高溫合金真空感應(yīng)熔煉工藝研究

任 曉，肖 晶

（寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

高溫合金是制造航空航天發(fā)動機熱端部件的關(guān)鍵材料，發(fā)動機的性能水平在很大程度上取決于高溫合金材料的性能水平，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量占發(fā)動機總重量的40%～60%以上。高溫合金材料最初主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，由于其有著優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕等性能，逐漸被應(yīng)用到電力（火電、核電）、汽車、冶金、石油化工、玻璃制造、原子能等工業(yè)領(lǐng)域，從而大大拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 主要設(shè)備：半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉爐

技術(shù)參數(shù)：額定容量：0.2噸

額定頻率：1KHz

中頻電源功率：350KW

工作真空度：熔煉室≤6.67×10-1Pa

鑄型室≤1Pa

加料室≤6.67Pa

壓升率：熔煉室、鑄型室分別≤1Pa/h

2 原料及配比（以Inconel718母合金為例）如表1

表1 主要研究材料

高溫合金中的雜質(zhì)來源于以下幾個方面：

（1）原料中本身存在的雜質(zhì)。

（2）冶煉過程中坩堝耐火材料污染。

（3）冶煉過程中氣體環(huán)境的污染。

（4）正常的精煉技術(shù)難以去除的雜質(zhì)元素。因此，在高溫合金的熔鑄過程中需盡量控制。

3 裝爐

爐料在裝爐前必須經(jīng)過預(yù)處理，加料前爐料應(yīng)經(jīng)過酸洗或打磨保證爐料表面潔凈，為保證爐料干燥，在裝爐前必須進行適當(dāng)?shù)暮婵尽t料應(yīng)大小搭配，在裝爐時緊密接觸，而在熔化時又不發(fā)生“架橋”現(xiàn)象。裝爐前，要將坩堝內(nèi)壁清理干凈，否則合金中的夾雜物會增加很多。裝料量應(yīng)按一次鑄滿鑄錠為宜（試驗時總裝料量為160kg）。對于本次試驗的Inconel718母合金，裝爐順序為：

鉻鐵→鈮鐵→鉬→鐵→鈦

4 真空感應(yīng)熔煉

真空感應(yīng)熔煉是一種成熟的熔煉方法，是高溫合金生產(chǎn)的重要工藝，特別對含有鋁、鈦等活潑元素較多的合金，必須采用真空熔煉。本實驗采用的半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉爐的核心原理是運用中頻感應(yīng)加熱原理，即在中頻電流作用下，在感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場，進而在爐料內(nèi)感應(yīng)強大的渦流，產(chǎn)生熱量使?fàn)t料熔化。

真空感應(yīng)熔煉有以下一些特點：

（1）金屬熔化、熔煉、合金化及澆注均在真空條件下進行，避免了與大氣的相互作用而產(chǎn)生的污染。

（2）在真空條件下，碳具有很強的脫氧能力，其產(chǎn)物CO被抽至系統(tǒng)之外，克服了采用脫氧劑所產(chǎn)生的脫氧化物的污染。

（3）可以精確控制合金成分，特別對Al、Ti、B、Zr等合金元素的含量可控制在很窄的范圍之內(nèi)，包括對百萬分之一數(shù)量級易揮發(fā)微量元素的控制。

（4）低熔點有害雜質(zhì)、微量元素及氣體可被去除，還可以消除二次氧化。強烈的攪拌速度可以加快反應(yīng)速度，并使熔池內(nèi)液態(tài)金屬的溫度和成分均勻。

（5）熔煉與鑄錠易操作。本實驗的真空感應(yīng)熔煉主要分為升溫熔化期、保溫精煉期、澆注期。

①升溫熔化期。熔化期的任務(wù)是熔化原料，均勻成分，去除吸附氣體，并使合金液體有適當(dāng)?shù)臏囟鹊恼婵斩龋瑸榫珶拕?chuàng)造條件。在冷爐時，應(yīng)使熔化功率逐漸增加，以保證爐料和坩堝附近的氣體逐漸放出時，爐內(nèi)仍有足夠高的真空度。在連續(xù)熔煉時，開始以較低的功率加熱爐料至發(fā)紅，然后保證在一定真空度下，大功率盡快熔化爐料。

②保溫精煉期。保溫精煉期的任務(wù)是利用高溫、高真空條件進行脫氧、脫氮和脫易揮發(fā)的低熔點雜質(zhì)，然后合金化，保證金屬液內(nèi)氣體及雜質(zhì)含量降到最低并且成分均勻。

表2 保溫精煉期考慮的影響因素

保溫精煉期考慮的影響因素為真空度、精煉溫度和保溫時間。三組試驗對比如表2所示。

經(jīng)過三組工藝的結(jié)果對比，以及保溫精煉的過程分析，科研組認(rèn)為保溫精煉期的工藝參數(shù)應(yīng)為：溫度控制在1550℃～1600℃，時間控制在25min左右，真空度控制在10-1Pa以下。3次試驗結(jié)果再次證明了保溫精煉工藝的可行性。

③澆注期。澆注是合金熔煉的最后一道程序，為了獲得高質(zhì)量的母合金錠，應(yīng)選擇合適的較低的澆注溫度以保證母合金錠表面光潔及內(nèi)部無縮孔。

經(jīng)試驗后，Inconel718母合金的澆注溫度應(yīng)保持在1400℃～1500℃之間。

5 結(jié)語

Inconel718母合金真空感應(yīng)熔煉的工藝流程為：裝爐→升溫熔化→保溫精煉→澆注。熔煉過程中需要控制的因素為真空度、熔煉溫度、熔煉時間，為了獲得良好的鑄錠內(nèi)部質(zhì)量，升溫熔化在保證足夠的真空度的前提下應(yīng)盡量縮短時間，保溫精煉的精煉溫度應(yīng)控制在1550℃～1600℃，時間應(yīng)控制在25min，真空度控制在10-1Pa以下。澆注溫度為1400℃ ～1500℃。