本发明属于高温合金冶炼技术领域，具体涉及一种小规格镍基高温合金FGH4097铸锭的冶炼工艺。
背景技术：
粉末冶金高温合金具有晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析、热加工性能和力学性能良好等优异特性，在航空航天领域先进发动机涡轮盘等热端部件中有着广泛应用。FGH4097是一种镍基粉末高温合金，其中Al、Ti和Nb的含量较高达到10％，γ＇相的质量分数高达61％，γ＇相的沉淀强化使该合金在650℃～750℃温度区间具有的优异的综合力学性能，可广泛用先进航空发动机的涡轮盘等热端部件。FGH4097的合金元素高达13种，并且Al元素的可控制范围非常窄，而且合金元素控制不当容易使粉末产生原始颗粒界面，因此要对FGH4097的合金元素含量精确控制，减少元素的偏析以及杂质元素的含量。采用合理的工艺制备小规格尺寸的FGH4097铸锭，不仅能够确保合金元素满足成分要求，而且能够减小合金元素的偏析，以预防和消除FGH4097粉末的原始颗粒界面，保证制备粉末质量。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种小规格镍基高温合金FGH4097铸锭的冶炼工艺，用以获得组织致密、元素偏析小和杂质元素含量较少的小规格FGH4097铸锭。
本发明所采用的技术方案是：一种小规格镍基高温合金FGH4097铸锭的冶炼工艺，具体包括以下步骤：
步骤1，称取原料：
按照FGH4097高温合金的成分要求，称取一号或零号Ni、海绵Ti、真空脱气Cr、Al豆、Al箔、金属Co、NiW合金、NiMo合金、碳、NiMg合金、NiB合金、海绵锆，NiNb合金，金属Hf，金属Ce；
步骤2，真空感应熔炼：
2.1将70-80wt％％金属Ni、金属Co、NiMo合金、碳、NiW合金、金属Hf和20-30wt％金属Ni依次装入炉中，先小功率加热，然后抽真空并缓慢升功率直至原材料熔清后，调节功率至精炼温度精炼，精炼过程中施加电磁搅拌；
2.2降功率至熔体表面结膜后加入真空脱气Cr和NiNb合金，升功率至熔清后调节功率至精炼温度精炼，精炼过程中施加电磁搅拌；
2.3降功率至熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti，升功率至熔清后调节功率至精炼温度精炼，精炼过程中施加电磁搅拌；
2.4降功率保温，并充氩气至≥15000Pa后加入用Al箔包裹的NiMg合金、NiB合金、金属Ce和海绵Zr，施加电磁搅拌5-10min后调节功率至浇注温度后出钢，得到真空熔炼铸锭；
步骤3，真空自耗重熔：
将步骤2得到的真空熔炼铸锭置于VAR铜坩埚中熔炼，得到FGH4097高温合金铸锭。
本发明的特点还在于，
FGH4097高温合金各成分重量百分比wt％：C：0.02-0.06，Cr：8.0-10.0，Nb：2.4-2.8，Co：15.0-16.5，W：5.2-5.9，Mo：3.5-4.2，Al：4.9-5.3，Ti：1.6-2.0，B：0.006-0.015，Zr：0.01-0.015，Hf：0.1-0.4，Mg：0.002-0.05，Ce：0.005-0.01，Fe≤0.5，Si≤0.20，Mn≤0.20，P≤0.015，S≤0.009，O≤0.005，N≤0.005，H≤0.001，Ni：余量。
步骤1中Al豆用量为所需Al元素用量的90％，Al箔用量为所需Al元素用量的10％。
步骤2中小功率加热时间为20-30min。
步骤2中熔清温度为1510-1540℃，精炼温度为1490-1520℃，精炼时间为20-40min。
步骤2.1-2.3中熔炼和精炼时的真空度≤0.1Pa。
浇注温度为1480-1490℃。
步骤3中熔速的控制范围为1.3-1.5kg/min。
步骤3中，熔炼时充入氦气冷却，采用流量控制并且以充氦压力作为参考，使其压力维持在50-100Pa。
步骤3中，流量控制具体为：熔炼起始阶段，坩埚内钢液的重量达到熔炼3-5kg时，在4min内氦气的流量从0ml/min升高到30ml/min；熔炼过程中，通过调节流量的大小使氦气压力维持在50-100Pa；热封顶阶段的2min内氦气的流量从30ml/min降低到15ml/min。
