真空熔煉K417G合金脫氧脫氮研究

馬中鋼，趙國(guó)才，逯紅果，李化坤，李道乾

（山東瑞泰新材料科技有限公司，山東 淄博256100）

1 前言

鎳基高溫合金主要以金屬鎳為基體，配合金屬Cr、W、Mo、Nb等元素，使其具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性和抗蠕變性能等，廣泛應(yīng)用于航空航天、燃?xì)廨啓C(jī)和火力發(fā)電裝置［1］。近年來，隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)合金中微量有害雜質(zhì)元素和氣體含量要求越來越嚴(yán)格。鎳基高溫合金中微量有害雜質(zhì)元素主要為Pb、Bi、Sn、Ag、Se等，氣體主要為O、N和H元素［2-3］。在高真空和高溫下，微量有害雜質(zhì)元素能夠快速揮發(fā)，而氧、氮元素由于其易與金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧氮化合物，故難以去除。已知氧在高溫合金中主要以氧化物夾雜的形式存在，而氧化物夾雜通常是疲勞裂紋的萌生地及擴(kuò)展通道，從而影響高溫合金的蠕變和持久強(qiáng)度等性能［4-5］。氮主要以TiN的形式存在，粗大的初生TiN夾雜在后續(xù)的工藝中很難進(jìn)行消除，進(jìn)而嚴(yán)重影響材料力學(xué)性能［6］。如何進(jìn)一步降低合金中的氧氮含量，一直是專家研究的重點(diǎn)。目前，熔煉鑄造高溫合金主要采用真空感應(yīng)爐，其生產(chǎn)工序主要分為熔化期、精煉期、合金化期，不同時(shí)期對(duì)脫除合金中的氣體含量作用不同。現(xiàn)對(duì)熔煉過程中的各工序進(jìn)行探究，以對(duì)后續(xù)工作者提供參考價(jià)值和研究方向。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)方法采用型號(hào)ZGJL0.5-100-2.5真空感應(yīng)爐熔煉鎳基高溫合金材料K417G（化學(xué)成分見表1）。熔煉用原材料符合航標(biāo)HB/Z 131鑄造高溫合金選用原材料技術(shù)要求。原材料送國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心進(jìn)行檢測(cè)，氧氮?dú)怏w含量值見表2。熔煉過程中，每隔一定時(shí)間，將鋼水注入金屬模中取樣。將試樣切削加工成4 mm×4 mm×40 mm圓柱試棒，在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗后，氧氮采用型號(hào)為ONH-P氧氮?dú)錂z測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。采用型號(hào)為FEIApreo-S場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電鏡觀察顯微組織。

表1 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 原材料中氧氮含量值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3 鎳基高溫合金熔煉過程對(duì)氧氮含量的影響

3.1 熔化期對(duì)氧氮含量的影響

熔化期氧含量由計(jì)算值0.078 1%減少為檢測(cè)值0.037 8%，氮含量由計(jì)算值0.070 7%減少為檢測(cè)值0.058 0%，氧含量減少52%，氮含量減少17%。原因在于，在原材料放料過程中，將部分脫氧劑碳放入坩堝底部，在原材料熔化過程中，溶解的氧在真空條件下易與爐料中的碳反應(yīng)，生產(chǎn)一氧化碳?xì)馀萑コ踉兀⒓铀俚撘好鏀U(kuò)散，減少氮含量；因此，熔化期對(duì)氧氮的脫除是十分重要的，特別是對(duì)脫除氧元素。

3.2 精煉溫度和時(shí)間對(duì)氧氮含量的影響

不同精煉溫度對(duì)K417G合金中氧氮含量曲線見圖1。可以看出，相同精煉時(shí)間內(nèi)，精煉溫度越高，熔液中氧氮含量下降越快，隨著精煉時(shí)間的延長(zhǎng)，氧氮含量下降速率減緩；精煉溫度低，氧氮含量趨于平緩時(shí)間越長(zhǎng)。原因在于，精煉期主要作用是利用真空感應(yīng)爐高溫、高真空并配合脫氧劑碳降低鋼水中氣體含量。研究表明：精煉溫度越高，越容易降低鋼水中氧氮含量［5］。

圖1 不同精煉溫度K417G合金中氧氮含量

3.3 合金化期對(duì)氧氮含量的影響

圖2為采用二次加鋁對(duì)K417G中氧氮含量影響變化曲線。由表1可知，K417G合金含有5.2%的鋁，鋁在鎳基高溫合金中可以作為脫氧劑，將鋁采用多次加入的方式加入鋼水中。由圖2可知，第一次加鋁后，氧氮含量下降速率較快；第二次加鋁后，氧氮含量下降速率逐漸減緩，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氧氮含量趨于穩(wěn)定。原因在于，第一次加鋁后，鋁與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低鋼水中氧元素。同時(shí)，研究表明：高溫環(huán)境下，有利于去除合金中的氮元素［3，7］，鋁熔化是放熱反應(yīng)，促進(jìn)鋼水溫度升高，進(jìn)一步降低鋼水中氮元素。第二次加鋁后，由于鋼水中氧氮含量較少，降低效果不是很明顯。

圖2 二次加鋁對(duì)K417G合金氧氮含量變化情況

3.4 氧氮元素存在形式

K417G合金顯微組織形貌見圖3。K417G合金中余氧、氮元素主要以Ti（C，N）的形成存在。已知，Ti（C，N）熔點(diǎn)約3 000 ℃，合金中一旦形成Ti（C，N）化合物，后續(xù)的熔煉工藝難以進(jìn)行去除［6］。

圖3 K417G合金顯微組織形貌

4 結(jié)論

4.1 鎳基高溫合金熔煉過程中，配合采用二次加碳、高溫精煉和二次加鋁熔煉工藝，能夠很好的去除鋼水的氧氮?dú)怏w元素。

4.2 鎳基合金K417G難以去除氧氮元素主要以Ti（C，N）的形式存在。