工業生產鎳基高溫合金K418脫氧脫氮工藝研究*

金開鋒，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.江蘇潔潤管業有限公司，江蘇 宿遷 223800)

鎳基高溫合金是航空航天發動機、汽車渦輪增壓器等熱端部件使用的主要材料，其質量的高低對工件的質量起到決定性的作用，因此鎳基高溫合金的質量要求很高。鎳基高溫合金中微量元素的含量能夠直接影響合金的質量，特別是微量元素氧和氮，其作為有害雜質元素會嚴重影響合金的力學性能。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的研究熱點。比如，合金M17中的氧含量從20 ppm降到<10 ppm時，合金的持久性能可以提升90%[1]；在飛機發動機渦輪盤中，50 μm甚至更小的氧化物夾雜，都是降低其疲勞壽命的關鍵因素[2]；對于氮元素，當其含量大于在合金熔體中的溶解度時會形成粗大的TiN，其含量甚至會比合金中氧化物的含量高出10倍，極大地損害合金的使用性能[3]。此外，隨著鎳基高溫合金的廣泛大量使用，產生的鎳基高溫合金回收料越來越多，如不能對這些回收料進行有效地凈化處理，往往只能降級使用，帶來材料的大量浪費。綜上所述，降低鎳基高溫合金中的氧和氮含量對提升鎳基高溫合金的質量、提高工業化生產水平具有重要意義。本文以工業生產鎳基高溫合金K418為例，探討了回收料比例、原材料種類、過濾凈化等因素對真空感應熔煉生產K418合金脫氧脫氮的影響。

1 材料和設備

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

表1 K418合金的化學成分(質量分數) (%)

表2 JCr99A金屬鉻和高純金屬鉻的化學成分(質量分數) (%)

圖1 JCr99A金屬鉻和高純金屬鉻樣品

圖2 10 ppi和15 ppi的氧化鋯過濾片樣品

選用的生產設備為康薩克VIM-1000型真空感應熔煉爐，它主要包括爐體、真空系統、熔煉電源系統、電氣控制系統、冷卻水系統、液壓系統、氣動系統、感應器、隔離閥及工作平臺和一些生產附屬設備等(見圖3)。該真空爐各腔室的極限真空和漏氣率見表3，坩堝類型為現場搗打燒結成型的Al2O3坩堝。選用的氧氮檢測設備為鋼研納克ON-3000氧氮分析儀，靈敏度為0.01 ppm，分析精度為1 ppm。選用的化學成分檢測設備為鋼研納克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(見表4)，工藝1和工藝2對比，探討回收料比例對K418合金脫氧脫氮的影響；工藝2和工藝3對比，探討氧化鋯過濾片過濾凈化對K418合金脫氧脫氮的影響；工藝3和工藝4對比，探討高純原料對降低K418合金氧氮含量的作用。

表4 K418合金氧氮脫除工藝生產方案

回收料回爐重熔前需對其進行拋丸、打磨處理，并用氧氮分析儀、全譜直讀光譜儀檢測其化學成分，以便對Al、Ti、C等易燒損元素進行適量補充。熔煉時先將Ni、Nb、Cr、Mo等難揮發高熔點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。為避免熔化過程中爐料出現“架橋”，裝入坩堝中的爐料應上松下緊。裝料完成后關閉爐門抽真空，當真空度<50 Pa時，開始送電加熱爐料。熔煉初期為防止爐料放氣，鋼液發生噴濺，先用小功率送電，然后逐漸加大功率。當爐料發紅后，可以使用大功率快速熔化原材料至化清。鋼液面平靜無氣泡冒出視為化清，化清后進行精煉，精煉溫度為(1570±20) ℃，精煉時間約為40 min。精煉完成后降溫，添加Ti、Al、Zr、B等，進行合金化。合金化后停電降溫，溫度降至(1470±20) ℃時進行澆注。產品脫模后從棒材底部切割取樣，機械加工成φ4 mm×30 mm的圓棒試樣，用于氧氮氣體分析。

3 結果和討論

4組工藝生產的K418母合金氧氮含量見表5。從表5中可以看出，工藝2比工藝1產品中含有更高的氧氮含量，表明隨著回收料比例增加產品氧氮則會提升；工藝3比工藝2產品中的氧氮含量低，說明氧化鋯過濾有利于氧氮的去除，且過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，這說明更換高質量的原料可以進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，容易形成氧化物和氮化物。返回料的使用必然會使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入合金就很難去除，進而會降低合金的力學性能。表5中，工藝2比工藝1產品的氧氮含量高，這說明返回料比例升高，產品的氧氮含量都會升高，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，說明在生產過程中，通過調整熔煉工藝和補加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 氧化鋯過濾凈化對氧氮含量的影響

工藝3方案熔煉時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鋼液浮渣較多(見圖4a)，隨著熔煉的進行，精煉后鋼液浮渣數量顯著減少(見圖4b)，但是至澆注前鋼液表面仍會存在少量的浮渣。這表明通過控制精煉溫度和精煉時間，可以使鋼液中某些低熔點的浮渣分解或揮發，但是一些高熔點的浮渣仍無法消除。這是因為K418返回料中本身存在一些難揮發的氧化物和氮化物，另一方面，氧、氮與新添加的單質金屬Al、Ti、Cr等反應生成高熔點的氧化物、氮化物，而且在熔煉過程中單質金屬材料不可避免地與坩堝壁發生化學反應，生成化合物。這些物質在真空感應熔煉中難以去除，往往需要使用過濾裝置將其去除。

a)化清后 b)精煉后

澆注后的過濾片如圖5所示。圖5中，表面氧化鋯過濾片中的孔隙大多數都被鋼液和夾雜物所填充，這表明氧化鋯過濾片起到了很好的過濾浮渣的效果。表5中，工藝3和工藝2的產品氧氮含量檢測數據進一步說明，氧化鋯過濾片能有效過濾K418合金鋼液中的氧化物和氮化物夾渣，降低產品的氧氮含量。工藝3比工藝2產品的氧氮含量低說明，過濾片過濾效果主要受過濾片厚度、孔隙率、夾雜物大小等因素影響[4-5]，同一合金鋼液，所用的過濾片孔徑越小，厚度越厚，比表面積越大，過濾片阻擋夾雜物的作用就越大，過濾效果就越好。

圖5 澆注后的過濾片

3.3 原料對氧氮含量的影響

表5中工藝4比工藝3產品的氧氮含量低說明，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，主要是因為高純金屬鉻引入的氧氮含量低，按照配料比例計算，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，在工業生產中不宜大批量推廣使用。

4 結語

使用K418回收料生產母合金會提高母合金的氧氮含量，且隨著回收料比例增加產品氧氮會提升。氧化鋯過濾片能有效過濾K418鋼液中的浮渣，降低母合金的氧氮含量，且過濾片孔徑越小、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一步去除K418合金中的氧氮含量，但是成本過高，不宜在工業生產中推廣。