高溫合金H80A鋼的Al、Ti元素控制技術研究

摘要：高溫合金具有優異的高溫力學性能、組織穩定性和抗熱腐蝕性能，可在高溫與復雜應力的環境長期可靠工作，廣泛用于制造航空、航天、艦船發動機的熱端部件。以高溫合金H80A鋼為例，分析真空熔煉和電渣重熔過程的Al、Ti元素變化規律，然后提出有效的Al、Ti元素控制措施。采取針對性措施后，H80A鋼成分控制能力提高，產品質量大幅提升。

關鍵詞：高溫合金；渣系；鋁；鈦；元素控制

中圖分類號：TF142 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.014

Research on Al and Ti Element Control Technology of High-Temperature Alloy H80A Steel

JIN Hongwei

（Zhangxuan Technology Special Materials Company， Zhangjiakou 075100， China）

Abstract： High-temperature alloys have excellent high-temperature mechanical properties， structural stability， and resistance to hot corrosion， which can work reliably in high temperature and complex stress environments for a long time and are widely used in the manufacturing of hot end components for aviation， aerospace， and ship engines. Taking high-temperature alloy H80A steel as an example， this paper analyzes the changes in Al and Ti elements during vacuum melting and electroslag remelting processes， and then proposes effective measures for controlling Al and Ti elements. After taking targeted measures， the composition control ability of H80A steel has been improved， and the product quality has been significantly improved.

Keywords： high-temperature alloy; slag system; aluminium; titanium; element control

高溫合金是指以鐵、鈷和鎳為基體元素，能在高溫（600 ℃以上）和復雜應力作用下長期使用的金屬材料。它具有優異的高溫力學性能、組織穩定性以及抗熱腐蝕性能，廣泛用于制造航空、航天、艦船發動機的熱端部件。高溫合金H80A鋼是張宣科技特材研制公司生產的主要產品之一，基體元素為鎳，通常含鎳量不少于75%，除鎳以外，還含有鉻、鋁、鈦等合金元素，使用溫度在600～1 000 ℃，主要作為氣閥用鋼。它不僅具有較高的高溫持久強度和蠕變強度，還有良好的組織穩定性、熱穩定性和耐蝕性能。高溫合金具有單一的奧氏體基體組織，通過各種強化相達到需要的高溫性能，合金化程度高，又被稱為超級合金。高溫合金生產過程必須精確控制Mg、Al、Ti和B等易氧化易揮發元素的含量。熔煉過程中，Al、Ti等活潑元素往往因氧化揮發而損失，控制難度大，如何防止其氧化揮發是熔煉過程的重要冶金問題之一。

1 工藝裝備

張宣科技特材研制公司配置中頻爐（4座）、真空感應爐（2座）、電渣爐（4座）和真空自耗爐

（1座）等主體工藝設備，其他設備有自由鍛錘和快鍛機（壓力45 MN），該企業具備年產1.1萬t高品質鎳基特種合金產品的能力，已成功開發高溫合金、耐蝕合金和功能合金等10余種高端新材料。高溫合金生產工藝路線為真空感應爐熔煉→保護氣氛恒熔速電渣爐重熔→鍛壓。

2 投產初期H80A鋼生產狀況

H80A鋼為典型的高鋁高鈦型合金材料，由于鋁、鈦的化學性質很活潑，因此真空感應熔煉和電渣重熔過程均存在不同程度的燒損。高溫合金的相變行為對成分極為敏感，達到一定程度的質量損耗必然會對合金的相變性能產生明顯影響。H80A鋼的化學成分如表1所示。

投產初期，由于技術操作人員水平欠缺、工藝細節認識不足等原因，H80A鋼生產存在諸多問題。抽取5爐高溫合金真空熔煉與電渣重熔過程的Al、Ti元素控制數據，如表2所示。數據顯示，真空感應爐鋁、鈦收率偏低，兩工序鋁、鈦控制成分數據極差大，區間范圍寬，數據離散；電渣爐鋁燒損大，鈦燒損較大。這造成最終產品成分穩定性差，很容易出現不合格品，無法滿足客戶要求。鍛件的加熱工藝及熱處理制度是根據鋼種的化學成分設計的，化學成分的波動使鋼錠在鍛造及熱處理工藝中容易產生缺陷，也會造成材料機械性能的不穩定。為了保證產品性能滿足客戶要求，有必要采取措施，減少鋁、鈦燒損量，提高合金的成分控制精度。

