高溫合金冶煉 -高溫合金冶煉

通過高溫使組成高溫合金材料的原材料熔融成合金的方法，是高溫合金材料制備工藝之一。高溫合金材料主要應(yīng)用于航空和航天器的關(guān)鍵部件上，對材料要求較高。另外，高溫合金的組元多，含有大量易氧化元素，對雜質(zhì)元素和氣體含量要求非常嚴(yán)格。因此，在冶煉高溫合金時(shí)，必須選用精料，即原料中的硫、磷、鉛、錫、砷、銻、鉍和氣體含量要低，且無銹無油污；原料和輔料都要經(jīng)過烘烤，保證水分較低；還要選擇合適的冶煉工藝，以保證材料的質(zhì)量。

簡史20世紀(jì)30～40年代，高溫合金材料大多采用電弧爐或非真空感應(yīng)爐單煉、普通鑄錠工藝。這類冶煉工藝的優(yōu)點(diǎn)是爐熔批量大，設(shè)備費(fèi)用少，比較經(jīng)濟(jì)，高堿性渣脫硫效果好，可以使用返回料等。但是大氣熔煉的主要缺點(diǎn)是：合金成分(特別是一些較活潑元素)由于燒損而不易控制；合金的氣體含量較高，脫氧產(chǎn)物大量殘留在鋼中，爐襯和盛鋼桶的耐火材料使合金受到污染；澆注過程中還發(fā)生二次氧化，在鋼中形成夾雜、氣泡等缺陷。因此，這類大氣單煉工藝僅在早期低牌號高溫合金(如中國牌號G112036、GH3030、GHll40、GH2132等)曾經(jīng)采用過。

20世紀(jì)50年代以來，由于航空噴氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展，對材質(zhì)提出了較高的要求，廣泛地采用真空冶煉技術(shù)。真空感應(yīng)爐熔煉的主要特點(diǎn)是，冶煉在真空下進(jìn)行，能嚴(yán)格控制合金中的活潑元素(如鋁、鈦等)。真空冶煉創(chuàng)造了良好的去氣條件，合金中的氫、氧、氮和夾雜物的含量低，有害雜質(zhì)鉛、鉍、砷、銻等在真空中可以揮發(fā)，使合金得到提純。GH4049、GHl51(中國)等合金就曾采用此工藝。真空感應(yīng)爐冶煉也有不足之處：冶煉時(shí)使用坩堝，因此耐火材料就成為污染合金的來源。采用普通注錠工藝，鋼錠的縮孔和疏松是不可避免的。鋼錠在凝固時(shí)結(jié)晶緩慢，造成鋼錠內(nèi)部結(jié)晶組織和成分不均，垂直鋼錠表面的結(jié)晶組織不利于熱加工。

60年代初，高溫合金材料生產(chǎn)中已大多采用二次重熔工藝。主要的二次重熔設(shè)備有電渣爐和真空白耗爐。

二次重熔工藝有電渣重熔和真空白耗重熔等。

(1)高溫合金電渣重熔。是將一次單煉澆注的電極利用電流通過渣層產(chǎn)生電阻熱進(jìn)行二次熔煉。由于金屬電極呈薄層形式熔化，金屬熔滴與熔渣接觸的比表面特別大，熔池的溫度高達(dá)1800℃以上，保證了金屬液與溶渣充分強(qiáng)烈作用，金屬材料被有效地精煉，氣體、雜質(zhì)和非金屬夾雜物被大量去除。由于結(jié)晶器水冷的作用，結(jié)晶速度快，減少了偏析。結(jié)晶過程中不斷有液態(tài)金屬補(bǔ)充，消除了鋼錠中心疏松和減小頭部的縮孔。適當(dāng)調(diào)整和控制冶煉工藝，能得到自下而上沿軸向的柱狀晶，可以改善鋼錠的熱加工性，這對于難變形的高溫合金尤為重要。

(2)高溫合金真空自耗重熔。是將一次單煉的電極作為負(fù)極置于真空系統(tǒng)中，水冷結(jié)晶器作為正極，通以低壓直流電，利用電弧放出的熱量使電極熔化，達(dá)到進(jìn)一步精煉的目的。在電極熔化的同時(shí)，金屬液在水冷結(jié)晶器內(nèi)結(jié)晶，成為重熔的鋼錠。重熔金屬的純度和鋼錠的結(jié)晶組織，基本上與電渣重熔工藝相同，但真空白耗重熔的去氣條件好一些，含鋁、鈦合金的成分均勻性容易保證。

根據(jù)工廠的設(shè)備條件和鋼種特點(diǎn)，有各種不同的雙聯(lián)冶煉配合，形成不同的工藝路線。GH3039、GH3044、GH4033、GH2132和GH2135等合金，曾采用電弧爐加真空白耗爐雙聯(lián)工藝。GH2036、GH4033、GH2132和GHll40等合金，曾采用電弧爐加電渣爐雙聯(lián)工藝。GH2135、GH4049、GH4037和GH2130等合金，采用真空感應(yīng)爐加電渣爐雙聯(lián)工藝。GH4133、G11698、GH220和GH4169等合金，采用真空感應(yīng)爐加真空白耗爐雙聯(lián)工藝。有些高溫合金的技術(shù)條件中規(guī)定，在冶煉母合金和二次重熔兩個(gè)工序中，應(yīng)有一個(gè)工序采用真空冶煉，以達(dá)到降低氣體含量。

(3)其他。除上述冶煉工藝外，還有懸浮爐熔煉。真空下用感應(yīng)加熱，爐料與特制的水冷銅坩堝不接觸，懸浮著熔化和精煉。由于整個(gè)熔煉過程不接觸耐火材料，合金的純度特別高。TiAl等金屬間化合物中鋁、鈦元素十分活潑，容易與坩堝的耐火材料起反應(yīng)，必須采用此工藝冶煉。此外，還有電子束爐熔煉、等離子爐熔煉等新工藝。利用高速電子或等離子轟擊母材產(chǎn)生熱量進(jìn)行重熔。此類熔煉工藝的真空度較高，又能較好地控制熔化和結(jié)晶過程，因此去除氣體、夾雜物及有害雜質(zhì)的效果比真空白耗重熔好。但是，設(shè)備和生產(chǎn)費(fèi)用較高，易揮發(fā)元素的控制等問題尚未完全解決，所以此類工藝在高溫合金中使用得還少。