Ways for Improving Purity of Cast Superalloy and Its Precision
Casting Component

YIN Ke-qin
(Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Abstract：At present, the purity of the cast superalloy and its precision casting component is an important technology problem during the process of producing alloy and precision casting component in our country. It has been paid great attention to by metallurgist since it not only affects the level of the alloy′s property and the stability, but also the quality and the qualified rate of the components. The factors including raw materials, metallurgy process, impurity and gases distributed in the cast ingot or the component are discussed in detail in this paper. In order to improve the metallurgical quality and the qualified rate of the cast component, the technical requirement and the ways to reach the requirement have been also proposed.
Key words: cast superalloy; purity; impurity

　　鑄造高溫合金是制造航空發動機的關鍵零部件的關鍵材料，其質量直接影響航空發動機的壽命，關系到飛機的安全。為此成為所關注的熱點問題。
　　合金及其零件的材質主要表現在合金內在的氣體和雜質含量，因為它是萌生裂紋的起源。為確保材質，許多國家都制定了相應的質量控制標準，如G.E.公司的 P29TF-S7《高溫合金中微量元素的允許極限》，英國R.R.公司斯貝發動機有關材料（包括所用原材料）和鑄件的技術標準。隨著航空發動機的發展，要求使用高性能水平的材料，如用定向、單晶合金制作為發動機的渦輪部件。其質量要求也提高了，如美國Cannon-Muskegon公司生產的CMSX-4 第二代單晶合金其氣體雜質含量是目前合金中最低的。
　　在我國，由于設備和工藝條件限制，現有高溫合金中氣體和雜質含量一般高于國際標準。因此合金性能水平有限，且波動性較大，制造零件的合格率較低。國外著名發動機公司生產的渦輪、導向葉片合格率,實心葉片在90%左右，空心葉片（復雜型腔空心葉片）達70%，我國尚達不到這個水平。因此提高合金和精鑄件的純潔度是當前我國冶金工作者一項重要任務，具有較大的社會效益和經濟效益。

1　合金純潔度的基本要求

　　先進航空發動機不僅要求材料有較高的性能水平，而且對材料的氣體夾雜含量也有較高的要求，以確保發動機的可靠性。就發動機渦輪葉片材料來看，隨著發動機的發展，由變形高溫合金發展到鑄造高溫合金；由等軸晶鑄造高溫合金發展到單晶高溫合金；由第一代單晶合金發展到第二、三代單晶合金。就一般鑄造高溫合金來說，合金中氣體含量一般在(5～10)×10^－6,而單晶合金如CMSX-4氣體含量(1～4)×10^－6。
　　合金中的雜質含量：關鍵性雜質元素Bi，Te和Tl小于 0.5×10^－6；Ag，As和Pb，Sn小于5×10^－6；雜質元素的種類最多約達40種，除了關鍵性雜質元素外，其它雜質元素的總量小于400×10^－6；單個雜質含量最大不超過25×10^－6。這是美國G.E.公司的要求。當然不同材料、不同零件要求也有所區別，但是總的趨勢是對合金中氣體雜質限量越來越嚴，已經發展到要求制備高純度合金，如已經制備了高純度的In718合金發動機關鍵零件。

2　提高純潔度的途徑

　　只有弄清合金中氣體和雜質的來源，采取措施以有效地去除合金中的氣體和雜質，才能從根本上提高合金的純潔度。

2.1　雜質的來源
　　合金中氣體和雜質一般是由以下幾種原因引起的：用于熔煉合金的原材料帶入氣體和雜質，如鎳、鉻、鈷等金屬原材料，按一定標準選用的金屬原材料，在合金熔煉中進入熔體，因此選用不同純潔度的原材料煉制的合金就有性能上的差異。如用兩種不同的鎳煉制的ЖC6KΠ合金，其性能就有明顯差異（見圖1）。用不同品位的鎳、鈷、鉻煉制 ЖC6Φ合金其持久強度也不相同。因此選用較純原材料，才能煉制優質的高溫合金。