本发明的有益效果是，
(1)本发明采用两联冶炼工艺提高了FGH4097的小规格铸锭中Al、Ti和Nb等γ’相形成元素以及Hf等碳化物形成元素的控制精度以及均匀性，并且使合金元素的偏析减少。
(2)采用本发明方法制备的FGH4097合金中像O、N、S等杂质元素含量减少，能够有效减小粉末的原始颗粒界面。
(3)本发明所采用的两联冶炼工艺成本低，操作简单并且能够提高铸锭质量的稳定性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种小规格镍基高温合金FGH4097铸锭的冶炼工艺，具体包括以下步骤：
步骤1，称取原料：
按照各成分重量百分比(wt％)：C：0.02-0.06，Cr：8.0-10.0，Nb：2.4-2.8，Co：15.0-16.5，W：5.2-5.9，Mo：3.5-4.2，Al：4.9-5.3，Ti：1.6-2.0，B：0.006-0.015，Zr：0.01-0.015，Hf：0.1-0.4，Mg：0.002-0.05，Ce：0.005-0.01，Fe≤0.5，Si≤0.20，Mn≤0.20，P≤0.015，S≤0.009，O≤0.005，N≤0.005，H≤0.001，Ni：余量，称取一号或零号Ni、海绵Ti、真空脱气Cr、Al豆、Al箔、金属Co、NiW合金、NiMo合金、碳、NiMg合金、NiB合金、海绵锆，NiNb合金，金属Hf，金属Ce。Al豆用量为所需Al元素用量的90％，Al箔用量为所需Al元素用量的10％。
步骤2，真空感应熔炼(VIM)
2.1将70-80wt％金属Ni、金属Co、NiMo合金、碳、NiW合金、金属Hf和20-30wt％金属Ni依次装入炉中，小功率加热20-30min，抽真空并缓慢升功率直至原材料熔清，熔清熔体温度为1510-1540℃；进入精炼期，调节功率至精炼温度1490-1520℃，精炼20-40min，精炼过程中施加电磁搅拌；
2.2降功率至熔体表面结膜后加入真空脱气Cr和NiNb合金，升功率至熔清，熔清熔体温度为1510-1540℃；进入精炼期，调节功率至精炼温度1490-1520℃，精炼20-40min，精炼过程中施加电磁搅拌；
2.3降功率至熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti，升功率至熔清，熔清熔体温度为1510-1540℃；进入精炼期，调节功率至精炼温度1490-1520℃，精炼20-40min，精炼过程中施加电磁搅拌；
2.4降功率保温，并充氩气至≥15000Pa后加入用Al箔包裹的NiMg合金、NiB合金、金属Ce和海绵Zr，施加电磁搅拌5-10min后调节功率至浇注温度后出钢至规格为Φ70mm的铸模中，浇注温度为1480-1490℃，得到真空熔炼铸锭。
步骤2.1-2.3中熔炼和精炼时的真空度≤0.1Pa。
步骤3，真空自耗重熔：
将步骤2得到的真空熔炼铸锭置于规格为Φ90mm的VAR铜坩埚中，控制熔速1.3-1.5kg/min进行熔炼。熔炼时充入氦气冷却，采用流量控制并且充氦压力作为参考。通过调控氦气流量使氦气压力维持在50-100Pa，熔炼起始阶段，坩埚内钢液的质量达到3-5kg时，在4min内氦气的流量从0ml/min升高到30ml/min；熔炼过程中，通过调节流量的大小使氦气压力维持在50-100Pa；热封顶阶段的2min内氦气的流量从30ml/min降低到15ml/min。
本发明的设计原理如下：
本发明首先采用真空感应熔炼方法将高温合金原材料分批加入炉中熔清和精炼，在精炼过程中施加电磁搅拌，从而起到逐步脱气和合金化过程。真空感应熔炼过程中密度大以及熔点高的元素都采用Fe和N等杂质元素含量较少的中间合金加入，低熔点以及含量较少(≤200ppm)的元素以铝箔包裹的形式最后加入，分批加入原材料进行熔炼和精炼，并且精炼过程中施加电磁搅拌以更好地脱气、除渣以及成分均匀化，最后以铝箔的形式加入的合金采用充氩的方法熔炼以减少Al、Mg、Ce和Zr等合金元素的损失。
