本發明屬于高溫合金冶煉技術領域，具體涉及一種鎳基高溫合金多級脫氧真空感應熔煉方法。
背景技術：
氧作為鎳基高溫合金中有害雜質元素，易與親氧的金屬元素形成氧化物夾雜。這些高熔點的氧化物夾雜不僅消耗了一部分合金元素，而且在以后的熔煉或熱處理過程中很難消除并且在鎳基高溫合金服役過程中易成為裂紋的萌生源和裂紋的擴展通道，降低高溫合金的持久、疲勞和蠕變性能。研究表明，當氧含量降低到50ppm以下時，高溫合金的斷裂壽命顯著提高。因此，需要對高溫合金液進行脫氧處理，以降低鎳基高溫合金的氧含量，從而提高高溫合金的性能。而真空感應熔煉作為鎳基高溫合金的第一道熔煉工序，對脫氧有著至關重要的作用。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種鎳基高溫合金多級脫氧真空感應熔煉方法，用以降低鎳基高溫合金注定中的氧含量。
本發明所采用的技術方案是：一種鎳基高溫合金多級脫氧真空感應熔煉方法，具體包括以下步驟：
步驟1，將鎳基高溫合金的原材料進行分類，分類標準為原材料中氧元素含量的高低、原材料中主體元素對氧元素的親和力強弱以及主體元素對碳元素在熔體中活度的影響；
步驟2，按照原料分類分別對原料依次進行三級脫氧熔煉和精煉；
步驟3，三次精煉后，對爐室充氬氣至≥10000Pa并加入微量元素和低熔點合金元素，然后進行電磁攪拌一定時間后將溫度調到澆注溫度設定范圍內澆注。
本發明的特點還在于，
步驟2具體為：將碳與氧元素含量較低以及主體元素對氧的親和力不強的原材料優先裝爐熔煉和精煉；然后將含有的主體元素能夠提高熔體中碳元素活度的原材料進行裝爐熔煉和精煉；最后加入對氧元素親和力較強且在熔煉過程中其氧化物能夠形成渣的原材料，對其進行熔煉和精煉。
對氧元素親和力較強且在熔煉過程中其氧化物能夠形成渣的原材料為Al和Ti。
一級精煉溫度為1490-1510℃，精煉時間為30-40分鐘。
二級精煉溫度為1480-1500℃，精煉時間為20-30分鐘。
三級精煉溫度為1460-1480℃，精煉時間為20-30分鐘。
熔煉和精煉過程中真空度小于0.1Pa。
精煉過程中施加電磁攪拌，以促進熔體的脫氣過程。
本發明的有益效果是，
1.本發明為鎳基高溫合金在冶煉過程中降低氧含量提供了一種新工藝，可以有效去除鎳基高溫合金中的氧元素。
2.本發明操作簡單，可行性高，應用范圍廣。
3.本發明為鎳基高溫合金冶煉過程中其他雜質元素的去除提供了一個可行且高效的方法。基于本發明可以有效提高鎳基高溫合金的純凈度，可以有效提高鎳基高溫合金的性能。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明一種鎳基高溫合金多級脫氧真空感應熔煉方法，第一級脫氧主要是將與氧元素親和力較低的原材料中的氧元素通過碳與氧反應形成一氧化碳而去除，第二級脫氧主要是添加能夠提高碳元素在高溫合金熔體中活度的原材料進一步促進碳的脫氧反應，第三級脫氧主要是添加易于氧元素在熔體中形成渣的原材料進行深度脫氧。本發明的脫氧過程在精煉過程中進行，在此過程中通過電磁攪拌的方法促進脫氧劑與氧元素的反應。具體包括以下步驟：
步驟1，將鎳基高溫合金的原材料進行分類，分類標準為原材料中氧元素含量的高低、原材料中主體元素對氧元素的親和力強弱以及主體元素對碳元素在熔體中活度的影響；
步驟2，將碳與氧元素含量較低以及主體元素對氧的親和力不強的原材料優先裝爐熔煉和精煉；然后將含有的主體元素能夠提高熔體中碳元素活度的原材料進行裝爐熔煉和精煉；最后加入對氧元素親和力較強且在熔煉過程中其氧化物能夠形成渣的原材料，對其進行熔煉和精煉；
一級精煉溫度為1490-1510℃，精煉時間為30-40分鐘。
二級精煉溫度為1480-1500℃，精煉時間為20-30分鐘。
三級精煉溫度為1460-1480℃，精煉時間為20-30分鐘。
熔煉和精煉過程中真空度小于0.1Pa。
