金開(kāi)鋒，吳瑞云，薛丹斌，吳 闖，張娜娜

(1.江蘇奇納新材料科技有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇潔潤(rùn)管業(yè)有限公司，江蘇 宿遷 223800)

鎳基高溫合金是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)渦輪增壓器等熱端部件使用的主要材料，其質(zhì)量的高低對(duì)工件的質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用，因此鎳基高溫合金的質(zhì)量要求很高。鎳基高溫合金中微量元素的含量能夠直接影響合金的質(zhì)量，特別是微量元素氧和氮，其作為有害雜質(zhì)元素會(huì)嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能。如何有效降低鎳基高溫合金中氧和氮含量，提高鎳基高溫合金性能，一直是鎳基高溫合金科研和生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)。比如，合金M17中的氧含量從20 ppm降到<10 ppm時(shí)，合金的持久性能可以提升90%[1]；在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)中，50 μm甚至更小的氧化物夾雜，都是降低其疲勞壽命的關(guān)鍵因素[2]；對(duì)于氮元素，當(dāng)其含量大于在合金熔體中的溶解度時(shí)會(huì)形成粗大的TiN，其含量甚至?xí)群辖鹬醒趸锏暮扛叱?0倍，極大地?fù)p害合金的使用性能[3]。此外，隨著鎳基高溫合金的廣泛大量使用，產(chǎn)生的鎳基高溫合金回收料越來(lái)越多，如不能對(duì)這些回收料進(jìn)行有效地凈化處理，往往只能降級(jí)使用，帶來(lái)材料的大量浪費(fèi)。綜上所述，降低鎳基高溫合金中的氧和氮含量對(duì)提升鎳基高溫合金的質(zhì)量、提高工業(yè)化生產(chǎn)水平具有重要意義。本文以工業(yè)生產(chǎn)鎳基高溫合金K418為例，探討了回收料比例、原材料種類(lèi)、過(guò)濾凈化等因素對(duì)真空感應(yīng)熔煉生產(chǎn)K418合金脫氧脫氮的影響。

1 材料和設(shè)備

選用了鎳基高溫合金K418所包含的單質(zhì)原材料和K418合金回收料。K418合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。另外，根據(jù)不同生產(chǎn)工藝要求，還用到了JCr99A金屬鉻和高純金屬鉻、孔隙率為10 ppi和15 ppi的氧化鋯過(guò)濾片。JCr99A金屬鉻和高純金屬鉻的化學(xué)成分見(jiàn)表2，其樣品如圖1所示，孔隙率為10 ppi和15 ppi的氧化鋯過(guò)濾片的樣品如圖2所示。

表1 K418合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 JCr99A金屬鉻和高純金屬鉻的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

圖1 JCr99A金屬鉻和高純金屬鉻樣品

圖2 10 ppi和15 ppi的氧化鋯過(guò)濾片樣品

選用的生產(chǎn)設(shè)備為康薩克VIM-1000型真空感應(yīng)熔煉爐，它主要包括爐體、真空系統(tǒng)、熔煉電源系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、感應(yīng)器、隔離閥及工作平臺(tái)和一些生產(chǎn)附屬設(shè)備等(見(jiàn)圖3)。該真空爐各腔室的極限真空和漏氣率見(jiàn)表3，坩堝類(lèi)型為現(xiàn)場(chǎng)搗打燒結(jié)成型的Al2O3坩堝。選用的氧氮檢測(cè)設(shè)備為鋼研納克ON-3000氧氮分析儀，靈敏度為0.01 ppm，分析精度為1 ppm。選用的化學(xué)成分檢測(cè)設(shè)備為鋼研納克SparkCCD7000全譜直讀光譜儀。

圖3 康薩克VIM-1000型真空感應(yīng)熔煉爐

表3 各腔室的極限真空和漏氣率

2 工藝方法

本研究共分4組工藝(見(jiàn)表4)，工藝1和工藝2對(duì)比，探討回收料比例對(duì)K418合金脫氧脫氮的影響；工藝2和工藝3對(duì)比，探討氧化鋯過(guò)濾片過(guò)濾凈化對(duì)K418合金脫氧脫氮的影響；工藝3和工藝4對(duì)比，探討高純?cè)蠈?duì)降低K418合金氧氮含量的作用。

表4 K418合金氧氮脫除工藝生產(chǎn)方案

回收料回爐重熔前需對(duì)其進(jìn)行拋丸、打磨處理，并用氧氮分析儀、全譜直讀光譜儀檢測(cè)其化學(xué)成分，以便對(duì)Al、Ti、C等易燒損元素進(jìn)行適量補(bǔ)充。熔煉時(shí)先將Ni、Nb、Cr、Mo等難揮發(fā)高熔點(diǎn)且與氧氮親和力弱的元素加入到坩堝中，Ti、Al、Zr、B等在精煉后采用二次加料的方式加入。為避免熔化過(guò)程中爐料出現(xiàn)“架橋”，裝入坩堝中的爐料應(yīng)上松下緊。裝料完成后關(guān)閉爐門(mén)抽真空，當(dāng)真空度<50 Pa時(shí)，開(kāi)始送電加熱爐料。熔煉初期為防止?fàn)t料放氣，鋼液發(fā)生噴濺，先用小功率送電，然后逐漸加大功率。當(dāng)爐料發(fā)紅后，可以使用大功率快速熔化原材料至化清。鋼液面平靜無(wú)氣泡冒出視為化清，化清后進(jìn)行精煉，精煉溫度為(1570±20) ℃，精煉時(shí)間約為40 min。精煉完成后降溫，添加Ti、Al、Zr、B等，進(jìn)行合金化。合金化后停電降溫，溫度降至(1470±20) ℃時(shí)進(jìn)行澆注。產(chǎn)品脫模后從棒材底部切割取樣，機(jī)械加工成φ4 mm×30 mm的圓棒試樣，用于氧氮?dú)怏w分析。

