用于生产低氮、基本不含氮化物的铬和含有铬加铌的镍基合金的方法以及所得铬和镍基合金技术

本发明专利技术涉及一种用于生产低氮、基本上不含氮化物的铬和含有铬加铌的镍基合金的方法以及所得铬和镍基合金。所述方法包括将不溶解可感知量的呈熔融状态的氮的元素或化合物装入真空感应炉内的耐火坩埚中，在减压下熔化其中的所述元素或化合物，并且以受控的方式进行非均匀基于碳的气泡成核。所述方法还包括，在气泡形成停止时，将具有低于10ppm的氮含量的低氮铬或低氮含铬母合金添加至所述熔体，将所述添加的铬或含铬母合金熔化并且分布在整个所述熔体中，使所述所得合并熔体达到一定温度和周围压力以允许出料，并且将所述所得熔体直接或间接地放出到金属模具中，并且使所述熔体在减压下凝固和冷却。

【技术实现步骤摘要】
用于生产低氮、基本不含氮化物的铬和含有铬加铌的镍基合金的方法以及所得铬和镍基合金本申请是申请日为2015年10月5日，专利技术名称为“用于生产低氮、基本上不含氮化物的铬和含有铬加铌的镍基合金的方法以及所得铬和镍基合金”的中国专利申请201580060224.4的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2014年11月5日提交的美国专利申请号14/533,843的权益，所述美国专利申请的内容以引用的方式整体并入本文。专利技术背景1.专利
本专利技术涉及用于生产低氮、基本上不含氮化物的铬和含有铬加铌的镍基合金的方法以及所得铬和镍基合金。2.相关技术说明飞机发动机中的旋转金属零件的寿命通常由疲劳开裂决定。在此过程中，裂纹在金属内的某些成核位置处引发，并且以与材料特性和部件所经受的应力相关的速率传播。这进而限制零件在其使用寿命期间将承受的循环次数。针对超合金开发的清洁熔化生产技术(cleanmeltingproductiontechnique)已经引起基本上消除此类合金中的氧化物夹杂物，其程度为使得现在疲劳裂纹主要起源于结构特征，例如起源于晶界或初级沉淀物簇如碳化物和氮化物。已经发现，在合金718(参见合金718规格(AMS5662和API6A718)，其以引用的方式并入本文)的凝固期间形成的初级氮化物颗粒(其是用于生产飞机发动机旋转零件以及用于石油和天然气钻探和生产设备的主要合金之一)是纯TiN(氮化钛)，并且通过在TiN颗粒表面上的非均匀成核发生初级Nb-TiC(铌-碳化钛)的沉淀，从而增加沉淀物粒度。可通过两种方式降低粒度：通过尽可能降低碳含量或通过降低氮含量。通常为了防止在使用温度下的晶界滑移，超合金、不锈钢和其他特种钢的许多商业规格建立最小碳含量。因此，在组成上减小粒度的唯一实用手段是尽可能广泛地降低材料中的氮含量。那么，由于氮化物首先沉淀，所以除去氮取代除去碳的重要性。然而，一旦氮化物沉淀被抑制，由于碳将不会通过在氮化物颗粒周围沉淀而被消耗，所以本体液体的碳含量也可降低。这将导致凝固前沿处的枝晶间液体与本体液体之间的密度最终差异的改进。因此，可获得较小程度的熔析，这有利于生产大于工业中当前标准的铸块，同时仍然满足使用中的所有特性和预期性能标准。此外，这种类型的材料的开发在单晶镍基超合金的生产方面提供显著优点。所述技术的主要问题之一是避免氮化钛沉淀的有害作用，因为那些颗粒变成充当额外凝固前沿的树枝状晶体的不均匀核。这将产生边界，从而防止铸件具有均匀结构。在SolidificationandPrecipitationinIN718,A.Mitchell和T.Wang,Superalloys718.625.706andVariousDerivations,E.A.Loria编辑,TMS(TheMinerals,MetalsandMaterialsSociety),2001中，据报道，如果可获得不含氮化物的原料，则它将使凝固速率相对于用于使用常规材料生产相同零件的固化速率加倍。
