2015特钢年会 镍基合金大型化冶炼流程的关键问题探讨 郭 汉 杰 北京科技大学 2015 年 9月 24日

1 大型镍基合金铸锭的需求 主要内容 2 国内外制备大型镍基合金的方法及特点 3 存在的问题 4 可能的解决方案 5 需要解决的问题分析

镍基合金 镍基合金（又称镍基高温合金)，30年代研制，为适应耐高温需求，40年代初期英国首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；后来为了提高蠕变强度添加铝，设计出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。之后美国、苏联、中国也在此基础上相应研制出各具特色的镍基合金。就合金成分，所谓的配方都不大可能保密很久。其中可以溶解很多合金元素，主要分为三类： 1）强化元素： 固溶强化的元素——钨、钼、钴、铬和钒等； 沉淀强化元素——铝、钛、铌和钽； 晶界强化元素——硼、锆、镁和稀土元素等。 2）影响合金组织的元素：主要是Al，Ti，使镍基合金保持较好的组织稳定性，形成共格有序的 A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti，Nb)]和γ"[Ni3Nb]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度； 3）抗氧化和抗腐蚀的元素。这类元素主要是Cr，它在镍基合金中具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。也就是说，在镍基合金所含有的十多种元素中，Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，而其他元素主要起强化作用。

1 第 部分 大型镍基合金的需求问题

大型镍基合金铸锭的需求 大型镍基合金铸锭的需求 1 — 重型燃气轮机转子 Ø2200mm涡轮盘 地面燃汽轮机转子 "瓦良格"号用r0110重型燃气轮机 地面燃汽轮机转子 Ø2200mm涡轮盘 随着国家重大装备的大型化和高参数化，对大型镍基合金铸锭的需求也越来越迫切。 5

大型镍基合金铸锭的需求 大型镍基合金铸锭的需求 2 — 700℃以上先进超超临界火电机组 典型的A-USC 电站示意图 发展大容量、高参数、超临界和超超临界发电机组，可以极大提高发电机组的热效率。在600℃等级超超临界发电技术成熟后，欧盟、美国和日本先后启动了700℃及以上超超临界发电技术研究。 Ø1000-Ø1500mm需要镍基合金锭10-30t 参数名称 蒸汽温度（℃ ） 蒸汽压力（ MPa） 热效率（%） 煤耗（ g/kWh） 中温中压 435 35 24 480 高温高压 500 90 33 390 超高压 535 13 360 亚临界 545 17 38 324 超临界 566 41 300 超超临界 600 27 43 284 700℃超超临界 700 46以上 210

大型镍基合金铸锭的需求 大型镍基合金铸锭的需求 3 — 发动机、压力容器、油气开采 为满足国家重大工程、重大装备和国防军工需求，制备大型镍基合金铸锭是非常必要的！

2 第 部分 国内外制备方法分析

国内外制备大型镍基合金锭方法及其特点 制备方法 铸造镍基合金 粉末镍基合金 变形镍基合金 变形镍基合金 一般为小型件，如叶片等 氧含量高、夹杂物多、有气孔 大型件制造成本昂贵 粉末镍基合金 变形镍基合金 变形镍基合金 适合制备大型件 适合制备大型件 目前，在变形镍基高温合金的生产上，GH4169（Inconel718）能稳定生产的最大锭型为Ø660mm；美国GE试制了Ø914mm的Inconel718合金，抚钢试制了Ø920mm的GH706合金。美国SMC、Haynes、ATI公司，德国VDM公司，法国INDUSTEEL公司等均在积极研究大型镍基合金的制备。

2005年，据说意大利相关科技人员掌握了Φ860（34”）的IN718铸锭的技术。我国在这方面还有很大差距！

制备大型镍基合金锭方法及其特点 大型变形镍基合金锭冶炼工艺 两步法 冶炼工艺 三步法 1)VIM+VAR 2)VIM+ESR 冶炼工艺  两步法 1)VIM+ESR+VAR 2)VIM+VAR+ESR 三步法 VAR与ESR均可作为终端工序，但都不能同时解决大型化时内部与表面质量的问题！

3 第 部分 需要解决的问题

问题 电渣重熔大型镍基合金锭存在的问题1 — 成分和组织偏析： 重要限制性环节 铸锭不同半径位置的二次枝晶间距 Inconel718合金两相区温度区间与其他合金比较 电渣重熔熔池深度通常为结晶器直径的1/3-1/2；直径越大，熔速越快，金属熔池越深，两相区越宽，越易偏析 。 ΔT=193℃ ΔT=60℃ ΔT=50℃ ΔT=100℃

问题 电渣重熔大型镍基合金锭存在的问题2 — 偏析和表面质量互为矛盾 熔速慢 熔速快： 内部组织均匀； 表面质量好； 熔池浅； 两相区窄； 表面质量差； 成材率低，严重时无法后续加工。 熔速快： 表面质量好； 内部质量差； 熔池深； 两相区宽； 偏析严重； 大锭型质量无法保证。 ESR, 272 kg/h D = 432 mm ESR, 591 kg/h D = 432 mm

