一种用于高温合金纯净化冶炼的稀土元素控制方法

技术领域

本发明涉及高温合金母合金纯净化冶炼技术领域，具体涉及一种用于高温合金纯净化冶炼的稀土元素控制方法。

背景技术

高温合金具有优异的高温抗氧化性和力学性能，常被用于制造超高温环境下工作的涡轮、燃气轮等发动机的关键结构件。研究表明，合金冶炼间，当钢液中的O、N、S等气体元素含量较高时，容易导致合金在凝固期间析出细小的非金属夹杂物，具有一定的组织遗传性，可遗留到合金铸件中，严重影响其使用性能。因此，先进高温合金中的气体元素含量控制往往要求极其严格，合金的纯净化冶炼技术也受到世界材料研究工作者的日益重视。目前高温合金的生产主要采用真空感应炉，虽然能够避免合金熔炼期间钢液与空气发生反应，但原料单质的纯净度较低以及熔炼期间钢液与耐火材料发生反应仍是导致镍基高温合金中气体含量难以进一步降低的主要原因。虽然使用高纯净度原材料和稳定性较高的耐火材料降低合金产品中的气体含量，但这两种方式势必将大大提高合金的生产成本，不利于大规模生产。

研究表明，在合金中添加少量稀土元素具有净化合金晶界、提高合金的纯净化程度的作用，并且能够大幅度改善合金的力学性能，因此，目前常将稀土元素作为合金冶炼期间的深度脱氧剂。但稀土元素在冶炼期间的添加时机较难掌握，过早或过晚加入均不能完全发挥出稀土元素的深度净化作用。而由于稀土元素的化学性质活泼，当合金中的稀土含量超过0.2％，或稀土元素未完全以固溶原子的形式存在于母合金中时，不仅容易引起合金在重熔期间发生二次氧化，产生大量浮渣，还容易导致浇铸期间发生“粘砂”现象。因此，当合金的设计成分中存在少量稀土元素时，如何准确控制合金中的稀土元素含量，并降低含稀土元素的母合金重熔期间的浮渣含量，是亟需解决的关键问题。

我国是稀土元素的生产大国，稀土储备量和出口量均为世界第一，但我国的高温合金生产技术与发达国家相比还存在较大差距，因此，通过设计一种用于高温合金纯净化冶炼的稀土元素控制方法，提高稀土元素的利用率，不仅有助于提高高温合金的纯净化程度，更有助于推动我国含稀土合金的发展，对合金冶炼技术发展具有重要的社会意义和经济意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种用于高温合金纯净化冶炼的稀土元素控制方法。该方法能够达到准确控制稀土元素含量的效果，并可显著降低重熔期间的浮渣含量，提高了母合金的纯净度。

为实现上述目的，本发明采用的技术解决方案是：

一种用于高温合金纯净化冶炼的稀土元素控制方法，该方法是在冶炼高温合金的过程中加入稀土中间合金，以避免原料存放期间产生的氧化，以及降低冶炼期间的稀土元素烧损率；所述稀土中间合金为Ni-Ce中间合金、Al-Y中间合金和Al-La中间合金中的一种或几种。

冶炼高温合金的过程中，根据公式(1)-(2)计算合金原料的供氧、供硫量；

公式(1)-(2)中，i表示冶炼高温合金的第i种原料(i＝1、2、……、n，n为原料数量)；C

所述冶炼高温合金的过程包括如下步骤：

(1)按照高温合金化学成分准备合金原料，稀土元素以稀土中间合金的方式准备；

(2)将不含Al和稀土中间合金的合金原料加入真空感应熔炼炉熔化，进行高温精炼；

(3)高温精炼后降温，降温过程中加入稀土中间合金、Al金属和剩余合金原料；降至低温精炼温度后进行低温精炼；

(4)合金熔体浇注为母合金锭。

上述冶炼高温合金的过程中，稀土元素的添加时机取决于加入稀土的目的性。

若添加稀土的主要目的为纯净化，则稀土元素需在高温精炼后并降温至比低温精炼温度高出10～20℃时添加，并按照公式(3)计算的重量含量添加稀土元素，即可达到深度纯净化的效果，并保证获得产品合金中的O含量低于6ppm，N含量低于5ppm，S含量低于1ppm，稀土元素含量低于10ppm，既保证了合金的纯净度，又保证了合金中稀土残留量极低，避免了重熔期间的二次氧化。

