阅读说明：本技术 定量评价真空度和氧化产物对高温合金性能影响的方法 (Method for quantitatively evaluating influence of vacuum degree and oxidation products on performance of high-temperature alloy ) 是由 郑亮 肖程波 张国庆 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明定量评价真空度和氧化产物对高温合金性能影响的方法,属于高温合金领域；通过熔炼时控制分级真空度、顺序凝固聚集氧化产物并配合测试对应状态的综合力学性能的方法,定量评价真空度、氧化产物及其对镍基高温合金力学性能影响,同时还可以确定合金中痕量氧化产物类型和含量,为制备工艺参数容限的确定提供依据,为高纯净度高温合金的制备、提高镍基高温合金制件的合格率和降低成本提供技术支撑和保障。本发明克服了解决了以往技术仅考虑真空度、凝固后试样的平均气体含量(包括氧含量)和合金力学性能几重因素造成的平均气体含量与力学性能无法直接挂钩等问题。(The invention relates to a method for quantitatively evaluating the influence of vacuum degree and oxidation products on the performance of a high-temperature alloy, belonging to the field of high-temperature alloys; by controlling the graded vacuum degree and sequentially solidifying and aggregating the oxidation products during smelting and matching with a method for testing the comprehensive mechanical property of the corresponding state, the vacuum degree, the oxidation products and the influence of the oxidation products on the mechanical property of the nickel-based superalloy are quantitatively evaluated, meanwhile, the type and the content of the trace oxidation products in the alloy can be determined, a basis is provided for determining the tolerance of preparation process parameters, and technical support and guarantee are provided for preparing the high-purity superalloy, improving the qualification rate of nickel-based superalloy workpieces and reducing the cost. The invention solves the problem that the average gas content and the mechanical property can not be directly hooked due to the fact that the prior art only considers several factors of the vacuum degree, the average gas content (including the oxygen content) of a solidified sample and the mechanical property of the alloy.)

定量评价真空度和氧化产物对高温合金性能影响的方法

技术领域

定量评价真空度和氧化产物对高温合金性能影响的方法，属于高温合金领域。

背景技术：

高温合金被誉为燃气涡轮的心脏一直以来都受到冶金工作者的关注。当前先进燃气涡轮发动机粉末高温合金涡轮盘和单晶高温合金叶片等核心热端部件的制备过程都需经合金重熔浇注这一关键过程，重熔真空度和保持时间对部件的质量和最终服役性能至关重要。在研制生产过程中，需要针对不同零件制定相应的工艺，工艺规程中通常都需要提供重熔时的真空度要求。在部件的制备过程中由于偶然因素有时会遇到真空系统故障，导致真空度降低。不管是正常情况的重熔还是偶然因素导致真空下降，合金熔体在高温下都会与环境发生作用而不可避免地形成氧化产物，对性能造成潜在的影响。因此，需要定量评价真空度、气体含量和氧化产物对高温合金力学性能的影响，以帮助工艺中真空度容限的确定。

以往技术通过记录熔炼真空度、测定合金凝固后的平均气体含量(包括氧含量)和测量力学性能来评价工艺与合金性能的其对应关系。实际结果表明，同样的合金经历了一些真空度差异较大的熔炼后，有时合金平均气体含量(包括氧含量)并没有明显差异，而力学性能却出现较大波动，给工艺与力学性能关系的确定以及工艺参数容限的确定造成困难。

通过熔炼时控制分级真空度和保持时间、顺序凝固聚集氧化产物并配合测试对应状态的综合力学性能的方法，定量评价真空度和保持时间、氧化产物及其对镍基高温合金力学性能影响，同时还可以确定氧化产物类型和含量，为制备工艺参数容限的确定提供依据，为高纯净度高温合金的制备、提高镍基高温合金制件的合格率和降低成本提供技术支撑和保障。