问题 电渣重熔大型镍基合金锭存在的问题3 — 易氧化元素的烧损和成分均匀性 电渣重熔过程元素 氧化反应原理图 高温合金电渣不同部位的铝钛含量

4 第 部分 可能的解决方案

可能的解决方法探索 问 题 原 因 新思想 直径大 熔速快 熔池深 两相区宽 电渣定向凝固 成分和组织 偏析严重

新方法：单电源导电结晶器气氛保护抽锭（CCM-I-ESRW） 制备大型镍基合金锭 新方法特点： 1）导电结晶器 — 改变渣池和金属熔 温度场，形成扁、平状的熔池 2）气氛保护 — 易氧化元素控制； 3）抽锭 — 等截面积，增加钢锭吨位； CCM-I-ESRW示意图

四种工艺特点比较 电渣重熔 ESR 气氛保护电渣PESR 真空自耗 VAR 导电结晶器气氛保护抽锭电渣 CCM-I-ESRW 熔池深度 一般 浅 浅、平 组织均匀性 ★ ★★ 元素偏析 小 夹杂物 ★★★ 白斑 无 有 纯净度 ★★☆ 表面质量 脱气 × √ 方 法 项 目

5 第 部分 需要解决的问题

需要解决的问题 1. CCM-I-ESRW新方法冶炼大型镍基合金锭相关参数调控机制 电流调节机理 — 分析填充比、渣系、电极插入深度等对电流分配的影响。 数值模拟 — 模拟不同电流分配比例的渣池温度场、熔池温度场及形状，分析对铸锭表面质量、凝固组织的影响。 CCM-I-ESRW示意图

数值模拟研究 (a)电流密度 (b)磁场强度 (c)电磁力 (d)铸锭温度 (e)导电结晶器电渣重熔渣池温度场分布

需要解决的问题 2. CCM-I-ESRW制备大型镍基合金锭渣系研究及成分均匀性控制 从热力学出发，降低SiO2 含量的同时，得到合适的熔渣粘 度，获得良好的铸锭表面质量； 利用炉渣分子-离子共存理论，研究提高碱度降低SiO2 活 度，减轻其与易氧化元素反应的理论方法；利用多元多相 反应的原理进行渣-金平衡反应研究； 新渣系的物理化学性质研究，分析测试在渣系成分波动时 这些相关的物理化学性质的变化规律； 从气-渣间和渣-金间反应动力学，研究渣系成分与合金成 分的相互影响规律及其动态变化过程。 CCM-I-ESRW示意图

渣系开发 通过计算和试验研究，开发了CaF2-CaO-Al2O3-SiO2 四元渣和CaF2-CaO-MgO-Al2O3-SiO2 五元渣系列，目前已应用于国内多家特钢企业的抽锭电渣重熔生产。 抽锭渣系成分设计 熔渣粘度随温度变化曲线

需要解决的问题 3. 研究CCM-I-ESRW对大型镍基合金铸锭组织和性能的关系 利用激光共聚焦显微镜动态原位观察镍基合金凝固 过程及碳化物、Laves相等在枝晶间的析出机理。 研究不同冷却速度下镍基合金凝固微观机制(二次枝 晶间距的变化规律、碳化物形貌及析出弥散规律、 Laves相形貌尺寸及Nb、Mo在枝晶间液态区的聚集 规律)； 添加P、B等微量元素，对Laves相尺寸变化和组织结 构影响规律，对Nb、Ti元素在枝晶间区域富集的影 响情况。 CCM-I-ESRW示意图

特别关注强化相γ’和γ”的控制问题 IN718合金的关键强化元素是Nb、Ti、Al，常规组织是合金相内析出的 γ’[Ni3(Nb,Ti,Al)]和γ”强化相（Ni3Nb）及晶界析出的MC型碳化物和δ相。 γ”强化相的特点是能获得比γ’更高的屈服强度，这是由于γ”强化相与基体 γ共格，点阵错配度较大，共格应力强化作用显著。IN718镍基合金虽然具有优 良的使用性能和加工性能，但其稳定性较低，一般使用温度不超过650℃。这是 由于主要γ”强化相是亚稳定相，其在650℃及以上温度长期使用后γ”强化相 会逐渐粗化，转变为稳定的δ相，导致合金的稳定性和蠕变性能较低。未来先 进发动机对涡轮盘的使用温度将突破650℃，目前即使先进的IN718镍基合金也面 临严重挑战，在目前IN718的基础上，必须开发新一代更加先进的镍基合金。

凝固组织研究 (a)、(b)传统电渣组织； (c)、(d)优化工艺后的电渣组织 一定拉速下FGH96枝晶组织

关键问题 CCM-I-ESRW新方法对金属熔池形状的影响机制（圆柱段高度、两相区宽度、熔池深度、结晶角角度）；

研究基础 本课题组郭汉杰教授主持的国家自然科学基金支持项目《热作模具钢H13中纳米析出物的析出机理及其对钢的强化作用》获得重大成果，H13生产条件下各项指标达到国际先进水平。

谢谢！