3 結(jié)果和討論

4組工藝生產(chǎn)的K418母合金氧氮含量見(jiàn)表5。從表5中可以看出，工藝2比工藝1產(chǎn)品中含有更高的氧氮含量，表明隨著回收料比例增加產(chǎn)品氧氮?jiǎng)t會(huì)提升；工藝3比工藝2產(chǎn)品中的氧氮含量低，說(shuō)明氧化鋯過(guò)濾有利于氧氮的去除，且過(guò)濾片孔徑越小越有利于氧氮的去除；工藝4中的氧氮含量最低，這說(shuō)明更換高質(zhì)量的原料可以進(jìn)一步去除合金中的氧氮含量。

表5 K418合金中的氧氮含量

3.1 返回料對(duì)氧氮含量的影響

K418合金含有大量的活潑元素，如Cr、Al、Ti等，Al、Ti容易燒損，且Cr、Al、Ti與氧和氮的親和力強(qiáng)，容易形成氧化物和氮化物。返回料的使用必然會(huì)使K418合金夾雜和氧氮含量升高，尤其是氮元素一旦以氮化物的形式進(jìn)入合金就很難去除，進(jìn)而會(huì)降低合金的力學(xué)性能。表5中，工藝2比工藝1產(chǎn)品的氧氮含量高，這說(shuō)明返回料比例升高，產(chǎn)品的氧氮含量都會(huì)升高，尤其是氮含量升高更為顯著；和氮含量升高相比，氧含量升高較低，說(shuō)明在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整熔煉工藝和補(bǔ)加Al、C等有脫氧作用的元素材料，可以有效降低返回料引入的氧。

3.2 氧化鋯過(guò)濾凈化對(duì)氧氮含量的影響

工藝3方案熔煉時(shí)不同階段鋼液表面浮渣圖片如圖4所示。從圖4中可以看出，在原材料全部化清時(shí)鋼液浮渣較多(見(jiàn)圖4a)，隨著熔煉的進(jìn)行，精煉后鋼液浮渣數(shù)量顯著減少(見(jiàn)圖4b)，但是至澆注前鋼液表面仍會(huì)存在少量的浮渣。這表明通過(guò)控制精煉溫度和精煉時(shí)間，可以使鋼液中某些低熔點(diǎn)的浮渣分解或揮發(fā)，但是一些高熔點(diǎn)的浮渣仍無(wú)法消除。這是因?yàn)镵418返回料中本身存在一些難揮發(fā)的氧化物和氮化物，另一方面，氧、氮與新添加的單質(zhì)金屬Al、Ti、Cr等反應(yīng)生成高熔點(diǎn)的氧化物、氮化物，而且在熔煉過(guò)程中單質(zhì)金屬材料不可避免地與坩堝壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物。這些物質(zhì)在真空感應(yīng)熔煉中難以去除，往往需要使用過(guò)濾裝置將其去除。

a)化清后 b)精煉后

澆注后的過(guò)濾片如圖5所示。圖5中，表面氧化鋯過(guò)濾片中的孔隙大多數(shù)都被鋼液和夾雜物所填充，這表明氧化鋯過(guò)濾片起到了很好的過(guò)濾浮渣的效果。表5中，工藝3和工藝2的產(chǎn)品氧氮含量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明，氧化鋯過(guò)濾片能有效過(guò)濾K418合金鋼液中的氧化物和氮化物夾渣，降低產(chǎn)品的氧氮含量。工藝3比工藝2產(chǎn)品的氧氮含量低說(shuō)明，過(guò)濾片過(guò)濾效果主要受過(guò)濾片厚度、孔隙率、夾雜物大小等因素影響[4-5]，同一合金鋼液，所用的過(guò)濾片孔徑越小，厚度越厚，比表面積越大，過(guò)濾片阻擋夾雜物的作用就越大，過(guò)濾效果就越好。

圖5 澆注后的過(guò)濾片

3.3 原料對(duì)氧氮含量的影響

表5中工藝4比工藝3產(chǎn)品的氧氮含量低說(shuō)明，使用高純金屬鉻能夠顯著降低K418母合金中的氧氮含量。由表2可知，工藝4比工藝3母合金的氧氮含量降低，主要是因?yàn)楦呒兘饘巽t引入的氧氮含量低，按照配料比例計(jì)算，使用普通金屬鉻引入的氧氮含量分別為186.25和20 ppm，使用高純金屬鉻引入的氧氮含量分別為31.25和2.75 ppm。但是文中選用的高純金屬鉻，成本是普通金屬鉻的2倍多，在工業(yè)生產(chǎn)中不宜大批量推廣使用。

4 結(jié)語(yǔ)

使用K418回收料生產(chǎn)母合金會(huì)提高母合金的氧氮含量，且隨著回收料比例增加產(chǎn)品氧氮會(huì)提升。氧化鋯過(guò)濾片能有效過(guò)濾K418鋼液中的浮渣，降低母合金的氧氮含量，且過(guò)濾片孔徑越小、比表面積越大，越有利于氧氮的去除。和普通金屬鉻相比，使用高純金屬鉻可以進(jìn)一步去除K418合金中的氧氮含量，但是成本過(guò)高，不宜在工業(yè)生產(chǎn)中推廣。