难变形镍基高温合金GH4151合金的三联冶炼工艺的制作流程

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本技术介绍了一种难变形镍基高温合金GH4151合金的三联冶炼工艺，其根据GH4151合金成分要求，首先称取GH4151合金的原料，然后通过设定的工艺参数依次进行真空感应炉冶炼、保护气氛电渣重熔冶炼和真空自耗重熔冶炼，在三联冶炼过程中对电极及自耗锭的去应力退火处理，最终稳定地制备出最大尺寸为Φ508mm的GH4151合金自耗锭。通过本技术所述的三联冶炼工艺得到的GH4151合金自耗锭，解决了大尺寸自耗锭的开裂问题，制备的Φ508mm自耗锭的枝晶偏析程度也较低，硫和夹杂物含量也大大降低，提升了GH4151合金的冶金质量，为制备GH4151合金大规格棒材和大尺寸盘锻件奠定了基础。

技术要求

1.一种难变形镍基高温合金GH4151合金的三联冶炼工艺，其特征在于，所述的难变形镍基高温合金GH4151合金的原料各成分重量百分比(wt.%)为：C 0.04~0.08，Co 14.0~16.0，Cr 10.0~1

2.0， Mo 4.0~5.0，W 2.5~

3.5，V 0.40~0.80，Ti 2.50~3.10，Al 3.5~

4.0，Nb 3.0~3.5，S≤0.001，余量的Ni；

所述的难变形镍基高温合金GH4151合金的原料通过真空感应炉冶炼、保护气氛电渣重熔冶炼和真空自耗重熔冶炼制备得到GH4151合金自耗锭；其中，在所述的保护气氛电渣重熔冶炼的过程中，全程氩气流量40~100L/min，渣阻摇摆设定范围为0.1~0.7mohm，熔速控制范围为

2.5~8.0kg/min，水温控制范围为25~60℃，所用电渣的组分重量百分比为CaF2：Al2O3：CaO：MgO：TiO2 = 36~52%：18~30%：10~30%：

0~10%：余量。

2.根据权利要求1所述的三联冶炼工艺，其特征在于，所述的真空感应炉冶炼包括以下步骤：

步骤1、根据GH4151合金成分要求，称取合金原料；

步骤2、将所述的合金原料进行真空感应炉冶炼，所述的真空感应炉冶炼包括全熔、精炼和出钢，所述的全熔的温度为1500~1590℃，所述的全熔的真空度为0~40Pa；所述的精炼的温度为1500~1590℃，所述的精炼的真空度为≤10Pa；所述的出钢的温度为1400~1450℃，得到钢水；

步骤3、进行真空浇注，将钢水浇到钢锭模中，所述的钢锭模提前加热到400~500℃，在冒口处增加保温措施，得到VIM电极棒；

步骤4、将所述的VIM电极棒在1小时内转移到退火炉中进行去应力退火，退火温度900~1200℃，保温12小时以上，得到退火后的VIM电极棒。3.根据权利要求2所述的三联冶炼工艺，其特征在于，所述的保护气氛电渣重熔冶炼包括以下步骤：

步骤1、将所述的退火后的VIM电极棒，表面进行车光处理后，切掉冒口，随后进行电极焊接；

步骤2、采用的电渣的组分的重量百分比为CaF2：Al2O3：CaO： MgO：TiO2=36~52%：18~30%：10~30%：0~10%：余量；

步骤3、所述的退火后的VIM电极棒与结晶器的充填比为0.8~1.2，通入氩气，全程氩气流量40~100L/min，然后进行化渣、起弧、重熔、补缩、冷却和脱模工序，得到P-ESR电极棒；

步骤4、所述的P-ESR电极棒在1小时内进行去应力退火，退火温度900~1200℃，保温12小时以上，得到退火后的P-ESR电极棒。

4.根据权利要求3所述的三联冶炼工艺，其特征在于，所述的真空自耗重熔冶炼包括以下步骤：

步骤1、将所述的退火后的P-ESR电极棒表面进行车光或磨光处理，并加工至两端面平行，随后进行电极焊接；

步骤2、将初始真空度控制在0.8Pa以下，漏气率控制在0.4Pa/min以下；

步骤3、熔炼时充入氦气冷却，分别经过起弧阶段、稳定阶段、补缩阶段、冷却、破空脱模的工艺过程，所述的工艺过程的控制参数设置如下：熔速控制范围为2.8~4kg/min，氦气压力控制范围为300~700Pa，熔炼稳定阶段真空度为≤1Pa，冷却水温控制范围为18~28℃，得到VAR自耗锭；

步骤4、所述的VAR自耗锭在1小时内转移到退火炉中进行去应力退火，退火温度900~1200℃，保温12小时以上。

5.根据权利要求4所述的三联冶炼工艺，其特征在于，在所述的难变形镍基高温合金GH4151合金的原料中，所述的Al、Ti和Nb的重量百分比(wt.%)之和介于9~10.5%之间。

6.根据权利要求5所述的三联冶炼工艺，其特征在于，在所述的难变形镍基高温合金GH4151合金的原料中，所述的Cr、Co、Mo和W的重量百分比(wt.%)之和介于30.5~36.5%之间，所述的Cr的含量在10.5～12%。