发明内容

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本发明是一种定量评价真空度和氧化产物对高温合金力学性能影响的方法，该方法为了解决以往无法定量测定真空度及氧化产物与高温合金的力学性能敏感性影响的问题。通过熔炼时控制分级真空度、顺序凝固聚集氧化产物并配合测试对应状态的综合力学性能的方法，定量评价真空度、氧化产物及其对镍基高温合金力学性能影响，同时还可以确定氧化产物类型和含量，为制备工艺参数容限的确定提供依据，为高纯净度高温合金的制备、提高镍基高温合金制件的合格率和降低成本提供技术支撑和保障。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

定量评价真空度和氧化产物对高温合金性能影响的方法，其特征在于：通过熔炼时控制分级真空度和保持时间制备不同真空条件下凝固的高温合金试样，测量不同真空条件试样的力学性能，在高真空下再次重熔不同真空条件的高温合金试样并采用顺序凝固聚集氧化产物，鉴定氧化产物种类并确定不同真空条件下的氧化产物形态、成分及含量，确定和评价真空度以及氧化产物形态、种类和含量对高温合金性能影响的定量关系。

所述分级真空度指高、中、低不同真空度等级，最高为设备的极限真空度，最低可至大气环境。

所述高温合金试样是将切好的高温合金母合金锭在真空感应熔炼炉中重熔，化清后将熔体置于10^-2Pa-10³Pa不同真空度和1-100min的保持时间条件下，分别冷却凝固获得。

所述高温合金母合金锭采用真空感应熔炼制备。

所述顺序凝固聚集氧化产物是将不同真空条件的重熔凝固高温合金试样，在10^{- 3}Pa-10^-4Pa高真空环境下再次重熔，并通过顺序冷却实现从下至上分别为固体、固液两相和液体的顺序凝固过程，使合金中密度相对较低的氧化产物在顺序凝固的过程中上浮聚集于上表面最后凝固区。

所述鉴定氧化产物种类是运用同步辐射X射线衍射鉴别。

所述确定不同真空条件下的氧化产物形态、成分及含量是通过扫描电子显微镜和能谱确定氧化产物形态和成分，采用定量金相确定氧化产物的含量。

所述定量关系是在10^-2Pa-10³Pa真空度和1-100min保持时间、ppm级别的气体含量和氧化产物含量以及与之相对应条件下的高温合金性能的定量对应关系。

所述再次重熔前不同真空条件的高温合金试样需加工成气体测试试样和力学性能试棒，分别进行气体含量和力学性能测试。

所述气体含量的测试包括氧、氮和氢，力学性能的测定包括拉伸性能、冲击性能、疲劳性能和持久性能及高温合金服役要求考核的性能。

本发明技术方案的优点是：

本发明通过熔炼时控制分级真空度制备不同真空条件下凝固的高温合金试样，测量不同真空条件试样的力学性能。在高真空下再次重熔不同真空条件的高温合金试样并采用顺序凝固聚集氧化产物，鉴定氧化产物种类并确定不同真空条件下的氧化产物含量。确定和评价真空度以及氧化产物形态、种类和含量对高温合金力学性能影响的定量关系。

第一，通过熔炼时控制分级真空度，贴近实际生产，高效获得不同真空条件；第二，采用高真空再次重熔顺序凝固的方法聚集氧化产物，解决以往技术氧化产物含量极低且过于分散无法找到和定量分析的问题；第三，引入氧化产物定量分析，解决以往技术仅通过合金平均气体含量和力学性能无法挂钩的缺点；第四，采用同步辐射X射线和定量金相或萃取分离结合的方式精确定量氧化产物；第五，可定量确定氧的存在形式(化合态和自由态)；第六，全面综合考虑真空度、气体含量、氧化产物和高温合金力学性能四大关键因素，为工艺参数容限的制定提供依据。

本发明克服了解决了以往技术仅考虑真空度、凝固后试样的平均气体含量(包括氧含量)和合金力学性能几重因素造成的平均气体含量与力学性能无法挂钩等问题。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

