尺寸为40μm时，其沉降速率为1.47×10

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。