首批原材料加入炉中后，抽真空并使用小功率加热一段时间使原材料表面脱除吸附的空气和水分，然后阶梯式提高功率直至原材料熔清，保证原材料熔化过程中真空度≤0.1Pa，以保证气体的脱除效率。对于W、Nb、Mo等密度大且熔点高的元素以NiW、NiNb和NiMo合金形式添加，在最后熔炼阶段充氩气至≥15000Pa，用Al箔包裹NiMg、NiB、Zr和Ce加入炉中熔炼，从而获得成分均匀性较好、元素烧损较小以及杂质元素含量较少的VIM铸锭。
考虑到FGH4097属于镍基粉末高温合金，属于高Al低Ti且合金元素较多的高温合金，并且Al+Ti+Nb的含量高达10％，是γ’的主要形成元素，而γ’相在FGH4097合金中起主要强化作用。真空自耗熔炼(VAR)对合金元素的烧损率较低并且能够通过He气冷却很好的减轻铸锭的偏析，而且高温弧区能够很好的消除夹杂。因此本发明真空自耗熔炼采用充He熔炼的方法，通过压力控制He气使其压力维持在50-100Pa，从而减小Nb、Ti等元素的偏析。由于FGH4097合金属于低Ti高Al并且含Nb的镍基高温合金，并且对Hf元素的含量控制要求较高，以减小甚至消除粉末的原始颗粒界面同时控制碳化物的尺寸。因此选用真空自耗重熔(VAR)对VIM铸锭进行熔炼，即采用两联(VIM+VAR)冶炼工艺对FGH4097进行冶炼，能够获得成分合乎标准且均匀性好以及杂质元素含量更少的(≤90mm)小规格铸锭。
实施例1
(1)真空感应熔炼(VIM)：
先将70wt％金属Ni、金属Co、NiMo合金、碳、NiW合金、金属Hf和30wt％金属Ni依次装入炉中，30kw作用下加热原材料30min，抽真空并缓慢升功率到50kw直至真空度为0.1Pa时升功率至180kw使原材料熔清测得熔体温度为1540℃，进入精炼期调节熔体温度为1520℃，精炼时间为40min，精炼过程中施加电磁搅拌；待降功率至熔体表面结膜后加入真空脱气Cr和NiNb合金，升功率至170kw熔清后测得熔体温度为1530℃，进入精炼期调节熔体温度为1510℃，精炼时间为30min，精炼过程中施加电磁搅拌；待降功率至熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti，升功率至150kw熔清后测得溶体温度为1530℃，进入精炼期调节溶体温度为1490℃，精炼时间为20min，精炼过程中施加电磁搅拌；然后降功率至70kw保温，充氩气至15000Pa后加入用Al箔包裹的NiMg合金、NiB合金、金属Ce和海绵Zr，施加电磁搅拌10min后调节功率至1480℃后出钢至Φ70mm的铸模中。得到的VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表1所示。
表1 VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt％)
(2)真空自耗熔炼(VAR)
将得到的真空熔炼铸锭置于规格为Φ90mm的VAR铜坩埚中，控制熔速1.3kg/min进行熔炼。
熔炼时充入氦气冷却，采用流量控制并且充氦压力作为参考，采用流量控制并且以充氦压力作为参考，通过调控氦气流量使氦气压力维持在50-100Pa。熔炼起始阶段，坩埚内钢液的质量达到3-5kg时，在4min内氦气的流量从0ml/min升高到30ml/min；熔炼过程中，通过调节流量的大小使氦气压力维持在50-100Pa；热封顶阶段的2min内氦气的流量从30ml/min降低到15ml/min。得到的FGH4097合金VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表2所示。
表2 VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt％)
由上表可见，得到的FGH4097合金VAR铸锭成分均匀性好，杂质元素含量减少。
实施例2
(1)真空感应熔炼(VIM)：
