技术领域
[0001] 本
发明属于
冶金技术领域，特别涉及一种镍基
高温合金K441返回料的合金熔炼方法。
背景技术
[0002] K441合金是一种
发动机导向叶片用材料，该合金的突出特点是
碳含量低，Cr、W含量较高；具有较高的初熔
温度，良好的超高温瞬时性能，以及较好的抗冷热疲劳性能。前期实验表明，在碳含量较高的情况下，合金
铸造过程中的叶片裂纹问题比较严重，通过技术改进，现在合金浇注的叶片合格率已达到60％左右，性能能够满足生产需要。该合金可取代X40合金用于航空发动机的叶片制造，并可进一步拓展应用到其他燃机中。该铸件的生产过程中，合金熔液的60％以上作为浇冒系统的返回料，而且会产生一部分
废铸件，合金的利用率仅为20～30％，造成生产过程中的浪费，尤其高温合金中的Ni、Cr、W、Mo等都属于国家稀缺的昂贵金属。K441合金在应用规模扩大的情况下，返回料的应用已成为当务之急。
发明内容
[0003] 针对上述技术问题，本发明提供一种镍基高温合金K441返回料的合金熔炼方法，目的在于通过将返回料或废铸件重新熔炼，制备成能够用于制备发动机导向叶片的K441合金。
[0004] 本发明的方法按以下步骤进行：
[0005] 1、获得一次料锭：
[0006] 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料和/或废铸件进行吹砂处理，将返回料和/或废铸件的表面清理干净，然后置于
真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时送电
熔化合金，合金熔化过程中控制真空度≤10.66Pa；将合金熔液升温至1590～1650℃进行精炼，精炼时间为20～40min，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa，精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至1500～1580℃，浇注成一次料锭。
[0008] 分析一次料锭的化学成分，当一次料锭的成分按重量百分比在Al 3.30～3.90％，W11.8～14.0％，Cr 15.2～16.5％，Mo 1.2～2.55％，Zr 0.01～0.03％，B
0.006～0.008％，C 0.02～0.035％，余量为Ni的范围内时，准备进行二次精炼；当一次料锭中的Al、W、Cr、Mo、Zr、B和/或C成分超出上述范围时，采用镍、
铝、钨、铬、钼、锆、铬
硼中间合金和/或碳作为调节元素成分用料，使各调节元素成分用料与一次料锭混合后的全部物料的成分符合上述成分范围。
[0009] 3、二次精炼：
[0010] 当不需要调节一次料锭成分中的镍、钨、铬和/或钼成分时，将一次料锭置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa，送电升温至1590～1650℃进行二次精炼精炼，合金熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，二次精炼时间为20～40min，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa，二次精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。当需要调节一次料锭中的镍、钨、铬和/或钼成分时，将一次料锭与调节元素成分用料中的镍、钨、铬和/或钼置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1590～1650℃进行二次精炼，合金熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，二次精炼时间为20～40min；精炼结束后降温至合金熔液表面结膜；当需要调节一次料锭中的碳、铝、硼和/或锆时，将二次精炼后结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化，在真空条件下进行合金化，控制真空度≤1.33Pa，并加入调节元素成分用料中的碳、铝、铬硼中间合金和/或锆，保温5～10min，降温至合金熔液表面结膜。
[0011] 4、获得K441合金：
[0012] 当步骤3中不需要调节一次料锭成分中的碳、铝、硼和锆时，将步骤3中二次精炼结束后结膜的合金熔液加热至1500～1580℃，加热过程中控制真空度≤1.33Pa，然后浇注成K441
合金锭。当步骤3中需要调节一次料锭成分中的碳、铝、硼和/或锆时，将步骤3中合金化后结膜的合金熔液加热至结膜1500～1580℃，加热过程中控制真空度≤1.33Pa，然后浇注成K441合金锭。
[0013] 上述方法中降温至结膜时的温度为1400±20℃。
[0014] 实验表明，当K441合金中的碳含量超过规定范围时，合金的铸造工艺性大幅度降低，因此合金中碳含量和熔炼过程中碳脱
氧的消耗量，是决定熔炼过程中需要重点控制的参数，本发明采用高温精炼法，在1590～1650℃条件下进行熔炼，目的是降低合金中的碳含量，并控制在0.02～0.035％的范围内，同时通过高温熔炼将杂质排除；另外通过多次熔炼和分段加入易烧损元素的方法，有利于控制元素含量在标准要求的范围内。
[0015] 经过试验生产表明，采用上述方法获得的返回料K441合金完全能够满足生产要求，用该返回料K441合金铸件与采用新料制备的铸件合格率相当，且各项性能参数相近，采用DSC法测得返回料K441合金制备铸件的初熔温度可达1324℃以上，高于原生产技术采用新料制备的铸件的初熔温度。
具体实施方式
[0016] 本发明
实施例中采用的补加元素镍、铝、钨、铬、钼、锆、铬硼中间合金和碳的重量纯度分别为金属镍中Ni≥99.9％，金属铝中Al≥99.9％，金属钨中W≥99.9％，金属钼中Mo≥99.9％，金属锆中Zr≥99.4％，铬硼中间合金中B含量≥12％，碳中C≥99.5％。
[0017] 本发明实施例中采用的返回料为镍基高温合金K441制备叶片时的产生的浇冒口、浇道部分返回料。
[0018] 本发明实施例中采用的废铸件为镍基高温合金K441制备叶片时的产生的废铸件。
[0019] 实施例1
[0020] 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料和废铸件进行吹砂处理，将返回料和废铸件的表面清理干净，然后同时置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1650℃，精炼20min，其中合金熔液熔化过程中控制真空度≤10.66Pa，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa；精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至1540℃，浇注成一次料锭。
