一种双重真空自耗电弧熔炼制备无冶金缺陷高温合金铸锭的方法及应用与流程

本发明属于高端高温合金熔炼，涉及一种双重真空自耗电弧熔炼制备无冶金缺陷高温合金铸锭的方法及应用。

背景技术：

1、涡轮盘、轴作为航空发动机的核心承力转动部件，其材料性能，特别是高周疲劳性能和持久性能，直接决定了发动机的可靠性、寿命和安全边界。gh4169合金凭借其在宽温域内卓越的综合力学性能、优异的抗疲劳与抗腐蚀能力，成为制造此类部件的首选材料。

2、目前，真空感应熔炼（vim）+真空自耗电弧熔炼（var）或真空感应熔炼（vim）+电渣重熔（esr）+真空自耗电弧熔炼（var）是传统熔炼工艺，但均存在固有缺陷。一方面，真空感应熔炼（vim）+真空自耗电弧熔炼（var）工艺中，单次真空自耗电弧熔炼对微米级al2o3夹杂的去除效果有限；此外，为兼顾生产与熔炼稳定性，选取的熔速易造成熔池深度偏离合理区间——熔池过浅易产生白斑缺陷，对应γ'相形成元素贫乏区域；熔池过深则会出现黑斑，形成铌元素富集偏析区，极易诱发疲劳裂纹萌生。另一方面，真空感应熔炼（vim）+电渣重熔（esr）+真空自耗电弧熔炼（var）工艺中，电渣重熔采用s2059等渣系熔炼时，易代入含钙、氟类非金属夹杂，同时存在铝、钛等活性元素烧损的问题；此外，大规格铸锭的头尾成分极差更为显著，严重影响了材料的本征性能和成分控制精度。

3、因此，亟需开发一种双重真空自耗电弧熔炼制备无冶金缺陷高温合金铸锭的方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种双重真空自耗电弧熔炼制备无冶金缺陷高温合金铸锭的方法及应用，本发明提供了一种全真空、无渣系污染的三联熔炼工艺——真空感应熔炼（vim）+一级真空自耗电弧熔炼（var1）+二级真空自耗电弧熔炼（var2），其中，一级真空自耗电弧熔炼（var1）侧重铸锭的深度净化，二级真空自耗电弧熔炼（var2）侧重铸锭的组织优化，经两次真空自耗电弧熔炼参数的协同调控，所得铸锭纯净度高、组织均匀性优异，成分稳定且不存在冶金缺陷。

2、为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

3、第一方面，本发明采用了一种双重真空自耗电弧熔炼制备无冶金缺陷高温合金铸锭的方法，包括以下步骤：

4、步骤1：真空条件下，将ni、fe、cr、co、mo及镍铌中间合金完全熔化后进行精炼；精炼完成后升温，达到目标温度后加入al和ti，二者完全熔化后，维持所述目标温度恒定，再加入镍硼中间合金和镍磷中间合金；待合金化完成后取样检验，检验合格后，经浇注制得自耗电极；

5、步骤2：将所述自耗电极以第一熔炼速率进行一级真空自耗电弧熔炼，再以第二熔炼速率进行二级真空自耗电弧熔炼；所述二级真空自耗电弧熔炼末期，采用逐级递减电流方式进行热封顶，最终制得无冶金缺陷高温合金铸锭。

6、具体的，步骤1中，所述自耗电极在真空感应熔炼炉内制备而成。

7、具体的，步骤1中，在所述自耗电极制备全过程中，真空感应熔炼炉内的真空度优选为≤0.3pa。

8、具体的，ni、fe、cr、co、mo及镍铌中间合金完全熔化的温度为1400℃~1450℃。

9、具体的，所述精炼温度为1525~1535℃，时间优选为30~60min。

10、更具体的，本发明中，所述精炼温度为针对本发明目标合金体系及工艺路线确定的最优区间，在此温度范围内，可实现较好的脱气效果及其他工艺优势。

11、具体的，al和ti完全熔化的所述目标温度为1540~1550℃。

12、具体的，所述镍原料（ni）包括但不限于金属镍、镍珠；所述铁原料（fe）包括但不限于金属铁块；所述铬原料（cr）包括但不限于金属铬块；所述钴原料（co）包括但不限于钴板；所述钼原料（mo）包括但不限于钼条、钼板。

13、具体的，步骤1中，所述取样操作的具体步骤为：首先，维持精炼温度，将合金化结束后的合金液静置；随后对合金液取样，并利用荧光光谱仪检测成分，确认各元素含量在目标范围内。

14、更具体的，所述静置操作的时间优选为5min。

15、具体的，步骤1中，所述浇注操作的具体步骤为：降功率将合金液温度维持在工艺设定温度，随后浇注入预热完成的钢锭模内。

16、更具体的，所述工艺设定温度优选为1450~1470℃；预热完成后，所述钢锭模的温度优选为590~610℃。

17、具体的，步骤1制得的自耗电极头尾铌元素（nb）成分偏差≤0.05%。

18、进一步地，步骤2中，所述一级真空自耗电弧熔炼的真空度≤0.08 pa，第一熔炼速率为2.7~5.3 kg/min。

19、具体的，借助红外热成像监测，所述第一熔炼速率可将熔池深度稳定维持在铸锭直径的1/2左右，利于热量高效传递与夹杂物上浮去除。

20、具体的，所述一级真空自耗电弧熔炼过程中，当第一熔炼速率为2.7~5.3 kg/min时，对应的第一稳态熔炼电流为8.5~14 ka，第一熔炼电压为22~27v，且冷却水压力优选为0.45 mpa。

