合金设计及其熔炼第三章有色合金及其熔炼.ppt

航空发动机结构5.5真空感应炉熔炼真空感应炉是真空熔炼的主要设备，熔炼温度、压力可以单独控制。通过电磁感应搅拌，控制合金熔体的质量传输，使真空熔炼的合金成分得到精确控制，这在其他熔炼工艺中难以做到。与其他熔炼工艺相比较，真空感应炉熔炼具有如下特点：（1）无空气和炉渣的污染，冶炼的合金纯净；（2）真空下冶炼，创造了良好的去气条件，熔炼的合金气体含量低；（3）真空下金属不易氧化，可精确控制化学成分，特别是把含有与氧、氮亲和力强的活性元素（如：Al、Ti、B、Zr等）控制在很窄范囿内；（4）原材料带入的低熔点有害杂质（如：Pb、Sn、Bi、Sb、As等），真空下可部分蒸发去除，提高纯度，以提高材料的性能；（5）真空条件下，碳具有很强的脱氧能力，其脱氧产物CO不断被抽出炉外，无金属脱氧剂所带来的脱氧产物；（6）炉内气氛及气压可选择和控制，由于氧化损失少，元素的收得率高；（7）感应搅拌使熔体成分均匀，可加速熔体反应，缩短熔炼周期；（8）真空感应炉的不足之处主要有两方面：1）熔体与坩埚耐火材料可发生反应，污染熔体。2）合金锭的晶粒组织粗大、不均匀、缩孔大、凝固偏析严重。5.5.1冶金反应主要的冶金反应包括：脱氧、除气、杂质及组分的挥发、熔体一坩埚反应等。（1）脱氧：碳脱氧是最主要的脱氧反应，由于碳氧产物是气体，真空熔炼有利于脱氧反应进行，而且合金中不存在非金属夹杂及脱氧产物。碳脱氧反应如下：在铁和镍熔体中，K与温度T的关系为：式（4-33）可写成：表明，真空熔炼碳是强脱氧剂（碳在镍基合金中脱氧能力强于铁基合金中）。但熔体在实际真空感应熔炼后，其氧含量为：2×10-4%~3×10-3%，与理论计算相差4~5个数量级，其原因归因于熔体与坩埚的相互作用。可计算不同CO压力下碳的脱氧能力。如：1600℃镍熔体与0.1%C平衡的氧浓度在CO压力为1.01×l05Pa下为1.05×10-3%，而在CO压力为0.1Pa下为1.05x10-9%。CO脱氧过程分为两阶段：1）沸腾期：CO在近熔池-坩埚的界面上生核并形成气泡，穿过熔体造成沸腾。2）脱附期：熔体中碳、氧浓度不断下降，当熔体中生成的CO压力不足以形成气泡核心，CO只在熔池表面生成，并脱附进入气相。一旦气泡生核，即可长大，其长大速度与下述因素有关：真空度，2)熔体内CO的过饱和度，3)气泡在熔体内上升的液静压力,4)上升到达熔池表面所需的时间。其中，熔体中CO扩散到气泡--熔体界面及通过界面的扩散是过程的控制性环节。（2）除气：氧、氮和氢是主要气体杂质，真空熔炼的主要目就是去除这些气体。这里除气主要是脱氮和脱氢。根据气体在溶液中的平方根定律：如果Ni熔体表面的氮压力是1.33×10-2Pa，则1600℃达到平衡的氮、氢含量应为3.6×10-7和1.37×10-6。实际上，真空感应炉熔炼高温合金的含氮量一般为(10-30)×10-6N和(1-3)×10-6H。这归因于合金中Cr、V、Al、Ti、Nb等元素与N生成分解压力很低的稳定氮化物，可明显降低氮在熔体中的活度，特别是Al、Ti元素对残余氮量影响更大。图4.56CH901含氮量与精炼温度时间的关系表明，随温度提高、精炼时间延长，脱氮效果提高，且氮降低量与精炼时间呈渐近线的关系。脱氮速度与脱碳速度有关，随脱碳速度提高，熔池沸腾，熔体中氮迅速向CO气泡扩散，并被携带进入气相的速度增加，因而脱氮速度加快。熔体温度及保持时间对除气有影响，熔体温度对GH2901合金真空感应除气效果的影响如图4.56所示，精炼初期降低速率快，随后，氮量降低速率愈来愈缓慢。（3）挥发：有害元素As、Sb、Sn……等在高温合金中尽管含量很低，但明显降低合金的性能。由于它们具有较高的蒸气压，故有害元素可在真空熔炼中有效地挥发去除。图4.57真空下80Ni--20Cr合金熔体中有害元素的挥发合金熔体中各组分的挥发与它的蒸气压、浓度、温度和炉内气压有关。S难以从Fe或Ni液中挥发去除，但熔体中C、Si等元素的存在，可使其形成CS、CS2和SiS挥发去除，故真空熔炼有一定的脱S效果。a-Si的值只有1.4×10-4，其挥发系数最低，因此，硅在真空熔炼下不可能挥发去除。（4）熔体--坩埚反应坩埚由MgO耐火材料制作，高温真空下，MgO有一定的分解压，当坩埚与合金熔体（含活性元素）接触时，可能被还原，从而影响合金的组成。当高温合金熔体中含有碳时，碳与坩