[0021] 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3.68％，W 12.10％，Cr15.56％，Mo1.88％，Zr 0.019％，B 0.0066％，C0.031％，余量为Ni。根据该化学成分均位于要求的成分范围内不需添加调节成分元素材料。
[0022] 将一次料锭置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1650℃进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，精炼30min，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa；精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。
[0023] 将二次精炼结束后结膜的合金熔液加热至1500℃，加热过程中控制真空度≤1.33Pa，然后浇注成返回料K441合金锭。
[0024] 对获得的返回料K441合金锭进行初熔温度测试，初熔温度为1324℃，高于新料制备的合金初熔温度。测定出返回料K441合金锭性能参数分别为：室温条件下
抗拉强度870MPa，
屈服强度720MPa，断面收缩率为16.7％。900℃高温条件下抗拉强度555MPa，屈服强度422MPa，断面收缩率为15.0％，980℃、83MPa条件下的持久寿命为42h。采用新料制备的K441合金的性能参数分别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收缩率为12.5％。900℃高温条件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收缩率为5.0％，
980℃、83MPa条件下的持久寿命为38h。该合金在980℃、83MPa条件下持久寿命标准要求为≥18h。
[0025] 实施例2
[0026] 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料进行吹砂处理，将返回料的表面清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1620℃精炼，其中合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，精炼30min，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa；精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至1580℃浇注成一次料锭。
[0027] 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3.64％，W 11.48％，Cr 15.30％，Mo 1.78％，Zr 0.023％，B 0.009％，C0.025％，余量为Ni。根据该化学成分可见，W和B均超过成分范围，需调整成分加入调节元素成分用料。准备镍、铝、钨、铬、钼、锆、硼铬合金和碳的调节元素成分用料，调节过程中首先调节按比例含量多出规定范围最大的元素，并按照比例含量由多至少的顺序进行调节，使各备用的材料与一次料锭的总物料中的成分为Al3.55％，W13.0％，Cr 16.0％，Mo 1.90％，Zr 0.02％，C 0.025％，B 0.007％。
[0028] 将一次料锭及上述准备的调节用料中的Ni、W、Mo、Cr置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1620℃进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，二次精炼时间为20min，精炼时真空度≤1.33Pa；二次精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。
[0029] 将结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化进行合金化，要求真空度≤1.33Pa，并加入调节成分用料中的碳、铝、铬硼中间合金和锆，加入后在结膜完全熔化的状态下保温10min，然后降温至合金表面结膜。
[0030] 将合金化后结膜的合金熔液加热至1580℃，加热过程中控制真空度≤1.33Pa，然后浇注成返回料K441合金锭。
[0031] 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1328℃，高于新料合金初熔温度。测定出返回料K441合金性能参数分别为：室温条件下抗拉强度930MPa，屈服强度735MPa，断面收缩率为19.5％。900℃高温条件下抗拉强度580MPa，屈服强度465MPa，断面收缩率为8.0％，980℃、83MPa条件下的持久寿命为38h。新料K441合金的性能参数分别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收缩率为12.5％。900℃高温条件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收缩率为5.0％，980℃、83MPa条件下的持久寿命为38h。该合金在980℃、83MPa条件下持久寿命标准要求为≥18h。
[0032] 实施例3
[0033] 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的废铸件进行吹砂处理，将废铸件的表面清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa，送电升温至1590℃，精炼40min，其中合金熔液熔化过程中控制真空度≤10.66Pa，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa；精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至1500℃，浇注成一次料锭。
[0034] 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3.68％，W 11.48％，Cr 15.60％，Mo 1.78％，Zr 0.023％，B 0.0075％，C0.027％，余量为Ni。根据该化学成分可见，W超过成分范围，需调整加入调节成分用料。准备钨元素材料作为调节成分用料，使金属钨与一次料锭总物料中W重量含量为13％，计算可知其他成分重量百分比为Al 3.62％，W 13.0％，Cr 15.36％，Mo1.75％，Zr 0.022％，B 0.0072％，C 0.0265％；各成分在要求范围以内。