技术实现思路
本专利技术提供用于制造合金的方法，其中可基本上消除氮化物在其凝固期间的沉淀。这种结果通过本专利技术的两步熔化法获得。在第一步中，将不溶解可感知量的氮的元素或此类元素的化合物或合金(例如钴、镍、铁、钼、钨、铜、铼、钴镍、铁钼、铁钴、铁钨、铁镍等)装入真空感应炉内的耐火坩埚中并在其中熔化。在熔化完成后，进行剧烈和受控的非均匀气泡成核或碳沸腾，以便除去由那些元素或化合物携带到熔体中的最大部分的残余氮。通过以受控方式向熔体中添加碳以便使可能导致在固体金属中形成碳化物的碳增量(carbonpickup)最小化来引发碳沸腾。沸腾作用通过搅拌促进熔融液体的冲洗或洗涤，从而导致氮扩散至气体/液体界面并将氮吸收到气泡中，所述气泡上升至熔体表面并且在所述炉内维持的减压下除去。为了说明碳沸腾及其在除去氮方面的有效性，合金718的典型组成包含铁、镍和钼，它们通常一起占合金的约76重量％并且一起向装料贡献约20ppm氮。因此，这将向最终合金组成中添加约15ppm氮。然而，通过采用碳沸腾技术，15ppm氮可在最终合金组合物中被减少至约0至约2ppm氮的范围。当系统中的氧耗尽时，碳沸腾消退并且最终完成。一旦完成碳沸腾，就可将用于制造超合金、不锈钢和其他特种钢所需的剩余元素或化合物(例如，铬铌、钛、铝原材料等)添加至熔体。考虑到这些元素或其化合物、特别是铬和铌溶解大量的氮(通常介于约150与200ppm之间)，目前可获得的原料完全不适合于获得低氮含铬的镍基超合金，因为在典型的镍基合金规格中铬和铌含量的总和是约15％，并且特别是对于合金718通常是约24％。因此，含铬和铌的原料必须以不允许存在于大气中的氮在制造期间污染金属相的方式生产，因为一旦吸收氮，除去就将极其困难和昂贵。然而，通过添加铬和铌作为通过在减压下进行的金属热反应获得的低氮母合金，可实现获得低氮、基本上不含氮化物的铬或含有铬加铌的镍基合金的目标，其中首先通过排空系统除去空气，将混合物点燃，并且在减压下进行材料的还原、固化和冷却，从而产生含有少于10ppm氮的铬-铌母合金。电子束熔化是用于生产低氮镍基合金的熟知方法；然而，当与生产率高至少一个数量级的现有技术真空感应熔化炉相比时，它非常昂贵并且极其慢。例如，电子束熔化法的生产率是每小时约100千克；而真空感应熔化炉的生产率是每小时约3至5公吨。本专利技术通过真空感应熔化途径实现低氮、基本上不含氮化物的铬和含有铬加铌的镍基合金的可靠生产。本专利技术的方法包括首先将具有较低氮溶解度的元素或此类元素的化合物装入真空感应熔化炉并且熔化其中的所述装料。在装料熔化完成后，将碳源引入熔体中，从而产生剧烈沸腾，在此期间溶解于液态金属中的氮被吸收在沸腾时形成的碳氧化物(CO/CO2)气泡中并且通过由上升的气泡实现的冲洗或洗涤作用而从熔体中除去。所述方法的这种第一顺序对于获得含低氮的中间产物(即具有少于10ppm氮的产物)来说是必要的；然而，第一顺序本身不足以确保获得基本上不含氮化物的产品。因此，在系统中的氧耗尽(氮和氧两者都被气泡吸收)并且沸腾作用消退之后，可将具有高氮溶解度的材料(例如铬和铌)加入熔体中。为了获得基本上不含氮化物的合金，首先将含有铬和铌的原料通过在完全在减压下进行的方法中从其氧化物或其他可还原化合物还原来生产为母合金，所述方法包括金属热反应点燃、凝固和冷却至足够低的温度以用于安全处理，所有这些都在减压下进行。