李超 王紫宸 吴天然 林融冰 张涛
北京航空材料研究院，北京 100095
摘要：本文主要研究了中间包材质和过滤系统的改变对K418高温合金氧含量的影响，研究结果表明：使用黏土材质单过滤中间包过滤后的K418高温合金O%含量平均值：0.0011%，使用刚玉材质双过滤中间包过滤后的K418高温合金O%含量平均值：0.0006%，后者明显优于前者；通过浮渣实验同时反映出，刚玉材质双过滤中间包浇注的K418合金浮渣面积小于黏土材质单过滤中间包浇注的浮渣面积 ，表明刚玉材质双过滤中间包过滤效果更好。
关键词：中间包、氧含量、过滤、材质
1、前言：
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料[1]。高温合金主要应用于航空发动机上，在现代先进的航空发动机中，高温合金占发动机总重量的40%-60%。除航空发动机外，高温合金也广泛使用在柴油机和内燃机的增压涡轮、工业燃气轮机等高温部件上。
近年来，国内外对高温合金的研究方向主要为成分的精准控制和合金的纯净度提升上。对于合金的纯净度，氧含量成为判定合金的纯净度的重要指标之一，目前国内高温合金氧含量普遍在10PPM左右。
据研究国内外铸造高温合金全部使用真空感应熔炼的方式进行生产，真空感应熔炼具有合金纯净度高、气体含量低、脱氧效果强、熔体成分均匀等特点[2]。现有的真空感应熔炼设备主要分为VIM炉和VIDP炉两种结构炉型，VIM炉熔炼的钢液需要通过中间包，浇注到模具中。VIDP炉熔炼的钢液需要通过流槽，浇注到模具中。不论是中间包还是流槽，主要为耐火材料构成，钢液必然会与之接触，故研究中间包或流槽的材质和结构对合金的影响，就显得格外有意义。
2、实验设备与材料
本实验选用VIM1500真空感应炉进行熔炼，浇注通过中间包，中间包材质选取黏土材质和刚玉材质两种。实验材料选用K418高温合金，成分符合表1中的要求。
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3、实验方案
本实验利用VIM1500真空感应熔炼炉，最大投料量1500Kg，熔炼K418高温合金，浇注温度：1490±10℃，中间包烘烤温度650℃±10℃，钢液通过10PPi的ZrO2泡沫陶瓷过滤网进行过滤。
在浇注过程中，分别选用黏土材质单过滤中间包，和刚玉材质双过滤中间包进行浇钢实验。在实际生产中分别收集使用黏土单过滤中间包浇注K418高温合金产品的O%含量数据和使用刚玉双过滤中间包浇注K418高温合金产品O%含量数据进行对比分析。另外按HB 5406-2016进行浮渣重熔试验，实验设备选用ZG-25真空感应熔炼炉，最大投料量25Kg，判定浇注后的K418合金浮渣等级。
4实验结果及讨论
4.1浮渣检测结果和O%含量检测结果
浮渣实验可以判定合金纯净度的等级，通常O%含量越低的合金，说明其合金内部氧化物含量就越低，其融化后产生的氧化渣就越少，浮渣面积就越小，合金就越纯净。实验选取同熔炼批次，通过黏土材质单过滤中间包浇注的K418合金钢锭A和刚玉材质双过滤中间包浇注的K418合金钢锭B，按HB 5406-2016进行浮渣实验，结果分别：合金锭A浮渣面积测试结果为0.39%，合金锭B浮渣面积测试结果为0.16%。钢锭B浮渣面积测试结果明显好于钢锭A，说明钢锭B中氧化物含量小于钢锭A，进一步说明刚玉材质双过滤中间包对于氧化物的去除，好于黏土材质单过滤中间包。
收集2020年期间，在VIM1500真空感应炉使用黏土单过滤中间包生产的K418合金锭，和使用刚玉材质双过滤中间包生产的K418合金锭各17个炉次，分别编为A组和B组，统计O%含量并绘制了趋势图。
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从统计结果看，黏土单过滤中间包浇注后K418合金O%含量（A组）平均值为0.0011%，刚玉双过滤中间包浇注后K418合金O%含量（B组）平均值为0.0006%，B组好于A组，且从图1趋势图中可以看出，刚玉双过滤中间包的表现更为稳定，与O%含量目标值：0.0015%有较大的余度，风险低。反观黏土单过滤中间包数据，存在“超标”，“卡限”的现象，存在不合格的风险。
4.2实验讨论
根据浮渣实验和O%含量测定的两组实验结果可以得出，使用刚玉材质双过滤中间包过滤后的K418高温合金O%含量明显低于使用黏土材质单过滤中间包过滤后的K418高温合金。影响高温合金O%含量的主要因素是合金中氧化物夹杂，其多产生于钢液中的炉渣、熔渣或耐火材料和钢液的二次氧化产物[3],简单氧化物如AL2O3，SiO2,FeO等,复杂氧化物包括尖晶石类和各种钙的铝酸盐[4]。通过过滤技术可以有效去除上述氧化夹杂物，研究表明过滤可以去除金属溶体中大块的夹杂物；去除金属溶体中相当部分的悬浮细小夹杂物；减少金属溶体中的气体含量[5]。
本次实验，A组选用黏土材质单过滤中间包；B组使用刚玉材质双过滤中间包。从中间包的结构来看，两种中间包均使用了挡板式泡沫陶瓷过滤器，而双过滤中间包则在浇注口上多加了一块镶嵌式圆形陶瓷过滤器。实现了对钢液的双重过滤，从浮渣实验看，双重过滤对于合金氧化物的过滤效果产生了积极作用，纯净化了合金，使得合金O含量降低。
另外，两种中间包的材质也有着明显的区别，其中刚玉质地的中间包 AL2O3的含量在90%左右，黏土材质的中间包AL2O3的含量在45%左右。由于AL2O3含量的提升，使得刚玉材质耐火材料较之黏土材质更耐高温、硬度大、强度高、更抗氧化。另有研究表明，当钢液温度达到1000℃以上时，刚玉质耐火材料的冲蚀磨损率反而降低[6]，这表明在1490±10℃浇注条件下，刚玉材质中间包具有更好的抗冲刷能力，减少了因为外来氧化物对于钢液的污染，使得合金中氧化物含量要低于黏土材质中间包浇注的产品，进而表现在产品浮渣和O%含量表现优异。
5 结论
1、浮渣实验结果表明：双过滤系统中间包过滤后的K418钢液浮渣面积为0.16%，单过滤中间包过滤后的K418钢液浮渣面积为0.39%，前者过滤效果明显优于后者。
2、刚玉材质中间包高温下抗冲刷能力强于黏土材质中间包。
3、使用刚玉材质双过滤中间包过滤后的K418高温合金O%含量平均值：0.0006%，使用黏土材质单过滤中间包过滤后的K418高温合金O%含量平均值：0.0011%，前者明显优于后者。
参考文献
[1]李超. 铸造高温合金真空感应熔炼过程的研究[J].真空，2016,（3）.
[2]王爱霞.钢中非金属夹杂物对显微组织的影响[J].宽厚板,2006, 10（12）.
[3]牛建平.纯净钢及高温合金制备技术[M] 北京：冶金工业出版社，2009.