[0035] 将一次料锭及准备的钨调节材料置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1590℃进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，二次精炼时间为40min，精炼时真空度≤1.33Pa；二次精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。
[0036] 将二次精炼后结膜合金熔液加热至1550℃，控制真空度≤1.33Pa，然后浇注成返回料K441合金锭。
[0037] 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1330℃，高于新料合金初熔温度。测定出返回料K441合金性能参数分别为：室温条件下抗拉强度785MPa，屈服强度680MPa，断面收缩率为22％。900℃高温条件下抗拉强度570MPa，屈服强度540MPa，断面收缩率为15.5％，980℃、83MPa条件下的持久寿命为261.4h。新料K441合金的性能参数分别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收缩率为12.5％。900℃高温条件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收缩率为5.0％，980℃、83MPa条件下的持久寿命为38h。该合金在980℃、83MPa条件下持久寿命标准要求为≥18h。
[0038] 实施例4
[0039] 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料进行吹砂处理，将返回料的表面清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1600℃精炼，其中合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，精炼25min，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa；精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至1520℃浇注成一次料锭。
[0040] 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3.2％，W 12.50％，Cr 15.10％，Mo1.78％，Zr 0.023％，B 0.0073％，C0.025％，余量为Ni。根据该化学成分可见，Cr和Al均超过成分范围，需调整成分加入调节元素成分用料。准备铝、铬的调节元素成分用料，调整后使各备用的材料与一次料锭的总物料中的成分为Al 3.55％，Cr 16.0％、W 12.34％，Mo
1.76％，Zr 0.023％，C 0.0247％，B 0.0072％。
[0041] 将一次料锭及上述准备的调节用料中的Cr置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1605℃进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，二次精炼时间为25min，精炼时真空度≤1.33Pa；二次精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。
[0042] 将结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化进行合金化，要求真空度≤1.33Pa，并加入调节成分用料中的铝，加入后在结膜完全熔化的状态下保温5min，然后降温至合金表面结膜。
[0043] 将合金化后结膜的合金熔液加热至1530℃，加热过程中控制真空度≤1.33Pa，然后浇注成返回料K441合金锭。
[0044] 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1332℃，高于新料合金初熔温度。测定出返回料K441合金性能参数分别为：室温条件下抗拉强度825MPa，屈服强度710MPa，断面收缩率为23％。900℃高温条件下抗拉强度610MPa，屈服强度468MPa，断面收缩率为9.0％，980℃、83MPa条件下的持久寿命为23.49h。新料K441合金的性能参数分别为，室温条件下抗拉强度760MPa，屈服强度675MPa，断面收缩率为12.5％。900℃高温条件下抗拉强度540MPa，屈服强度450MPa，断面收缩率为5.0％，980℃、83MPa条件下的持久寿命为38h。该合金在980℃、83MPa条件下持久寿命标准要求为≥18h。
[0045] 实施例5
[0046] 对镍基高温合金K441制备叶片时产生的返回料进行吹砂处理，将返回料的表面清理干净，然后置于真空感应炉中启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1640℃精炼，其中合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，精炼35min，精炼过程中控制真空度≤1.33Pa；精炼炼结束后降温至合金熔液表面结膜。将结膜的合金熔液加热至1560℃浇注成一次料锭。
[0047] 分析一次料锭的化学成分按重量百分比为Al 3.64％，W 13.2％，Cr 14.90％，Mo 1.08％，Zr 0.009％，B 0.0075％，C0.018％，余量为Ni。根据该化学成分可见，Mo、Cr、Zr、C均超过成分范围，需调整成分加入调节元素成分用料。准备钼、锆和碳的调节元素成分用料，调整后使各备用的材料与一次料锭的总物料中的成分为Mo 1.90％，C 0.025％，Cr16.0％，Zr0.02％，W 12.94％，B 0.0074％。
[0048] 将一次料锭及上述准备的调节用料中的Mo、Cr置于真空感应炉中，启动真空设备抽真空，当真空度≤1.33Pa时，送电升温至1635℃进行二次精炼，合金熔液熔化过程中要求真空度≤10.66Pa，二次精炼时间为35min，精炼时真空度≤1.33Pa；二次精炼结束后降温至合金熔液表面结膜。
[0049] 将结膜的合金熔液加热至结膜完全熔化进行合金化，要求真空度≤1.33Pa，并加入调节成分用料中的碳、锆，加入后在结膜完全熔化的状态下保温7min，然后降温至合金表面结膜。
[0050] 将合金化后结膜的合金熔液加热至1560℃，加热过程中控制真空度≤1.33Pa，然后浇注成返回料K441合金锭。
[0051] 对获得的返回料K441合金进行初熔温度测试，初熔温度为1329℃，高于新料合金