所述的定量评价真空度和氧化产物对高温合金力学性能影响的方法，解决了以往技术仅考虑真空度、凝固后试样的平均气体含量(包括氧含量)和合金力学性能几重因素造成的平均气体含量与力学性能无法挂钩的缺点，通过高真空再次重熔顺序凝固引入氧化产物定量参量，实现真空度和保持时间、气体含量、氧化产物和高温合金力学性能五大关键因素的定量评价，为制备工艺参数容限的确定提供依据。

所述的一种定量评价真空度和氧化产物对高温合金力学性能影响的方法包含以下具体步骤：

步骤一、采用真空感应熔炼制备高温合金母合金锭，切成所需的重量；

步骤二、将母合金锭重熔，化清后将熔体置于不同真空条件，分别冷却凝固，获得不同真空条件下的高温合金试样；不同真空条件通过化清后关停真空泵的时间获得。

步骤三、对不同真空条件下重熔凝固的高温合金试样进行取样进行气体含量和力学性能测试；气体含量的测定包括氧、氮和氢，力学性能的测定包括拉伸性能、冲击性能、疲劳性能和持久性能

等高温合金服役要求考核的性能。

步骤四、将不同真空条件的重熔凝固高温合金试样表面抛光并清洁干净，在高真空环境下再次重熔并顺序凝固，聚集氧化产物；

步骤五、鉴别高真空顺序凝固聚集后氧化产物的种类，确定其形态和含量；氧化产物种类的鉴别采用同步辐射X射线衍射，氧化产物形态分析采用扫描电镜，氧化产物的数量采用定量金相或萃取分离分析。

步骤六、建立真空度、气体含量、氧化产物量和高温合金力学性能的定量对应关系，为工艺参数的容限选择提供依据。

实施例1

采用本发明技术方案具体步骤如下：

(1)采用真空感应熔炼制备高温合金母合金锭，合金成分为Ni-34％Cr-5％W-3％Mo-1％Nb-1％Ti-1％Al-0.5％C，取50kg；

(2)将切取的母合金锭放入真空感应炉重熔，化清后将合金熔体置于正常真空条件<10^-1Pa，保持20min，合金浇注后冷却凝固至室温，获得正常重熔真空条件下的高温合金试样；

(3)对重熔凝固后的高温合金试样分别切取气体测试用试样和标准力学性能试棒，进行气体含量和力学性能测试。气体含量中氧含量为12ppm，氮含量为27ppm，合金的室温拉伸强度为785.5MPa,延伸率为19.2％，室温冲击韧性45.7J/cm²，800℃/206MPa持久寿命为46.6h；

(4)将重熔凝固后高温合金试样表面抛光并用丙酮清洗干净，在10^-3Pa高真空环境下再次重熔，并通过从下至上顺序冷却实现固体、固液两相和液体的顺序凝固过程，使合金中密度相对较低的痕量(ppm)级氧化产物在顺序凝固的过程中上浮聚集于上表面最后凝固区；

(5)采用扫描电子显微镜/能谱和同步辐射X射线衍射鉴别高真空顺序凝固聚集后氧化产物主要为Al₂O₃和Cr₂O₃，采用定量金相的方法测量氧化产物含量为0.76mm²/kg；

(6)建立真空度(<10^-1Pa)和保持时间(20min)、气体含量(12ppm的O和27ppm的N)、氧化产物含量(0.76mm²/kg)和高温合金力学性能(室温拉伸强度为785.5MPa,延伸率为19.2％，室温冲击韧性45.7J/cm2，800℃/206MPa持久寿命为46.6h)五大关键因素的定量对应关系。

实施例2

采用本发明技术方案具体步骤如下：

(1)采用真空感应熔炼制备高温合金母合金锭，合金成分为Ni-34％Cr-5％W-3％Mo-1％Nb-1％Ti-1％Al-0.5％C，取100kg；

(2)将切取的母合金锭放入真空感应炉重熔，化清后将合金熔体置于100Pa真空度，保持1min，合金浇注后冷却凝固至室温，获得100Pa/1min重熔真空条件下的高温合金试样；