21、进一步地，所述一级真空自耗电弧熔炼过程中，当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ406mm时，第一熔炼速率为2.7~2.9 kg/min；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ508mm时，第一熔炼速率为3.9~4.1 kg/min；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ660mm时，第一熔炼速率为5.1~5.3 kg/min。

22、具体的，所述一级真空自耗电弧熔炼过程中，当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ406mm时，对应的第一稳态熔炼电流为8.5~9.0ka，第一熔炼电压为22~24v；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ508mm时，对应的第一稳态熔炼电流为10.4~10.6ka，第一熔炼电压为24~26v；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ660mm时，对应的第一稳态熔炼电流为13.5~14.0ka，第一熔炼电压为26~27v。

23、进一步地，步骤2中，所述二级真空自耗电弧熔炼的真空度≤0.03 pa，第二熔炼速率为2.1~3.9 kg/min。

24、具体的，借助红外热成像监测，所述第二熔炼速率可将熔池深度控制在铸锭直径的1/3，且熔池整体呈浅平形态。

25、具体的，所述二级真空自耗电弧熔炼过程中，当第二熔炼速率为2.1~3.9kg/min时，对应的第二稳态熔炼电流为6.8~10.8ka，第二熔炼电压为20~27v，且冷却水压力优选为0.45mpa。

26、进一步地，所述二级真空自耗电弧熔炼过程中，当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ406mm时，第二熔炼速率为2.1~2.3kg/min；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ508mm时，第二熔炼速率为2.9~3.1kg/min；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ660mm时，第二熔炼速率为3.7~3.9kg/min。

27、具体的，所述二级真空自耗电弧熔炼过程中，当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ406mm时，对应的第二稳态熔炼电流为6.8~7.2 ka，第二熔炼电压为20~22v；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ508mm时，对应的第二稳态熔炼电流为8.1~8.3ka，第二熔炼电压为20~22v；当无冶金缺陷高温合金铸锭直径为φ660mm时，对应的第二稳态熔炼电流为10.5~10.8ka，第二熔炼电压为26~27v。

28、进一步地，步骤2中，所述热封顶阶段，最终热封顶电流为第二稳态熔炼电流的40%~50%。

29、具体的，所述热封顶工艺能够减缓铸锭头部的冷却速率，确保在凝固过程中持续向收缩区域补给液相金属，进而完成动态补缩，避免内部形成缩孔与疏松，使铸锭头部组织均匀致密。

30、更具体的，所述热封顶的时间优选为2h。

31、第二方面，本发明公开了一种无冶金缺陷高温合金铸锭，该铸锭由上述第一方面所述的双重真空自耗电弧熔炼方法制备而成，其氧含量≤3.5ppm，氮含量≤4.0ppm，且枝晶间与枝晶干的铌元素偏析比≤1.20，所述无冶金缺陷高温合金铸锭头尾al、ti元素的极差≤0.03%。

32、第三方面，本发明公开了上述第一方面所述的双重真空自耗电弧熔炼制备无冶金缺陷高温合金铸锭的方法，以及第二方面所述的无冶金缺陷高温合金铸锭，在航空发动机及燃气轮机的核心承力转动部件中的应用。

33、具体的，所述核心承力转动部件包括航空发动机及燃气轮机涡轮盘、涡轮轴、压气机盘及机匣等关键部件。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、第一，本发明提出了一种双重真空自耗电弧熔炼制备无冶金缺陷高温合金铸锭的方法，其核心在于真空感应熔炼（vim）、一级真空自耗电弧熔炼（var1）及二级真空自耗电弧熔炼（var2）相互配合，有效协同。

36、首先，一级真空自耗电弧熔炼的熔炼速率为2.7~5.3kg/min，二级真空自耗电弧熔炼的熔炼速率为2.1~3.9kg/min，后者的熔炼速率远低于前者；此种特定低熔炼速率的设定，有助于形成浅平熔池并建立陡峭的温度梯度，从而确保二级真空自耗电弧熔炼过程中，一方面可显著抑制合金元素的微观偏析（nb偏析比≤1.20），另一方面可延长液态金属停留时长、减小夹杂物上浮距离，同时抑制熔池剧烈搅动，让微细夹杂物在浮力作用下平稳上浮，实现有效脱除。

37、其次，一级真空自耗电弧熔炼（var1）以粗净化为主要目的，初步去除熔体中大部分气体及大尺寸夹杂物；二级真空自耗电弧熔炼（var2）起到精扫荡作用，进一步剥离残余微细夹杂与残留气体。同时，整套工序在全真空环境下进行，从源头避免大气中的氧化物、尘埃等外来杂质混入熔体。依托上述两级真空自耗电弧熔炼的梯次净化，可使成品铸锭的氧含量不高于3.5ppm、氮含量不高于4.0ppm，且夹杂物等级表现优异，气体含量与夹杂物综合控制指标均达到行业最优水平。

38、最后，相对于传统两联工艺（vim+var），本发明通过增加一级真空自耗电弧熔炼，使末次重熔过程的熔池稳定性显著提高、成分均匀性改善，结合工艺的设计能够避免白斑冶金缺陷的出现。

39、第二，依托上述工艺生产的无冶金缺陷高温合金铸锭，内部无白斑、黑斑等凝固缺陷，且晶粒尺寸细小、轴向柱状晶组织均匀性良好。与传统三联工艺（vim+esr+var）相比，本发明有效规避了熔渣引发的活性元素烧损，大幅控制了铸锭头尾al、ti元素的成分偏差。所得成品铸锭疲劳性能与持久寿命表现优异，且力学性能稳定，适配构件长期安全服役与高可靠性设计需求。