精煉過程中施加電磁攪拌，以促進熔體的脫氣過程。
步驟3，三次精煉后，對爐室充氬氣(≥10000Pa)并加入微量元素和低熔點元素，然后進行電磁攪拌約5-15分鐘后將溫度調到澆注溫度設定范圍內澆注。
本發明在冶煉過程中，真空度維持在0.1Pa以下，并且在合適的精煉溫度下施加電磁攪拌使不同熔煉階段的脫氧劑與氧元素充分接觸反應除氧并且有利于渣聚集上浮，使得氧元素逐級減少。本發明在不需要加入非高溫合金組成元素的前提下，能夠有效降低高溫合金中的氧元素，操作簡單，方法適用范圍廣。
本發明設計原理如下：
為了減少合金元素與氧反應生成氧化物而消耗并且增加氧的脫除率，根據原材料中氧元素高低，合金元素對氧元素的親和力強弱和以及主體元素對碳元素在熔體中活度的影響，本發明采用分批次加料并且在較低的真空度下(小于0.1Pa)進行真空感應熔煉和精煉，對高溫合金液進行分級脫氧處理，在精煉過程中通過電磁攪拌作用促進氧元素的擴散、增大脫氣面積以及增加與脫氧劑的反應，從而促進氧元素含量的降低。
在高溫合金熔煉過程中氧元素的脫除效率不僅與爐室的真空度，原材料中的含氧量和脫氧劑的濃度有關，還與熔體中脫氧劑和氧的活度存在直接關系。高溫合金熔煉過程中的脫氧劑主要有碳和鋁。在一定真空度下，碳的初始脫氧效果較好，并且其氧化產物為一氧化碳，不會污染高溫合金，而鋁和原材料中的其他易氧化金屬元素與氧反應可能產生夾雜物對高溫合金性能不利。因此，需要對氧元素進行分級脫除，避免有利的親氧金屬元素形成氧化物夾雜而過度消耗。然而，當碳脫氧時高溫合金液中氧含量降低到約20ppm時，氧含量不能繼續降低，此時氧的脫除主要受控于動力學過程，一些金屬元素能夠提高碳或氧的活度促進碳的脫氧反應進行，比如鉻能夠提高碳在高溫合金熔體中的活度，此時加鉻能夠促進碳脫氧。在脫氧后期碳和氧反應達到平衡后，通過添加與氧親和力較大并且其氧化產物易形成渣并富集在坩鍋壁和熔體表面而去除的主體元素，比如鋁與氧反應以渣的形式脫除。因此，根據高溫合金熔煉過程中氧元素的含量高低，脫氧劑與氧的親和力強弱以及脫氧劑在高溫合金熔體中的活度大小，在高溫合金冶煉過程中實行多級脫氧。
實施例1
GH4720Li合金的真空感應熔煉。
步驟1，第一次裝爐
1.1將重量較多的原材料按照含氧元素高低以及主體元素與氧的親和力強弱分類：真空脫氣鉻(含氧330ppm)、NiW合金(含氧280ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、其他原材料含氧元素較低。由于真空脫氣鉻含氧元素最多，與氧的親和力較強，并且鉻元素能夠增加碳元素在熔體中的活度。因此先對NiMo和NiW合金進行冶煉脫氧，然后再加入真空脫氣Cr冶煉脫氧。
1.2將電解鎳、電解鈷、真空脫氣鉻等表面進行滾磨處理，處理完后表面呈金屬金屬亮色，然后與鎳鉬合金、鎳鎢合金、海綿鈦和純鋁原材料在100℃下進行48小時干燥。
1.3在坩堝中從下到上依次裝入80％Ni、全部Co、全部C、全部NiMo、全部NiW、20％Ni。
步驟2，第一次熔煉和精煉
2.1對真空感應熔煉爐抽空，當真空度小于0.1Pa時，開始送電熔煉。熔煉的初始功率為100kw呈階梯狀緩慢升高至450kw，經過一段時間的熔煉后所加原材料熔清，并且熔體表面沒有出現沸騰狀。
2.2進入第一次精煉期，調節精煉溫度為1510℃，然后將功率降至100kw在精煉溫度保溫40分鐘后第一次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進碳與氧氣的反應并且使真空度小于0.1Pa。
步驟3，第二次裝爐
第一次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結膜，然后通過料倉加入真空脫氣鉻。
步驟4，第二次熔煉和精煉
