镍基高温合金的超纯冶炼方法 【技术领域】
本发明涉及真空冶炼技术，具体地说是一种采用普通原料实现低气体及碳含量的镍基高温合金的超纯冶炼方法。
背景技术
合金中的气体会使合金产生气孔和疏松，而气孔和疏松通常会成为合金断裂裂纹源。因此，降低合金气体含量是提高高温合金强度的一种重要手段。对于一些镍基高温合金来说，碳化物为有害相，过多的碳化物会危害合金性能，因此需要发明一种同时降低气体含量与碳含量的超纯冶炼方法。
传统高温合金真空冶炼工艺时通常采用加碳的方法来脱氧。要冶炼低碳的高温合金，需要在脱氧的同时脱碳，这就要求延长精炼时间、提高精炼温度，但会因此造成某些真空下易挥发元素难以控制，而且脱碳、脱气效果并不理想，气体含量无法降到期望的水平，低碳与低气体含量更是无法兼顾。按照传统工艺，还可以通过选用高纯原料来实现低气体及碳含量的目的，但会大大提高冶炼成本。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种保证低成本的同时实现低碳含量和低气体含量的镍基高温合金的超纯冶炼方法。
为实现以上目的，本发明的技术方案是：
1)脱气处理：对高温合金元素进行化清后提温至1600～1650℃高温精炼15～20分，停电冷凝透，然后提温至1490～1540℃低温精炼20～30分，低温精炼结束后提温至1500～1550℃浇注成铸锭备用。
2)采用上述经脱气处理的元素为原料冶炼镍基高温合金：化清后提温至1490～1540℃低温精炼15～20分，停电冷凝透，提温至1500～1550℃浇注，即可获得低碳含量和低气体含量的镍基高温合金。
其中：对镍、钴单质合金元素在脱气处理时分别加入0.01～0.02％碳；对铬、钨单质合金元素，在脱气处理时分别加入40～60％镍。
本发明具有如下优点：
1.具有低气体含量及低碳含量兼有的特点。本发明通过合理的原材料处理工艺(即：原材料的处理及合金冶炼期间均有一个冷凝透的过程)，使得合金元素具有更低的气体含量，一般氧、氮含量均可达5ppm以下；本发明在合金冶炼期间不加碳，使得合金具有更低地碳含量，一般可达30ppm以下。
2.具有低成本特点。本发明由于采用普通原料大大降低了冶炼成本。
3.本发明合金冶炼的精炼温度低、精炼时间短使合金成分易于控制。
4.本发明主要应用于同时要求低碳及低气体含量的镍基高温合金。
【附图说明】
图1为本发明镍、钴、镍铬、镍钨脱气处理工艺曲线。
图2为本发明的一个实施例一种Ni75-Co5-W6-Cr6-A16-Ti2实验镍基高温合金冶炼工艺曲线。
【具体实施方式】
下面结合实施例和附图详述本发明。
以一种Ni75-Co5-W6-Cr6-A16-Ti2实验镍基高温合金为实施例，首先对其中镍、钴、铬、钨进行如下脱气处理：
取电解镍、电解钴分别加入0.015％碳化清后提温至1600℃高温精炼15分，停电冷凝透，然后提温至1490℃低温精炼20分，低温精炼结束后提温至1500℃浇注成铸锭备用。参见图1工艺曲线。
取电解铬、钨条分别加入50％电解镍化清后提温至1650℃高温精炼20分，停电冷凝透，然后提温至1540℃低温精炼30分，低温精炼结束后提温至1550℃分别浇注成镍铬、镍钨二元合金铸锭备用。参见图1工艺曲线。
本发明脱碳、脱气原理：
本发明脱碳及精炼期脱氧均为高温下碳还原金属氧化物，既发生布多尔反应，其过程可用下列反应式表示：
(1)
(2)
(3)
即包括CO还原MeO及碳的气化两个步骤。
冷凝透过程脱气原理如下，在溶解度范围内气体以原子状态单独溶解于金属中，气体在金属中的标准溶解自由能(以氧为例)可用下式表示：
ΔGT0=ΔH2980-TΔS2980=A+BT---(4)]]>
即：
logC0=12logPO2-A′T-B′---(5)]]>
式中：
A′=A2.303R=ΔH29802.303R]]>
B′=B2.303R=-ΔS29802.303R]]>
由式(5)可以看出，氧在合金中溶解浓度决定于系统内氧的分压，因此降低系统压力(即抽真空)即能降低氧在合金中的溶解度。此外，由于氧在合金中的溶解过程为吸热反应，温度降低亦可降低氧在合金中的溶解度。同理，降低系统压力、温度可降低氮等其它气体在合金中的溶解度。本发明的工艺在冷凝过程中，合金温度不断降低，系统压力也不断降低，从而使气体含量不断降低，达到脱气的目的。
采用以上方法处理过原材料气体含量明显降低，表1为几种原材料处理前后气体含量比较。
表1.几种原材料处理前后气体含量比较 Ni Ni-Cr Co Ni-W O(ppm) N(ppm) O(ppm) N(ppm) O(ppm)N(ppm)O(ppm)N(ppm)处理前 42 1 328 1199 8010285处理后 7 1 77 74 101122
原材料经脱气处理以后就可以用来冶炼本实施例所采用的一种Ni75-Co5-W6-Cr6-A16-Ti2实验镍基高温合金，具体冶炼过程如下：
按合金成分取经脱气处理的镍63％、钴5％、镍铬12％、镍钨12％再加入铝6％、钛2％化清后提温至1500℃低温精炼20分，停电冷凝透，提温至1550℃浇注，即可获得低碳含量和低气体含量的镍基高温合金。参见图1工艺曲线。表2为对本实施例合金分别采用本发明工艺与传统工艺进行冶炼时气体及含碳量比较。
表2.本发明工艺与传统工艺结果比较 C(ppm) O(ppm) N(ppm) 本发明 25 4 3 传统工艺 150 15 10
可见采用本发明可以实现低成本下同时降低碳含量和气体含量的目的。