[发明专利]一种变形高温合金GH4169的真空自耗重熔方法

说明书

本发明属于航空发动机用高品质变形高温合金制备技术领域。涉及一种变形高温合金GH4169的真空自耗重熔方法，具体包括电渣重熔制备自耗电极、电极锭高温去应力退火、机加工、电极焊接、对中装炉、三阶段控制自耗重熔等工序。该工艺的突出优点是能够降低高铌变形高温合金真空自耗重熔过程产生偏析类冶金缺陷的风险，同时提高了制备的变形高温合金材料的批次稳定性和使用可靠性。

技术领域

本发明属于航空发动机用高品质变形高温合金制备技术领域。涉及一种变形高温合金GH4169的真空自耗重熔方法，主要包括电极锭去应力退火、熔速控制、氦气冷却等。

背景技术

本项目的背景技术是航空发动机用变形高温合金真空自耗重熔技术。

变形高温合金GH4169在航空发动机中大量用作盘件、环形件、紧固件、钣金件等零件。随着航空技术的进步与发展，对变形高温合金材料的服役温度和力学性能要求越来越高，而通过添加强化元素保证材料性能和使用可靠性的一个重要方法。高温合金的发展过程中，铌(Nb)是一种很重要的元素，由于熔点高，密度中等，加工性能较好，因此无论是作为一种合金元素提高材料某一方面的性能，还是作为高温使用的基体金属，Nb都是一种重要的选择对象。添加Nb元素的合金材料或铌基合金具有耐高温、高强度、相对较低的密度，以及抗碱性材料浸蚀等特性，在航空航天的高温领域得到较多应用。上世纪70年代，美国对高铌含量合金(Nb≥4％wt)的研究投入了大量人力物力，也取得了显著成效，研制出的合金牌号包括Nb1Zr、PWC11、C103、Inconel 718、铌-硅合金、加铌的钛铝金属间化合物、铌钛铝金属间化合物等。其中，最成功的就是添加Nb元素的Inconel 718合金(对应国内牌号GH4169)。1959年美国人H.L.Eiselstein发明了Inconel 718合金，该合金含铌量达到5.5％wt，主要采用γ″(Ni₃Nb)作为主要强化相，同时辅以γ′(Ni₃(Al，Ti，Nb)相强化，长期使用温度范围-253℃～650℃，高低温性能优异。除了提高强度外，Nb元素在GH4169合金还有一个独特作用就是在焊接过程中有避免时效裂纹萌生的能力，即元素Nb具有延缓时效的作用，GH4169部件在焊接时能够防止时效强化相过快析出，改善合金的焊接性能。经过数十年的研究、生产及应用，目前GH4169合金大量用于航空、航天、石化及能源等领域。

然而，高温合金中添加Nb元素带来的一个突出问题就是成分偏析。高温合金由于合金化程度高容易产生偏析，加上生产的锭型增大，熔炼和凝固过程中造成的偏析更加严重，成分偏析对合金的组织与性能都造成十分不利的影响。目前，通过真空自耗重熔设备的水冷和氦气冷却装置能够降低高温合金重熔过程中的元素偏析。

真空自耗炉是变形高温合金熔炼用的关键设备之一，此外也用于高强度钢、轴承钢、工模具钢及锆合金熔炼等。其突出优点包括：(1)去除或降低合金中的有害气体(如N、H、O)；(2)降低有害低熔点微量元素(如Bi、Ag、Sb等)含量；(3)减轻化学元素偏析，减少铸锭中心缩孔、疏松，改善陶瓷夹杂物的形态与分布等。真空自耗炉的工艺原理是在真空下用直流电弧作为高温热源重熔高温合金的电极锭，电极锭顶端金属通熔化成熔滴，滴到紫铜质水冷结晶器内并顺序凝固成锭。真空自耗炉上世纪50年代末在美国开始用于航空材料(包括变形高温合金、钛合金等)的熔炼制备，目前随着航空航天及燃机工业的发展需要，制备的GH4169合金自耗锭的尺寸越来越大，从直径Φ406mm发展到Φ508mm，进一步扩大到直径Φ660mm，生产成本降低的同时，制备技术难度也越来越大，产生冶金缺陷如“黑斑”、“白斑”的概率更高。此外，结晶器尺寸增大，对设备控制系统、冷却系统、真空系统等技术要求也更高。