公式(3)中，C

若稀土元素为目标合金中的成分要求，则稀土元素需在高温精炼后，且钢液温度高于低温精炼点40～70℃时添加，或在加入Al单质后加入，加入含量依稀土元素种类而定。当稀土元素为目标合金中的成分要求，稀土元素的加入量按如下公式(4)-(6)计算；

公式(4)-(6)中，c

本发明具有的优点和积极效果是：

与原有工艺相比，不仅提高了母合金的纯净度，将O、N、S等气体元素的含量降到极低水平，又能够达到准确控制稀土元素含量的效果，并可显著降低重熔期间的浮渣含量，提高了母合金的纯净度。本发明适用于绝大多数高温合金冶炼期间的多种稀土元素添加控制，并可根据实际需要选择添加稀土的种类，灵活多变，实用性强。

具体实施方式

本发明提出的稀土元素添加与控制方法包括以下步骤：

(1)根据需要，按照公式(1)或公式(2)～(4)设计所需添加的稀土种类和含量，并用铝箔或镍箔包裹备用；

(2)若添加稀土元素的主要目的为深度脱氧时，可待熔体经高温精炼并降温至高于低温精炼点10～20℃时加入稀土元素原料，随后进行低温精炼并浇注，得到产品母合金；

(3)若稀土元素为目标合金成分要求时，则可待熔体经高温精炼并降温至高于低温精炼点40～70℃，或加入Al单质后加入，并保温1～10min，保温时间随投炉料质量变化，根据经验，保温时间与投炉料的关系如表1：

表1不同投炉料质量对应的保温时间

待熔体表面稳定后降温至低温精炼点进行低温精炼并浇注，得到产品母合金。

实施例1：

冶炼母合金牌号K417G，冶炼质量10kg，加入稀土元素Y，目的为降低合金中的O含量。

计算出母合金中的原料单质的O含量约为146ppm、S含量约为39ppm，根据公式(3)计算出所需添加的Al-Y中间合金(中间合金中Y含量28.8wt.％)含量约为51ppm，即0.005wt.％，并采用镍箔包好备用。

合金制备工艺(真空感应炉，真空度高于10

(1)高温精炼：1500℃×10min；

(2)待熔体温度降至1390℃附近时，加入Al、Ti、B、Zr等元素，并提高熔体温度至1450℃，待液面稳定后静置1min后降温；

(3)待熔体温度降至1420℃时加入Al-Y中间合金，保温1min；

(4)低温精炼：1400℃×5min；

(5)浇注温度：1430℃。

采用本方法获得的产品母合金中O、N、S以及重熔期间的浮渣含量与传统工艺对比如表2：

表2

实施例2

冶炼合金牌号K465，冶炼质量500kg，加入稀土元素Y和Ce，目的为获得0.002wt.％Y、0.005wt.％Ce含量的母合金。

计算出母合金中原料单质的O含量约为101ppm，S含量约为32ppm，根据公式(4)-(5)计算出添加的Al-Y中间合金(Y含量28.8wt.％)、Ni-Ce中间合金(Ce含量20.0wt.％)分别为0.016wt.％和0.042wt.％，并采用镍箔包好备用。

合金制备工艺(真空感应炉，真空度高于10

(1)高温精炼：1530℃×40min；

(2)待熔体温度降至1400℃附近时，加入Al元素，并升温至1460℃；

(3)待熔体液面稳定后加入Al-Y、Ni-Ce，保温5min；

(4)加入Zr、B；

(5)低温精炼：1410℃×30min；

(6)浇铸温度：1430℃。

采用本方法获得的产品母合金中O、N、S、Y、Ce以及重熔期间的浮渣含量与其他工艺对比如表3：

表3