4.1待真空脫氣鉻加完后，將功率升高至500kw，經過一段時間的熔煉后熔清且熔體表面未發現沸騰。
4.2進入第二次精煉期，調節精煉溫度為1500℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫30分鐘后第二次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進熔體的脫氣過程并且使真空度小于0.1Pa。
步驟5，第三次裝爐
第二次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結膜，然后通過料倉加入Ti和Al。
步驟6，第三次熔煉和精煉
6.1待Al和Ti加完后，將功率升高至200kw，經過一段時間的熔煉后熔清且熔體表面未發現沸騰。
6.2進入第三次精煉期，調節精煉溫度為1480℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫30分鐘后第三次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進熔體的脫氣過程并且使真空度小于0.1Pa。
步驟7，澆注
三次精煉結束后，將功率調到100kw保溫，充氬氣到20000Pa，然后加入NiB、Zr和NiMg，經過15分鐘的電磁攪拌，微量合金全部熔化后將溫度調到1480℃澆注。
實施例2
GH4698合金的真空感應熔煉。
步驟1，第一次裝爐
1.1將重量較多的原材料按照含氧元素高低以及主體元素與氧的親和力強弱分類：NiNb合金(含氧840ppm)、真空脫氣鉻(含氧330ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、其他原材料含氧元素較低。由于NiNb合金含氧元素最多，真空脫氣鉻中氧元素含量次之，鉻元素與氧的親和力較強，并且能夠增加碳元素在熔體中的活度。而且NiMo合金含氧較少，與氧的親和力不高，因此先加入NiMo合金進行熔煉脫氧，然后再加入真空脫氣鉻和NiNb合金熔煉脫氧。
1.2將電解鎳、NiMo合金、真空脫氣鉻等表面進行滾磨處理，處理完后表面呈金屬金屬亮色，然后與鎳鈮合金、海綿鈦和純鋁原材料在100℃下進行48小時干燥。
1.3在坩堝中從下到上依次裝入80％Ni、全部C、全部NiMo和20％Ni。
步驟2，第一次熔煉和精煉
2.1對真空感應熔煉爐抽空，當真空度小于0.1Pa時，開始送電熔煉。熔煉的初始功率為100kw呈階梯狀緩慢升高至400kw，經過一段時間的熔煉后所加原材料熔清，并且熔體表面沒有出現沸騰狀。
2.2進入第一次精煉期，調節精煉溫度為1490℃，然后將功率降至100kw在精煉溫度保溫30分鐘后第一次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進碳與氧氣的反應并且使真空度小于0.1Pa。
步驟3，第二次裝爐
第一次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結膜，然后通過料倉加入真空脫氣鉻和NiNb合金。
步驟4，第二次熔煉和精煉
4.1待真空脫氣鉻加完后，將功率升高至500kw，經過一段時間的熔煉后熔清且熔體表面未發現沸騰。
4.2進入第二次精煉期，調節精煉溫度為1480℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫25分鐘后第二次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進熔體的脫氣過程并且使真空度小于0.1Pa。
步驟5，第三次裝爐
第二次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結膜，然后通過料倉加入Al和Ti。
步驟6，第三次熔煉和精煉
