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电渣重熔大型IN718镍基合金铸锭合金元素氧化控制的基础研究

段生朝  
【摘要】:Inconel 718是一种典型的析出强化型镍基高温合金,由于其在923 K以上仍具有较高的强度、韧性和抗疲劳性能,已经被广泛地应用于航空航天和电力能源和国防军工等重要领域。Inconel 718合金中增加Al和Ti元素的含量有利于增加强化相γ'相Ni3(Al,Ti,Nb)和γ"相Ni3(Nb,Al,Ti)的体积分数,进而提高镍基合金高温下的机械性能。电渣重熔是一种重要的二次精炼技术,其目的是进一步提高金属纯净度、改善铸锭致密度和结晶组织,从而满足日益增加的对高性能合金的需求。然而,电渣重熔含有易氧化元素的合金时仍有诸多问题还未得到很好地解决。在渣-金反应界面上,镍基合金中易氧化元素如Al和Ti会与渣中不稳定氧化物如FeO、SiO2和TiO2发生强烈的化学反应,不可避免地导致电渣锭中Al和Ti含量沿着铸锭高度方向分布不均匀的现象。同时Inconel 718合金中硫元素的存在会在基体中形成硫碳化物M2SC和晶界位置形成低熔点Ni-Ni3S2化合物,因而恶化镍基合金高温机械性能。电渣重熔作为制备大型镍基合金的终端冶炼工艺,应当在冶炼过程中严格控制铸锭中Al和Ti元素的均匀分布和有害气体杂质的含量。本论文为解决电渣重熔Inconel 718合金过程中Al和Ti元素均匀化和合金纯净度控制问题,主要进行了以下三个方面的研究工作:(1)通过理论计算镍基合金中组元Al和Ti以及含氟炉渣中各个组元的活度,为找到控制电渣重熔Inconel 718合金Al和Ti元素氧化的热力学条件奠定基础;(2)通过热力学和实验分析,开发了适合电渣重熔Inconel 718合金的渣系;(3)通过多相反应动力学基本方程,建立了 Inconel 718合金脱氧和脱硫反应的动力学模型,为电渣重熔镍基合金脱氧和脱硫制度提供有价值的工艺参考。首先,本文参考合金相图和利用原子-分子共存理论(Atom and Molecule Coexistence Theory,AMCT)计算了不同温度下 Ni-Al、Ni-Ti 和 Al-Ti三个二元系全浓度范围内热力学活度,并与文献报道的实测值吻合较好。在忽略Ni-Al-Ti合金熔体中形成的三元复杂分子NixAlyTiz的情况下,计算得到了 1873 K下该合金熔体组元Al和Ti在富镍区域(xNi0.9)的等活度线。基于Ni-Al、Ni-Ti 和 Al-Ti二元系混合焓△mixHm的 Redlich-Kister(R-K)参数,通过GSM、Toop、Kohler 和 Muggianu 模型得到1873K下Ni-Al-Ti 三元系富镍区域的混合焓△mixHm,Ni-Al-Ti与Ni的摩尔分数xNi的关系。结果表明:1873 K下当Ni的摩尔分数一定时,△mixHm,Ni-Al-Ti随Al/Ti比的增加而降低;当Al/Ti比值一定时,混合焓△mixHm,Ni-Al-Ti随合金中Ni的摩尔分数xNi的增加而增加。当xNi0.9时,GSM模型与Toop、Kohler和Muggianu模型计算的结果吻合度很好,而xNi0.9时,GSM模型计算的结果要略高于其它模型,这主要是由于Ni-Al-Ti合金熔体不满足正规溶液的性质所导致的。Ni-Al-Ti三元熔体热物理性质(粘度和表面张力)预报模型数据的准确性很大程度上依赖于合金熔体混合热力学数据(混合焓和过剩吉布斯自由能)的准确性。基于优化后的Ni-Al、Ni-Ti和Al-Ti的混合热力学性质,首先计算了 Ni-Al、Ni-Ti和Al-Ti熔体的粘度和表面张力。结果表明:Hirai模型适合计算Ni-Al系统的粘度,而Kaptay模型适合预报Ni-Ti和Al-Ti合金熔体的粘度;Butler模型适合预报Ni-Al、Ni-Ti和Al-Ti熔体的表面张力。Ni-Al和Ni-Ti熔体粘度分别在xAl=0.5和xTi=0.3出现了最大值。这是由于Ni-Al和Ni-Ti二元系分别在xAl=0.5和xTi=0.3处形成稳定金属间化合物NiAl和Ni3Ti,导致合金熔体分别在在xAl=0.5和xTi=0.3处发生短程有序现象引起的。Ni-Al-Ti三元熔体粘度ηNi-Al-Ti和表面张力σNi-Al-Ti具有相同的变化规律,当Al/Ni比一定时,ηNi-Al-Ti和σNi-Al-Ti随着Ni-Al-Ti中组元Ti含量的增加而增加;当合金中组元Ti的含量一定,ηNi-Al-Ti和σNi-Al-Ti随着Al/Ni的增加而降低。其次,热力学分析了1773 K至1973 K在给定Inconel 718合金中初始Ti含量和不同温度的条件下,合金中平衡的Al含量与炉渣成分和温度的关系,并用渣-金平衡实验进行验证。CaF2-CaO-Al2O3-MgO-TiO2渣中改变TiO2含量对于控制合金中Al和Ti含量影响最大,其次是Al2O3、CaO、CaF2和MgO。当温度为1773 K时,渣中TiO2含量为2.2%时,合金中的Ti元素发生氧化;渣中TiO2含量为10%时,合金中的Al元素发生氧化;渣中TiO2含量为4.26%时,合金中的Al和Ti元素均不发生氧化。渣中FeO和SiO2很容易与合金中Al和Ti元素发生反应,且当冶炼温度降低对于渣中FeO和SiO2含量要求越苛刻。在满足合金机械性能的前提下,将合金中的Al和Ti成分设置为其规定成分的上限,有利于电渣重熔过程Al和Ti元素的控制。温度是影响合金中Al和Ti元素控制的重要参数之一。当冶炼温度升高时,合金中Ti元素要比Al元素更容易氧化,因此需要向CaF2-CaO-Al2O3-MgO-TiO2渣中额外添加TiO2以减少Ti元素的损失;在不同的TiO2含量范围内采用的冶炼温度也应当不同,即当渣中TiO2含量为0~4%时,应当采用低渣温;当渣中TiO2含量为13.5%~15%时,应当采用高渣温。最后,基于多相反应动力学的基本方程,建立了 Inconel 718合金Al和Ti元素氧化以及脱氧和脱硫反应的动力学模型。CaF2-CaO-Al2O3-MgO-TiO2渣中Al2O3和TiO2传质速率要远远小于合金中Al和Ti的传质速率,意味着渣中Al2O3或/和TiO2传质为限制性环节。CaF2-CaO-Al2O3-MgO-TiO2渣中各个组元对合金脱氧和脱硫的影响可以排序为CaOCaF2MgOTiO2。渣中CaO含量的增加不仅可以降低炉渣的粘度和增加浓度梯度有利于合金中氧化物夹杂(MgO·Al2O3)上浮,还可以降低渣-金界面氧的活度有利于脱硫反应,而渣中TiO2起相反的作用。冶炼温度升高,导致渣-金界面氧活度的增加,不利于合金脱硫。


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