先将80wt％金属Ni、金属Co、NiMo合金、碳、NiW合金、金属Hf和20wt％金属Ni依次装入炉中，30kw作用下加热原材料30min，抽真空并缓慢升功率到50kw直至真空度为0.1Pa时升功率至170kw使原材料熔清测得熔体温度为1530℃，进入精炼期调节熔体温度为1510℃，精炼时间为40min，精炼过程中施加电磁搅拌；待降功率至熔体表面结膜后加入真空脱气Cr和NiNb合金，升功率至160kw熔清后测得熔体温度为1520℃，进入精炼期调节熔体温度为1500℃，精炼时间为30min，精炼过程中施加电磁搅拌；待降功率至熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti，升功率至140kw熔清后测得溶体温度为1520℃，进入精炼期调节溶体温度为1490℃，精炼时间为20min，精炼过程中施加电磁搅拌；然后降功率至70kw保温，充氩气至15000Pa后加入用Al箔包裹的NiMg合金、NiB合金、金属Ce和海绵Zr，施加电磁搅拌10min后调节功率至1490℃后出钢至Φ70mm的铸模中。得到的VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表3所示。
表3 VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt％)
(2)真空自耗熔炼(VAR)
将得到的真空熔炼铸锭置于规格为Φ90mm的VAR铜坩埚中，控制熔速1.4kg/min进行熔炼。
熔炼时充入氦气冷却，采用流量控制并且充氦压力作为参考，熔炼起始阶段，坩埚中钢液的重量达到5kg时，在4min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到30ml/min；熔炼过程中，通过调节流量的大小使氦气压力维持在50-100Pa；热封顶阶段的2min内氦气的流量从30ml/min降低到15ml/min。得到的FGH4097合金VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表4所示。
表4 VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt％)
由上表可见，得到的FGH4097合金VAR铸锭成分均匀性好，杂质元素含量减少。
实施例3
(1)真空感应熔炼(VIM)：
先将705％金属Ni、金属Co、NiMo合金、碳、NiW合金、金属Hf和25％金属Ni依次装入炉中，30kw作用下加热原材料30min，抽真空并缓慢升功率到50kw直至真空度为0.1Pa时升功率至160kw使原材料熔清测得熔体温度为1520℃，进入精炼期调节熔体温度为1510℃，精炼时间为40min，精炼过程中施加电磁搅拌；待降功率至熔体表面结膜后加入真空脱气Cr和NiNb合金，升功率至150kw熔清后测得熔体温度为1510℃，进入精炼期调节熔体温度为1500℃，精炼时间为30min，精炼过程中施加电磁搅拌；待降功率至熔体表面结膜后加入Al豆和海绵Ti，升功率至130kw熔清后测得溶体温度为1510℃，进入精炼期调节溶体温度为1490℃，精炼时间为20min，精炼过程中施加电磁搅拌；然后降功率至70kw保温，充氩气至15000Pa后加入用Al箔包裹的NiMg合金、NiB合金、金属Ce和海绵Zr，施加电磁搅拌10min后调节功率至1480℃后出钢至Φ70mm的铸模中。得到的VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表5所示。
表5 VIM铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt％)
(2)真空自耗熔炼(VAR)
将得到的真空熔炼铸锭置于规格为Φ90mm的VAR铜坩埚中，控制熔速1.5kg/min进行熔炼。
熔炼时充入氦气冷却，采用流量控制并且以充氦压力作为参考，熔炼起始阶段，坩埚中钢液的重量达到5kg时，在4min内氦气的流量从0ml/min缓慢升高到30ml/min；熔炼过程中，通过调节流量的大小使氦气压力维持在50-100Pa；热封顶阶段的2min内氦气的流量从30ml/min降低到15ml/min。得到的FGH4097合金VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分如表6所示。
表6 VAR铸锭头部、中部和尾部的化学成分(wt％)
由上表可见，得到的FGH4097合金VAR铸锭成分均匀性好，杂质元素含量减少。