镍基合金中非金属夹杂物及其去除技术的研究

论文摘要

随着航空、航天、导弹和电子工业技术的飞速发展,对镍基合金的质量要求日益严格,尤其是对镍基合金中的线材,不仅要求其具有合格的化学成分和使用性能,而且还要求其具有合格的内在质量和表面质量。本文对某合金厂生产的4J43合金和Cr20Ni80合金线材出现的表面缺陷等质量问题进行了研究,发现与国内外同类产品相比,其合金成分较好,但合金中含有大量的脆性非金属夹杂物,这是导致产品出现表面裂纹、凹坑等质量问题的主要原因。针对目前镍基合金中非金属夹杂物的研究滞后,没有统一的鉴定和检测标准等问题,研究开发了新型的电解液,并采用金相检验与电解检验相结合的方法,对镍基合金线材中的非金属夹杂物进行了系统的研究,分析了合金中夹杂物的来源,并针对4J43合金和Cr20Ni80合金的生产工艺进行了优化。初步获得了较好的研究结果。配制了以复合含氧酸盐、氯化钠、柠檬酸钠为电解质的电解液,该电解液不仅可以高效萃取出镍基合金中的非金属夹杂物,而且电解过程中电解液温度变化小、PH值恒定,絮状的阳极泥沉淀少,电解过程平稳,电解后半透膜中的夹杂物混杂的金属掉渣少,清洗分离容易,收得率高,萃取所得的夹杂物较好地保留了在合金中的原貌,提高了实验分析的准确性。两种镍基合金中的夹杂物主要是熔炼过程生成的脱氧产物,因在浇注前未能完全上浮而滞留在合金中,属内生夹杂物。这些由Al、Si、Ca、Mn、Mg、Ti、Fe、Ni等元素组成的硅酸盐、铝酸盐及它们的复合夹杂物,在合金中因生成的时间、凝固的条件以及成分的不同而呈球状、小块状、条状及不规则形状。其中,大尺寸的脆性宏观夹杂物对合金的性能影响最大,尤其是4J43和Cr20Ni80合金中由Ti、Al、Fe组成的复合夹杂物,这类夹杂物主要是熔炼中钛脱氧产生的钛的氧化物或氮化物,多以锐角规则形貌出现,尺寸在20-300μm,变形率低、并具有较高的硬度。由于这种脆性夹杂物与合金基体之间在变形性方面存在着较大的差异,在加工变形过程中,合金基体的均匀连续性受到破坏,引起应力集中,导致合金基体与夹杂物交界处产生微裂纹,并且随着应力的增加,裂纹扩展并最终形成宏观缺口或断丝。采用三元酸性渣系CaF2-Al2O3-CaO对中频感应熔炼后的4J43合金进行电渣重熔,实验证实,在此渣系下电渣重熔工艺稳定,电渣重熔后的4J43合金中非金属夹杂物总量减少了近40%,大于50μm的夹杂物完全消除,夹杂物的粒径主要控制在0～20μm,由于电渣重熔前合金中的脆性夹杂物（以铝酸盐为主的复合夹杂物和附合了氧化铝和氧化铁的氧化钛、氮化钛夹杂物）在重熔过程中已完全去除,重熔后合金中的新生夹杂物主要是塑性的硅酸盐类夹杂,使得合金的抗拉强度和延伸率都有较大的提高,但重熔前后4J43合金膨胀性能无明显变化,均在国标规定范围内。下游用户质量反馈证实:新工艺生产的4J43合金其表面质量和后续加工的成材率都比以前有较大提高。实验研究了钢包吹氩工艺参数对Cr20Ni80合金中夹杂物去除效果的影响,当吹氩量大于3.5L/min时,吹氩后夹杂物不但没有减少还有所增加,特别是大尺寸夹杂物,这主要是吹氩量大时氩气泡尺寸较大,引起钢液波动造成钢液卷渣和二次氧化;吹氩量选择在3L/min时,夹杂物去除效果最好,与未吹氩相比,合金中夹杂物可减少23%,特别是大尺寸夹杂物减少了12%,实验检测证实,在这种吹氩参数下生产的Cr20Ni80合金,其快速寿命和力学性能都有较大的提高,用户反馈得到了相同的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景综述
• 1.1.1 镍及镍基合金的生产及应用现状
• 1.1.2 某合金厂生产的镍基合金线材的质量问题
• 1.2 非金属夹杂物的研究
• 1.2.1 发展历史
• 1.2.2 来源、分类及对合金性能的影响
• 1.2.3 检验分析方法
• 1.2.4 去除条件及方法
• 1.3 镍基合金中非金属夹杂物的研究现状
• 1.4 本课题的研究意义及内容
• 第2章 镍基合金线材表面缺陷的研究
• 2.1 实验方案
• 2.1.1 取样方法
• 2.1.2 检测方法
• 2.2 实验结果
• 2.2.1 镍基合金线材的表面缺陷
• 2.2.2 微观检测及分析
• 2.2.3 与国内外同类产品的质量对比
• 2.3 镍基合金表面缺陷的原因分析
• 2.4 小结
• 第3章 镍基合金中非金属夹杂物电解萃取配方的研究
• 3.1 镍基合金中非金属夹杂物的鉴定方法
• 3.2 新型电解液配方的研究
• 3.2.1 实验原理及设计原则
• 3.2.2 实验研究方法
• 3.2.3 实验结果
• 3.2.4 讨论
• 3.3 小结
• 第4章 镍基合金中非金属夹杂物的研究
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 实验条件
• 4.1.2 取样方案
• 4.1.3 检测分析
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 合金成分
• 4.2.2 微观金相检验
• 4.2.3 电解萃取夹杂物的检验分析
• 4.3 讨论
• 4.3.1 夹杂物的来源及形成机理
• 4.3.2 镍基合金中的夹杂物及对合金表面缺陷的影响
• 4.4 小结
• 第5章 电渣重熔4J43合金的研究
• 5.1 实验方案
• 5.1.1 设备及工艺参数
• 5.1.2 取样与检测
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 电渣重熔前后4J43合金的成分
• 5.2.2 合金的组织
• 5.2.3 电渣重熔前后4J43合金中的非金属夹杂物
• 5.2.4 电渣重熔前后合金的性能
• 5.3 讨论
• 5.3.1 电渣重熔过程中非金属夹杂物的去除机理
• 5.3.2 电渣重熔工艺对非夹杂物成分及形态的影响
• 5.3.3 电渣重熔工艺对合金性能的影响
• 5.4 小结
• 第6章 钢包底吹氩Cr20Ni80合金的研究
• 6.1 实验方法
• 6.1.1 吹氩工艺设计
• 6.1.2 实验方案
• 6.1.3 取样与检测
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 氧氮含量
• 6.2.2 非金属夹杂物的检验
• 6.2.3 合金的性能
• 6.3 讨论
• 6.3.1 吹氩过程中非金属夹杂物的去除机理
• 6.3.2 吹氩流量对非金属夹杂物去除效果的影响
• 6.3.3 吹氩工艺对合金性能的影响
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录