本专利技术还提供由在减压下生产的低氮金属铬或含铬母合金和上述碳沸腾程序获得的含铬的镍基超合金，如合金718、625、925、600、720等，所述镍基超合金含有氮含量低于10ppm的铬。本专利技术还提供通过相同方法生产的氮含量低于10ppm的不锈钢。通过采用上述两个步骤顺序，可以可靠地生产基本上不含氮化物的这些材料。附图简述图1是实施例1中获得的横截面样品的一部分在100x放大率下的显微照片；图2是实施例1中获得的横截面样品的一部分在250x放大率下的显微照片；图3是实施例1中获得的横截面样品的一部分在500x放大率下的显微照片；图4是实施例1中获得的横截面样品的一部分在3,000x放大率下的显微照片，其中白色颗粒是碳化物(Nb,Ti)C；并且图5是在实施例1中由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于生产低氮、基本上不含氮化物的铬或含有铬加铌的镍基合金的方法，所述方法包括：a)将不溶解可感知量的呈熔融状态的氮的元素或元素的化合物装入真空感应炉内的耐火坩埚并且在减压下熔化其中的所述元素或化合物；b)以受控的方式进行非均匀基于碳的气泡成核，从而实现从所述熔体中除去至少一些氮和氧；c)在气泡形成停止后，将具有低于10ppm氮含量的低氮铬或低氮含铬母合金添加至所述熔体，所述铬或含铬合金已经通过如下制备：i)对容纳于能够耐受铝热剂反应的真空容器内的包含铬化合物和金属还原剂的铝热剂混合物进行真空脱气至小于1毫巴的初始压力；ii)点燃所述铝热剂混合物以实现所述容器内的所述铬化合物在减压下的还原；iii)使所述反应产物在减压下凝固；以及iv)将所述反应产物在减压下冷却至环境温度，其中步骤ii)至iv)在低于1巴的压力下进行；d)将所述添加的铬或含铬母合金熔化并分布到整个所述熔体中；e)使所述所得合并熔体达到一定温度和周围压力以允许出料；以及f)将所述所得的熔体直接或间接地放出到金属模具中且使所述熔体在减压下凝固和冷却。

【技术特征摘要】
2014.11.05 US 14/533,8431.用于生产低氮、基本上不含氮化物的铬或含有铬加铌的镍基合金的方法，所述方法包括：a)将不溶解可感知量的呈熔融状态的氮的元素或元素的化合物装入真空感应炉内的耐火坩埚并且在减压下熔化其中的所述元素或化合物；b)以受控的方式进行非均匀基于碳的气泡成核，从而实现从所述熔体中除去至少一些氮和氧；c)在气泡形成停止后，将具有低于10ppm氮含量的低氮铬或低氮含铬母合金添加至所述熔体，所述铬或含铬合金已经通过如下制备：i)对容纳于能够耐受铝热剂反应的真空容器内的包含铬化合物和金属还原剂的铝热剂混合物进行真空脱气至小于1毫巴的初始压力；ii)点燃所述铝热剂混合物以实现所述容器内的所述铬化合物在减压下的还原；iii)使所述反应产物在减压下凝固；以及iv)将所述反应产物在减压下冷却至环境温度，其中步骤ii)至iv)在低于1巴的压力下进行；d)将所述添加的铬或含铬母合金熔化并分布到整个所述熔体中；e)使所述所得合并熔体达到一定温度和周围压力以允许出料；以及f)将所述所得的熔体直接或间接地放出到金属模具中且使所述熔体在减压下凝固和冷却。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述铬或含铬合金先前所经受的所述方法中采用的所述还原剂是铝。3.根据权利要求1所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·A·塞尼克，
申请(专利权)人：巴西冶金采矿公司，
类型：发明
国别省市：巴西,BR