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高温合金冶炼 -高温合金冶炼

通过高温使组成高温合金材料的原材料熔融成合金的方法，是高温合金材料制备工艺之一。高温合金材料主要应用于航空和航天器的关键部件上，对材料要求较高。另外，高温合金的组元多，含有大量易氧化元素，对杂质元素和气体含量要求非常严格。因此，在冶炼高温合金时，必须选用精料，即原料中的硫、磷、铅、锡、砷、锑、铋和气体含量要低，且无锈无油污；原料和辅料都要经过烘烤，保证水分较低；还要选择合适的冶炼工艺，以保证材料的质量。

简史20世纪30～40年代，高温合金材料大多采用电弧炉或非真空感应炉单炼、普通铸锭工艺。这类冶炼工艺的优点是炉熔批量大，设备费用少，比较经济，高碱性渣脱硫效果好，可以使用返回料等。但是大气熔炼的主要缺点是：合金成分(特别是一些较活泼元素)由于烧损而不易控制；合金的气体含量较高，脱氧产物大量残留在钢中，炉衬和盛钢桶的耐火材料使合金受到污染；浇注过程中还发生二次氧化，在钢中形成夹杂、气泡等缺陷。因此，这类大气单炼工艺仅在早期低牌号高温合金(如中国牌号G112036、GH3030、GHll40、GH2132等)曾经采用过。

20世纪50年代以来，由于航空喷气发动机的发展，对材质提出了较高的要求，广泛地采用真空冶炼技术。真空感应炉熔炼的主要特点是，冶炼在真空下进行，能严格控制合金中的活泼元素(如铝、钛等)。真空冶炼创造了良好的去气条件，合金中的氢、氧、氮和夹杂物的含量低，有害杂质铅、铋、砷、锑等在真空中可以挥发，使合金得到提纯。GH4049、GHl51(中国)等合金就曾采用此工艺。真空感应炉冶炼也有不足之处：冶炼时使用坩埚，因此耐火材料就成为污染合金的来源。采用普通注锭工艺，钢锭的缩孔和疏松是不可避免的。钢锭在凝固时结晶缓慢，造成钢锭内部结晶组织和成分不均，垂直钢锭表面的结晶组织不利于热加工。

60年代初，高温合金材料生产中已大多采用二次重熔工艺。主要的二次重熔设备有电渣炉和真空白耗炉。

二次重熔工艺有电渣重熔和真空白耗重熔等。

(1)高温合金电渣重熔。是将一次单炼浇注的电极利用电流通过渣层产生电阻热进行二次熔炼。由于金属电极呈薄层形式熔化，金属熔滴与熔渣接触的比表面特别大，熔池的温度高达1800℃以上，保证了金属液与溶渣充分强烈作用，金属材料被有效地精炼，气体、杂质和非金属夹杂物被大量去除。由于结晶器水冷的作用，结晶速度快，减少了偏析。结晶过程中不断有液态金属补充，消除了钢锭中心疏松和减小头部的缩孔。适当调整和控制冶炼工艺，能得到自下而上沿轴向的柱状晶，可以改善钢锭的热加工性，这对于难变形的高温合金尤为重要。

(2)高温合金真空自耗重熔。是将一次单炼的电极作为负极置于真空系统中，水冷结晶器作为正极，通以低压直流电，利用电弧放出的热量使电极熔化，达到进一步精炼的目的。在电极熔化的同时，金属液在水冷结晶器内结晶，成为重熔的钢锭。重熔金属的纯度和钢锭的结晶组织，基本上与电渣重熔工艺相同，但真空白耗重熔的去气条件好一些，含铝、钛合金的成分均匀性容易保证。

根据工厂的设备条件和钢种特点，有各种不同的双联冶炼配合，形成不同的工艺路线。GH3039、GH3044、GH4033、GH2132和GH2135等合金，曾采用电弧炉加真空白耗炉双联工艺。GH2036、GH4033、GH2132和GHll40等合金，曾采用电弧炉加电渣炉双联工艺。GH2135、GH4049、GH4037和GH2130等合金，采用真空感应炉加电渣炉双联工艺。GH4133、G11698、GH220和GH4169等合金，采用真空感应炉加真空白耗炉双联工艺。有些高温合金的技术条件中规定，在冶炼母合金和二次重熔两个工序中，应有一个工序采用真空冶炼，以达到降低气体含量。

(3)其他。除上述冶炼工艺外，还有悬浮炉熔炼。真空下用感应加热，炉料与特制的水冷铜坩埚不接触，悬浮着熔化和精炼。由于整个熔炼过程不接触耐火材料，合金的纯度特别高。TiAl等金属间化合物中铝、钛元素十分活泼，容易与坩埚的耐火材料起反应，必须采用此工艺冶炼。此外，还有电子束炉熔炼、等离子炉熔炼等新工艺。利用高速电子或等离子轰击母材产生热量进行重熔。此类熔炼工艺的真空度较高，又能较好地控制熔化和结晶过程，因此去除气体、夹杂物及有害杂质的效果比真空白耗重熔好。但是，设备和生产费用较高，易挥发元素的控制等问题尚未完全解决，所以此类工艺在高温合金中使用得还少。