圖1　鎳的純度對ЖC6KΠ(a)和ЖC6Φ(b)合金持久強度的影響
Fig.1　Effect of Ni purity on stress rupture of
ЖC6KΠ(a)and ЖC6Φ(b) alloy

2.2　合金原材料清潔處理的影響
　　煉制合金所用原材料是否清潔是極為重要的環節，由于原材料如鎳、鈷、鉻等制備方法不同，殘留在原材料上的外來物也不同。故使用金屬原材料煉制合金時必須預先進行清潔處理。如鋁塊堿洗，鎳塊酸洗或滾砂等以除去不必要的外來雜質。某些原材料也可以通過熔煉先期預處理以提高純度。如用某些原材料預先煉制低P低 S的中間合金，再用來煉制合金。

2.3　冶金熔煉過程中雜質的控制
　　合理的真空感應熔煉工藝，可以使合金中氣體和雜質進一步去除，如采用真空感應爐熔煉工藝使合金中的Pb和Bi的總量降低40%。當然，真空感應熔煉不可能完全去除其雜質。真空感應熔煉通過蒸發排除熔融合金中具有較高蒸汽壓的有色金屬雜質。因為當熔融合金中雜質減少到一定濃度，即低于臨界濃度時，則融熔合金表面雜質氣體的壓力將低于爐內真空度，雜質在此熔煉的熱力學條件下停止蒸發，圖2表明真空條件下融熔合金表面雜質蒸發條件。

圖2　真空條件下熔融合金表面雜質蒸發條件
Fig.2　Vapor condition of melt alloy surface impurity

　　合金中氣體也是由熔煉所用的原材料帶入的，析氣質譜研究以及熔煉時氣體成分和分壓的研究表明：在爐子氣氛中氫和水蒸氣的分壓均超過爐內氣氛的成分，達總量的90%。所以水蒸氣和氫氧峰值強度的增加與爐料完全融化攪拌和添加碳時析氣強度的增加相符。而在加入Ti，Al這些元素和攪拌時特別強烈。所以添加合金元素進行電磁攪拌時有利于氣體的析出。但氮的析出強度不大。氧在碳脫氧反應中去除，真空感應熔煉有利于C-O反應，同時也會加快合金中脫氧。俄國對 ЖC26-BИ合金的實驗，提高含碳融熔合金的溫度，即從1500～1550℃提高到1600℃，使ЖC26-BИ合金中氧濃度降低50%，強烈攪拌也有利于氣體的析出。
　　氮動力學研究表明，真空感應熔煉中溶化時可排除隨爐料加入的50%的氮，在真空熔融合金的高溫精煉的影響較大。在真空下合金中碳有較大的活性，與氧化硅、氧化鈉、氧化鉀等易還原的陶瓷發生強烈的作用，導致這些元素在融熔合金中積聚。采用在真空中高溫等溫保溫，可有效地排除融熔合金中Na，K。高溫等溫保溫時，可增強呈復雜化合物形式的這些元素的蒸發過程，例如在合金熔體中鉻的損失，Pb，Bi等元素的蒸發。
　　在真空感應熔煉采用爐渣混料是排除硫的有效方法。而且隨著爐渣堿度提高，除硫效果也增強，在容積10kg真空感應爐中用不同堿度即不同CaO含量的爐渣混料煉制ЖC26-BИ合金時，合金中硫濃度隨之變化。