3 各工序工藝控制優化

3.1 電渣爐重熔H80A鋼鋁鈦的控制

生產高溫合金時，選用雙工位1.5 t保護氣氛電渣爐冶煉，結晶器直徑為300 mm，高度為1 000 mm；真空錠直徑為220 mm，長度為1 600 mm；采用1支電極重熔1支電渣錠的方式，電渣錠質量為0.45～0.48 t。

冶煉電壓為24～35 V，冶煉電流為3 000～8 000 A。投產初期，電渣爐重熔過程中，H80A鋼的鋁鈦燒損數據如表3所示。初期真空錠熔煉及電渣重熔過程中未加入任何附加劑，抽取5爐電渣錠進行取樣分析，鋁含量平均值為1.61%，燒損率達11%，鈦含量平均值為2.41%，燒損率達2.4%。數據表明，在電渣重熔過程中，鋁含量燒損嚴重且很難控制，造成鋼錠成分低于或高于標準；電渣重熔各時期Ti燒損不一樣，造成鋼錠各部位Ti含量不均勻，頭尾偏差大。經頭部和尾部取樣分析，電渣爐重熔過程中，H80A鋼的鋁鈦燒損數據如表3所示。

在渣-金反應界面上，鎳基合金中易氧化元素鋁、鈦會與渣中不穩定氧化物FeO、SiO2和TiO2發生強烈的化學反應，不可避免地導致電渣錠中鋁鈦燒損[1]。鋁、鈦元素較為活潑，二者在鋼中的含量范圍較窄也增加控制難度。渣池中Al含量較低時，鋁、鈦在電渣重熔過程中更易被氧化，這與其和氧的親和力有關。在電渣重熔過程中，氧主要有5個來源。一是渣料中的不穩定變價氧化物，二是重熔過程中的氣相傳氧，三是電極中溶解的氧，四是不穩定的非金屬氧化物，五是電極表面的氧化鐵皮。總之，元素在重熔過程中被燒損的影響因素不是單一的，渣系、自耗電極和電流等條件對元素燒損來說都是不應忽視的影響因素[2]。

3.1.1 渣系組元的控制

投產初期，重熔H80A鋼的電渣渣系采用三元預熔渣，渣量為34 kg，渣系主要組元的化學成分如表4所示。經H80A鋼電渣重熔前后取樣數據對比分析，鋼錠鋁、鈦元素燒損嚴重的主要影響因素是渣料中的不穩定變價氧化物。Ca、Ce、Al、Mg、Ti與氧的親和力依次遞減，與氧親和力愈強的元素愈易被氧化，和氧親和力大的元素可以將與氧親和力較小的元素的氧化物還原。所以，前面元素對后面元素起保護作用，可做脫氧的還原劑。元素次序愈靠前，其氧化物愈穩定，如CaO、Al2O3和MgO等，一般被選作渣系的組元。次序愈靠后元素的氧化物在渣中被視為不穩定氧化物，如FeO等，往往被靠前元素還原，引起靠前元素氧化，故重熔過程鋁、鈦易氧化。隨著渣系堿度增加，H80A鋼中氧含量明顯降低，主要原因是穩定性差的SiO2含量下降。隨著CaO與Al2O3含量比的增加，氧含量很快下降，當CaO與Al2O3含量比為1時，氧含量達到最低值，當比值進一步增加時，氧含量反而增加。

針對氧來源，結合企業實際生產狀況，采取有效的應對措施。首先優化渣系組元，選擇使用穩定的渣系，減少渣中不穩定氧化物，將渣中不穩定氧化物SiO2變成穩定氧化物Al2O3。為防止鈦的大量燒損，在渣料中增加TiO2成分，使電渣重熔時渣池中TiO2的含量始終高于鋼中Ti含量，從動平衡角度分析，可抑制鋼中的Ti進一步向渣中轉化，保護鋼中的Ti不被大量氧化燒損。當TiO2含量為3%左右時，渣系能較好地控制Ti氧化效果。優化后渣系主要組元的化學成分如表4所示。其次，為了更有效地控制鋼中鋁、鈦的燒損和波動范圍，保證熔鑄產品的化學成分，降低渣中氧含量，真空熔煉及電渣重熔過程加入適量的脫氧劑鋁粒進行擴散脫氧。它既是脫氧劑，又是還原劑，可以提高渣池中Al含量。可以利用Al的活潑性減少鋁、鈦的燒損，Al與不穩定變價氧化物的反應可去除渣池中變價氧化物，降低金屬熔池中氧的濃度，使得電渣重熔后鋼錠鋁、鈦的含量更加均勻，重熔過程出現增鈦情況。