(3)对重熔凝固后的高温合金试样分别切取气体测试用试样和标准力学性能试棒，进行气体含量和力学性能测试。气体含量中氧含量为15ppm，氮含量为21.5ppm，合金的室温冲击韧性25.5J/cm²，800℃/206MPa持久寿命为41.5h；

(4)将重熔凝固后高温合金试样表面抛光并用丙酮清洗干净，在10^-3Pa高真空环境下再次重熔，并通过从下至上顺序冷却实现固体、固液两相和液体的顺序凝固过程，使合金中密度相对较低的痕量(ppm)级氧化产物在顺序凝固的过程中上浮聚集于上表面最后凝固区；

(5)采用扫描电子显微镜/能谱和同步辐射X射线衍射鉴别高真空顺序凝固聚集后氧化产物主要为Al₂O₃和Cr₂O₃，采用定量金相的方法测量氧化产物含量为8.22mm²/kg；

(6)建立真空度(100Pa)和保持时间(1min)、气体含量(15ppm的O和21.5ppm的N)、氧化产物含量(8.22mm²/kg)和高温合金力学性能(合金的室温冲击韧性25.5J/cm²，800℃/206MPa持久寿命为41.5h)五大关键因素的定量对应关系。

实施例3

采用本发明技术方案具体步骤如下：

(1)采用真空感应熔炼制备高温合金母合金锭，合金成分为Ni-34％Cr-5％W-3％Mo-1％Nb-1％Ti-1％Al-0.5％C，取50kg；

(2)将切取的母合金锭放入真空感应炉重熔，化清后将合金熔体置于为真空条件100-110Pa，保持10min，合金浇注后冷却凝固至室温，获得正常重熔真空条件下的高温合金试样；

(3)对重熔凝固后的高温合金试样分别切取气体测试用试样和标准力学性能试棒，进行气体含量和力学性能测试。气体含量中氧含量为14.5ppm，氮含量为22.5ppm，合金的室温拉伸强度为798MPa,延伸率为6.4％，室温冲击韧性27.8J/cm²，800℃/206MPa持久寿命为42.5h；

(4)将重熔凝固后高温合金试样表面抛光并用丙酮清洗干净，在10^-3Pa高真空环境下再次重熔，并通过从下至上顺序冷却实现固体、固液两相和液体的顺序凝固过程，使合金中密度相对较低的痕量(ppm)级氧化产物在顺序凝固的过程中上浮聚集于上表面最后凝固区；

(5)采用扫描电子显微镜/能谱和同步辐射X射线衍射鉴别高真空顺序凝固聚集后氧化产物主要为Al₂O₃和Cr₂O₃以及Cr,Ni,Al,Ti,Si,Ca和稀土的复合氧化物，采用定量金相的方法测量氧化产物含量为59.1mm²/kg；

(6)建立真空度(100-110Pa)和保持时间(10min)、气体含量(14.5ppm的O和22.5ppm的N)、氧化产物含量(59.1mm²/kg)和高温合金力学性能(室温拉伸强度为798MPa,延伸率为6.4％，室温冲击韧性27.8J/cm²，800℃/206MPa持久寿命为42.5h)五大关键因素的定量对应关系。

通过实施例1、2和3的实施结果可知，高温合金在真空度下降和较低真空度保持时间延长的情况下，气体含量并没有明显上升(仅上升了17-25％)，但生成的氧化产物量却显著增加(相差1-2个数量级)，对应的力学性能中的强度指标没有明显影响(室温拉伸强度和持久寿命)，但塑性指标(延伸率和冲击韧性)明显下降40-67％。该方法实现了高温合金真空度、保持时间、气体含量、氧化产物含量和合金力学性能五个关键因素的定量关系评价，为合金制备工艺参数容限的确定提供依据。