2.4　提高母合金錠表面質量和內部質量
　　母合金錠表面和內部質量控制主要是對母合金錠表面狀態嚴格檢查，同時，切取料錠進行熔渣檢驗。按美國、英國著名航空發動機公司的標準，母合金錠不允許有一次縮孔和二次縮孔不得大于9mm(有的公司規定二次縮孔也必須切除)。在切除一次縮孔和二次縮孔時，不允許一次切斷，應沿圓周切，中心部位用沖擊錘沖斷以避免切割時砂輪的砂粒進入縮孔中，污染合金。錠子表面磨光，不允許有黑皮和黑斑。
　　料錠須經過熔渣檢查，目前有兩種方法：一是按R.R.公司的方法切取爐料，再真空感應爐中重熔，在1480℃下應見熔池表面的浮渣量，并不得超過總表面（熔池液面）的1%～2%；否則須再處理。另一種是用電子束爐進行EB鈕扣試驗，檢查熔渣面積。因此為確保鑄錠內部質量，一般都采用保溫帽口，擋渣過濾澆注，以減少鑄錠中的夾雜。我國目前在母合金錠技術條件中也有相應的標準要求，且制定了適合我國的航標浮渣檢驗標準HB5406—88。但執行情況不佳，因此對錠子質量要求有所放松。

2.5　返回爐料的合理使用
　　鑄造高溫合金由于含有較多貴重金屬元素，所以返回料的使用問題是函待解決的普遍問題。雖然不同合金返回料的使用和熔煉工藝有所區別，但一般來說，根據國外許多公司的試驗結果，返回料使用比例在50%～80%范圍。
　　返回料使用中最為關鍵的是氮濃度增高。鑄造合金返回料中的氮基本上是鑄造階段帶入的，一般集中在鑄件表面上。研究表明：在澆口表面深度在400μm處氮含量大于0.01。因此在返回料熔煉時，必須注意爐料表面的清潔處理，一般用滾筒滾砂，由于滾筒轉動塊料互相碰撞磨擦達4.5h，使其表面清潔后再入爐熔煉。
　　返回料和新料配制工藝，一般是先將返回料在真空重熔成錠，化學成分合格后再按比例 與新料錠重熔澆注成母合金錠。同樣應成分合格，性能合格，氣體和雜質符合要求后作爐料使用。一般要求返回料錠中N₂, O₂含量為(5～10)×10^－6; H₂(1～2)×10^－6。

2.6　改善鑄造條件，減少鑄錠過程中的雜質
　　純潔的母合金料在精練零件中，由于坩堝和殼型材料，型芯材料的污染也會影響到合金的純潔度，影響鑄件合格率。定向、單晶空心葉片，合金液在較長時間內，較高溫度下順序凝固易與殼型、型芯材料作用而污染合金。因此在精鑄零件時應特別注意熔煉坩堝、型芯、殼型的質量。就坩堝而言，一般使用等靜壓氧化鎂預成型坩堝，當然在國外曾用Al₂O₃，ZrO₂坩堝，其價格相對貴些。由于有豐富的資源，我國廣泛使用氧化鎂坩堝。使用時應注意避免合金錠與坩堝的機械碰傷。國外一些工廠在進行二次重熔澆注零件前，料塊必須100%倒角后才能入爐重熔。一般一個預制坩堝使用10次，10爐后合金中雜質含量增加。重要零件規定控制坩堝使用的最大壽命為5次。殼型強度，尤其是內表面一二層質量直接影響到鑄件質量，由于殼型內表面一二層質量不好，鑄件合格率僅為35%，經過工藝改進后，提高了殼型內表面的光潔度和一、二層強度，鑄件合格率提高到55%。應該說影響精鑄零件的質量因素很多。由于無余量精鑄過程較為復雜，尤其是空心葉片，應從各工序采取有效措施防止可能產生的雜質污染合金。

3　先進的熔鑄技術

　　目前正在采用一種新的熔鑄技術，這就是冷壁坩堝熔鑄。由于采用常規的方法熔鑄高溫合金時將受到熔煉坩堝耐火材料的污染，即使使用的母合金純潔度很高，在高溫下易與陶瓷發生反應而污染合金。這降低了合金鑄件的純潔度，影響鑄件合格率。因此近年來國內外采用冷壁坩堝熔鑄合金，如采用冷壁坩堝熔鑄定向、單晶合金零件。據報道，一種適用于高溫合金的冷壁坩堝熔鑄爐ISP2/IICC是較為先進的容量較大的冷壁坩堝爐。由于冷壁坩堝熔煉爐造價昂貴，一般用于高純單晶定向合金澆注零件。