可在真空熔煉過程中加入鋁，也可在電渣重熔過程中連續加入鋁，分批均勻加入渣池表面，降低渣中氧的相對化學勢，降低鋁、鈦燒損量。但是，要防止加入過多，影響鋼的成分，原則是勤加少加，這樣擴散脫氧的效果較好。考慮母材電極易氧化元素Al與Ti含量、不穩定氧化物多少、脫氧情況等，可按噸鋼0.2～0.3 kg加入鋁粒。鋁粒補加量由少到多，隨電渣重熔過程逐漸增加，用以減弱Ti的燒損趨勢，達到電渣錠頭部、尾部Ti分布均勻的效果，明顯地改善Ti分布不均勻的狀況。

3.1.2 自耗電極質量的控制

電極錠表面有氧化鐵皮或鐵銹時，鋼中Al燒損明顯。真空錠精整后，縮孔內的殘留乳化液含有較多的水分和氫化物，受縮孔深度影響，不易排出，不處理會造成氧氫含量超標。所以，根據產品質量要求對真空錠表面進行扒皮、拋丸或打磨處理，達到除銹和除氧化鐵皮的目的。真空錠精整后，縮孔端倒置時間應大于30 min，高壓氮氣吹掃清除孔內殘留物，最后擱置在烘烤爐車的斜架上進行預熱烘烤。烘烤溫度隨時間的變化如表5所示。總體來看，保證電極的良好脫氧、表面除銹及嚴格執行烘烤工藝是控制鋁鈦燒損的主要措施。

3.2 母材真空錠鋁、鈦成分的控制

電渣錠鋁、鈦成分燒損量穩定后，母材真空錠的鋁、鈦成分控制要求更高。確定真空錠化學成分控制目標時，必須考慮鋁、鈦在真空、電渣工序的收率和增加量。以產品的標準成分為基礎，加上易氧化元素鋁、鈦的變量，最終確定各工序控制成分范圍，如表6所示。真空錠中鋁、鈦的實際成分含量普遍低于計算成分含量，真空熔煉過程受真空度、精煉時間和加料時機等的影響，收率低于100%。真空工序通過總結多爐生產數據優化工藝，真空度控制在0.5～

1.0 Pa，精煉時間控制在30～45 min，精煉溫度控制在液相線溫度+100 ℃，采取停電降溫結膜后加鋁鈦工藝，減少鋁、鈦的揮發與氧化，相比投產初期，鋁、鈦含量平均值波動范圍均有所擴大，內控達標率超過85%，實現鋁、鈦成分的精準控制，為電渣爐提高優質母材。

4 實施效果

項目運行4個多月，抽取鋁、鈦成分控制技術實施后的5爐H80A鋼成分控制數據，如表7所示。數據顯示，真空工序鋁回收率提高2.34%，鈦回收率提高2.98%；電渣重熔后，鋁平均燒損率降至0.11%；鈦未燒損，反而增加0.12%。經合計，噸鋼少加鋁粒

1.77 kg，少加鈦棒2.58 kg。鋁控制偏差±0.025%的爐數比例達到88%，鈦控制偏差±0.03%的爐數比例超過90%，燒損率大幅降低且穩定，提升效果明顯。綜上，在電渣重熔過程中，由于電極中鋁鈦元素燒損的有效控制，H80A鋼電渣錠中鋁鈦元素含量符合控制要求，分布更加均勻。

5 結論

經實踐驗證，優化電渣爐重熔工藝，調整輔助渣料成分，添加脫氧劑降低渣中氧的相對化學勢，對母材的表面質量和內在成分進行控制，易氧化元素鋁鈦的燒損得到有效控制，真空熔煉與電渣重熔工序根據鋁鈦揮發氧化的燒損量分別制定目標成分控制標準。優化措施實施后，H80A鋼質量大幅提升，產品得到客戶認可。

參考文獻

1 姜周華，董艷武，耿 鑫.電渣冶金學[M].北京：科學出版社，2015：47-48.

2 尹 彬.Inconel718高溫合金電渣重熔過程中鋁、鈦元素的燒損控制[D].鞍山：遼寧科技大學，2019：10-11.