6.1待Al和Ti加完后，將功率升高至200kw，經過一段時間的熔煉后熔清且熔體表面未發現沸騰。
6.2進入第三次精煉期，調節精煉溫度為1470℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫25分鐘后第三次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進熔體的脫氣過程并且使真空度小于0.1Pa。
步驟7，澆注
三次精煉結束后，將功率調到100kw保溫，充氬氣到20000Pa，然后加入NiB、Zr、NiMg和Ce，經過15分鐘的電磁攪拌，微量合金全部熔化后將溫度調到1470℃澆注。
實施例3
GH4169合金的真空感應熔煉。
步驟1，第一次裝爐
1.1將重量較多的原材料按照含氧元素高低以及主體元素與氧的親和力強弱分類：NiNb合金(含氧840ppm)、真空脫氣鉻(含氧330ppm)、NiMo合金(含氧210ppm)、純Fe(含氧200ppm)、其他原材料含氧元素較低。由于NiNb合金氧元素最多，真空脫氣鉻中氧元素含量次之，鉻元素與氧的親和力較強，并且能夠增加碳元素在熔體中的活度。而且NiMo合金和純鐵含氧較少，初始階段加C比較容易將NiMo合金和純鐵中的氧元素除去，因此先加入NiMo合金和純鐵進行熔煉脫氧，然后再加入真空脫氣鉻和NiNb合金熔煉脫氧。
1.2將電解鎳、NiMo合金、純Fe和真空脫氣鉻等表面進行滾磨處理，處理完后表面呈金屬金屬亮色，然后與鎳鈮合金、海綿鈦和純鋁原材料在100℃下進行48小時干燥。
1.3在坩堝中從下到上依次裝入80％Ni、全部純Fe、全部C、全部Co、全部NiMo和20％Ni。
步驟2，第一次熔煉和精煉
2.1對真空感應熔煉爐抽空，當真空度小于0.1Pa時，開始送電熔煉。熔煉的初始功率為100kw呈階梯狀緩慢升高至400kw，經過一段時間的熔煉后所加原材料熔清，并且熔體表面沒有出現沸騰狀。
2.2進入第一次精煉期，調節精煉溫度為1500℃，然后將功率降至100kw在精煉溫度保溫35分鐘后第一次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進碳與氧氣的反應并且使真空度小于0.1Pa。
步驟3，第二次裝爐
第一次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結膜，然后通過料倉加入真空脫氣鉻和NiNb合金。
步驟4，第二次熔煉和精煉
4.1待真空脫氣鉻加完后，將功率升高至500kw，經過一段時間的熔煉后熔清且熔體表面未發現沸騰。
4.2進入第二次精煉期，調節精煉溫度為1490℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫20分鐘后第二次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進熔體的脫氣過程并且使真空度小于0.1Pa。
步驟5，第三次裝爐
第二次精煉完成并取樣后，爐子斷電使熔體表面結膜，然后通過料倉加入Al和Ti。
步驟6，第三次熔煉和精煉
6.1待Al和Ti加完后，將功率升高至150kw，經過一段時間的熔煉后熔清且熔體表面未發現沸騰。
6.2進入第三次精煉期，調節精煉溫度為1460℃，然后將功率降至100kw至精煉溫度保溫20分鐘后第三次取樣，精煉過程中施加電磁攪拌促進熔體的脫氣過程并且使真空度小于0.1Pa。
步驟7，澆注
三次精煉結束后，將功率調到100kw保溫，充氬氣到20000Pa，然后加入NiB、Mn、NiMg和NiP，經過15分鐘的電磁攪拌，微量合金全部熔化后將溫度調到1460℃澆注。
采用本發明方法對不同牌號的鎳基高溫合金GH4698、GH4720和GH4169進行真空感應熔煉，逐級降低了熔體中的氧含量，具體結果見下表。