7.根据权利要求6所述的三联冶炼工艺，其特征在于，在所述的难变形镍基高温合金GH4151合金的原料中，所述的Al、Ti和Nb的重量百分比之和为X，在所述的保护气氛电渣重熔冶炼制备的P-ESR电极棒直径为D，所述的P-ESR电极棒的去应力退火的保温时间t(单位为h)按以下公式计算：

t=（2*D+（X-10）*150）/60。

技术说明书

一种难变形镍基高温合金GH4151合金的三联冶炼工艺

技术领域

本技术属于热加工技术领域，具体涉及一种难变形镍基高温合金GH4151合金的三联冶炼工艺。

背景技术

涡轮盘是飞机发动机的关键热端部件，其冶金质量和性能水平对于发动机和飞机的可靠性、安全寿命和性能的提高具有决定性作用。随着高推重/功重比发动机的发展，对涡轮盘的承温能力、高温强度、长寿命、强韧性、疲劳性能、可靠性及耐久性提出了更高的要求，要求涡轮盘用镍基变形高温合金的合金化程度越来越高、γ′相含量越来越高、纯净度越来越高；同时涡轮盘直径也在变大，要求大规格棒材和大锭型钢锭，也增加制备合金及涡轮盘的制备难度；而作为先进飞机发动机的涡轮盘选材，还要求有很高的纯净度，比如低硫低夹杂。

目前GH4151合金大批量生产主要为两联冶炼工艺（真空感应炉冶炼（VIM）和真空自耗重熔冶炼（VAR）），也见过三次熔炼冶炼工艺（真空感应炉冶炼（VIM）+保护气氛电渣重熔冶炼（P-ESR）+真空自耗重熔冶炼（VAR））的报道，由于该合金的合金化程度高，再加上VIM锭和VAR 锭的热塑性差，制备的自耗锭容易开裂，尤其是对于大锭型开裂更明显；同时 VIM制备的电极常有裂纹和较深缩孔，直接进行VAR冶炼，冶炼曲线波动大，导致枝晶偏析难控制并增大了冶金缺陷出现的风险，严重影响了自耗锭的冶金质量。因此，为控制合金枝晶偏析程度和防止钢锭开裂，国外该合金自耗锭最大尺寸为Φ320mm。由于自耗锭尺寸小，要制备大规格棒材和大尺寸盘锻件，一直存在工艺复杂、容易开裂、枝晶偏析程度高、杂质较多、成本高，不适宜批量工业生产，影响了该合金的推广应用。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的技术问题。

技术内容

为解决现有技术存在的问题，本专利提供一种难变形镍基高温合金GH4151合金的三联冶炼工艺，能稳定地制备出最大尺寸为Φ508mm的自耗锭，解决了大尺寸自耗锭的开裂问题，制备的Φ508mm自耗锭的枝晶偏析程度也较低，大大降低了硫和夹杂物含量，提高了合金纯净度；提升了

GH4151合金自耗锭的冶金质量，为制备大规格棒材和大尺寸盘锻件奠定了基础。

本技术提供一种难变形镍基高温合金GH4151合金的三联冶炼工艺，所述的难变形镍基高温合金GH4151合金的原料各成分重量百分比(wt.%)为：C 0.04~0.08，Co 14.0~16.0，Cr 10.0~12.0， Mo 4.0~5.0，W 2.5~3.5，V 0.40~0.80，Ti 2.50~3.10，Al 3.5~4.0，Nb 3.0~3.5，S≤0.001，余量的Ni；所述的三联冶炼工艺包括真空感应炉冶炼、保护气氛电渣重熔冶炼和真空自耗重熔冶炼；其中，在所述的保护气氛电渣重熔冶炼过程中，全程氩气流量40~100L/min，渣阻摇摆设定范围为0.1~0.7mohm，熔速控制范围为2.5~8.0kg/min，水温控制范围为25~60℃，采用的电渣的组分重量百分比为CaF2：Al2O3：CaO：MgO：TiO2=36~52%：18~30%：10~30%：0~10%：余量。

通过上述技术方案，可解决大尺寸自耗锭的开裂问题，制备的自耗锭的枝晶偏析程度也较低；通过选取适宜的渣系和工艺参数匹配，大大降低了硫和夹杂物含量，提高了合金纯净度。

进一步地，对于所述的的三联冶炼工艺，所述的真空感应炉冶炼包括以下步骤：

步骤1、根据GH4151合金成分要求，称取合金原料；

步骤2、将所述的合金原料进行真空感应炉冶炼，所述的真空感应炉冶炼包括全熔、精炼和出钢，所述的全熔的温度为1500~1590℃，所述的全熔的真空度为0~40Pa；所述的精炼的温度为1500~1590℃，所述的精炼的真空度为≤10Pa；所述的出钢的温度为1400~1500℃，得到钢水；

步骤3、进行真空浇注，将钢水浇到钢锭模中，钢锭模提前加热到400~500℃，在冒口处增加保温措施，得到VIM电极棒；