真空熔炼K417G合金脱氧脱氮研究

马中钢，赵国才，逯红果，李化坤，李道乾

（山东瑞泰新材料科技有限公司，山东 淄博256100）

1 前言

镍基高温合金主要以金属镍为基体，配合金属Cr、W、Mo、Nb等元素，使其具有良好的抗腐蚀性、抗氧化性和抗蠕变性能等，广泛应用于航空航天、燃气轮机和火力发电装置［1］。近年来，随着航空航天事业的快速发展，对合金中微量有害杂质元素和气体含量要求越来越严格。镍基高温合金中微量有害杂质元素主要为Pb、Bi、Sn、Ag、Se等，气体主要为O、N和H元素［2-3］。在高真空和高温下，微量有害杂质元素能够快速挥发，而氧、氮元素由于其易与金属元素发生化学反应，生成氧氮化合物，故难以去除。已知氧在高温合金中主要以氧化物夹杂的形式存在，而氧化物夹杂通常是疲劳裂纹的萌生地及扩展通道，从而影响高温合金的蠕变和持久强度等性能［4-5］。氮主要以TiN的形式存在，粗大的初生TiN夹杂在后续的工艺中很难进行消除，进而严重影响材料力学性能［6］。如何进一步降低合金中的氧氮含量，一直是专家研究的重点。目前，熔炼铸造高温合金主要采用真空感应炉，其生产工序主要分为熔化期、精炼期、合金化期，不同时期对脱除合金中的气体含量作用不同。现对熔炼过程中的各工序进行探究，以对后续工作者提供参考价值和研究方向。

2 试验方法

本试验方法采用型号ZGJL0.5-100-2.5真空感应炉熔炼镍基高温合金材料K417G（化学成分见表1）。熔炼用原材料符合航标HB/Z 131铸造高温合金选用原材料技术要求。原材料送国家钢铁材料测试中心进行检测，氧氮气体含量值见表2。熔炼过程中，每隔一定时间，将钢水注入金属模中取样。将试样切削加工成4 mm×4 mm×40 mm圆柱试棒，在丙酮中进行超声波清洗后，氧氮采用型号为ONH-P氧氮氢检测仪进行检测。采用型号为FEIApreo-S场发射高分辨扫描电镜观察显微组织。

表1 合金化学成分（质量分数） %

表2 原材料中氧氮含量值（质量分数） %

3 镍基高温合金熔炼过程对氧氮含量的影响

3.1 熔化期对氧氮含量的影响

熔化期氧含量由计算值0.078 1%减少为检测值0.037 8%，氮含量由计算值0.070 7%减少为检测值0.058 0%，氧含量减少52%，氮含量减少17%。原因在于，在原材料放料过程中，将部分脱氧剂碳放入坩埚底部，在原材料熔化过程中，溶解的氧在真空条件下易与炉料中的碳反应，生产一氧化碳气泡去除氧元素，并加速氮往钢液面扩散，减少氮含量；因此，熔化期对氧氮的脱除是十分重要的，特别是对脱除氧元素。

3.2 精炼温度和时间对氧氮含量的影响

不同精炼温度对K417G合金中氧氮含量曲线见图1。可以看出，相同精炼时间内，精炼温度越高，熔液中氧氮含量下降越快，随着精炼时间的延长，氧氮含量下降速率减缓；精炼温度低，氧氮含量趋于平缓时间越长。原因在于，精炼期主要作用是利用真空感应炉高温、高真空并配合脱氧剂碳降低钢水中气体含量。研究表明：精炼温度越高，越容易降低钢水中氧氮含量［5］。

图1 不同精炼温度K417G合金中氧氮含量

3.3 合金化期对氧氮含量的影响

图2为采用二次加铝对K417G中氧氮含量影响变化曲线。由表1可知，K417G合金含有5.2%的铝，铝在镍基高温合金中可以作为脱氧剂，将铝采用多次加入的方式加入钢水中。由图2可知，第一次加铝后，氧氮含量下降速率较快；第二次加铝后，氧氮含量下降速率逐渐减缓，随着时间的延长，氧氮含量趋于稳定。原因在于，第一次加铝后，铝与氧发生化学反应，降低钢水中氧元素。同时，研究表明：高温环境下，有利于去除合金中的氮元素［3，7］，铝熔化是放热反应，促进钢水温度升高，进一步降低钢水中氮元素。第二次加铝后，由于钢水中氧氮含量较少，降低效果不是很明显。

图2 二次加铝对K417G合金氧氮含量变化情况

3.4 氧氮元素存在形式

K417G合金显微组织形貌见图3。K417G合金中余氧、氮元素主要以Ti（C，N）的形成存在。已知，Ti（C，N）熔点约3 000 ℃，合金中一旦形成Ti（C，N）化合物，后续的熔炼工艺难以进行去除［6］。

图3 K417G合金显微组织形貌

4 结论

4.1 镍基高温合金熔炼过程中，配合采用二次加碳、高温精炼和二次加铝熔炼工艺，能够很好的去除钢水的氧氮气体元素。

4.2 镍基合金K417G难以去除氧氮元素主要以Ti（C，N）的形式存在。