一种电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法与流程

本发明涉及一种电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法。

背景技术：

高温合金中的夹杂物严重影响合金的常温及高温力学性能，特别是低周疲劳性能，从而降低了其长寿命使役稳定性，因此需要对合金中夹杂物的含量加以严格的控制。高温合金一般采用真空感应精炼(vim)的方法制备，真空感应精炼可以实现对合金化学成分的精确控制，但熔体与耐火材料的反应引起坩埚材料的污染是真空感应精炼的一个主要问题。为了控制凝固组织及提高合金的冶金质量，逐渐发展了真空感应精炼+真空自耗重熔/电渣重熔的双联工艺，以及真空感应精炼、真空自耗重熔、电渣重熔相结合的三联工艺。双联及多联工艺虽能在一定程度上有效改善高温合金中夹杂物的含量，但夹杂物的问题仍然存在，且多联精炼工艺能耗较大，材料的得率低。

电子束精炼是利用高能量密度的电子束轰击材料的表面使材料熔化并精炼材料的工艺过程，该技术被广泛应用于难熔金属及合金的精炼、制备高纯特殊钢以及超洁净钢、精炼提纯钛及钛合金等领域中。通过调节功率和精炼速度使熔池保持在较高的温度，在高温高真空的环境下熔体充分发生脱气反应，有利于夹杂等冶金缺陷以及硫、磷等杂质的去除。此外，电子束精炼过程中使用水冷铜坩埚能有效避免坩埚与熔体合金发生反应，进而提高了合金的纯净度，因此成为实现合金超纯净制备的重要方法。

技术实现要素：

根据上述提出的双联及多联工艺虽能在一定程度上有效改善高温合金中夹杂物的含量，但夹杂物的问题仍然存在，且多联精炼工艺能耗较大，材料的得率低的技术问题，而提供一种电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法。本发明主要通过结合电子束极高的能量密度以及电子束精炼过程中高真空度的特点，利用高能电子束作用于熔体表面夹杂物，实现高温合金中夹杂物的原位分解去除。

本发明采用的技术手段如下：

一种电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法，包括如下步骤：

s1、高温合金原材料的预处理；

s11、选取棒状高温合金原材料，将棒状高温合金原材料加工至合适尺寸，对加工后的棒状高温合金原材料进行打磨；

s12、分别使用去离子水及酒精对打磨后的高温合金原材料进行清洗，清洗完毕后将高温合金原材料烘干，备用；

s2、对电子束精炼用水冷铜坩埚进行清理：打磨、酒精擦拭、烘干；

s3、清理电子束熔炼炉炉体及炉壁污染物，避免精炼过程中外来杂质的引入；

s4、将预处理后的原材料安装在电子束熔炼炉内的水平送料机构中，确定原材料准备就绪且炉体清洁后关闭炉门；

s5、对电子束熔炼炉和电子枪枪体进行真空预抽，达到目标真空度；

s6、达到目标真空度后，对电子枪灯丝进行预热；电子枪灯丝预热完毕后，使用左侧电子枪对高温合金原材料进行熔化，通过水平送料机构实现边送料边熔化；

s7、熔化10min后停止送料并将左侧电子枪束流大小减小至0ma，之后，使用右侧电子枪以电子束环形扫描的方式对高温合金进行精炼，实现夹杂物在高温合金铸锭表面最后凝固区的富集；

s8、利用高能量密度的电子束对富集于高温合金铸锭表面最后凝固区的夹杂物进行高温热解，至夹杂物完全分解后，对水冷铜坩埚中的铸锭进行凝固；

s9、待铸锭完全凝固后启动垂直拉锭机构，调节档位至慢速档，当其垂直运动1min后停止垂直拉锭机构；

s10、使用左侧电子枪对高温合金原材料进行熔化，通过水平送料机构实现边送料边熔化；之后，重复步骤s7～s10，实现铸锭的逐层制备；

s11、水平送料机构运动至最大行程后，将左侧电子枪束流调节至0，持续精炼水冷铜坩埚中的高温合金20min后，采用与步骤s7和步骤s8相同的工艺对富集于铸锭的边缘区域的夹杂物进行高温热解，待夹杂物完全分解后将束流调整至0ma，使得铸锭开始凝固；

s12、关闭左侧与右侧电子枪高压，增加束流至60ma使高压值为0后关闭电子枪；

s13、待炉体与枪体冷却2h后取出电子束精炼的高温合金铸锭。

进一步地，所述步骤s5的具体步骤如下：

打开电子束精炼设备，将炉体与枪体抽至目标真空状态，其中炉体的真空度要求为小于5×10-2pa，枪体的真空度要求为小于5×10-3pa。

进一步地，所述步骤s6的具体步骤如下：

达到目标真空度后启动两电子枪，使其束流大小为120ma，预热12分钟；预热完毕后将电子枪束流调至0，启动高压，待高压稳定后缓慢增加左侧电子枪束流至500ma，束斑半径大小调至25mm，保持电子枪参数不变，调节扫描路径熔化高温合金原材料，待高温合金原材料开始熔化后启动水平送料机构，调节档位至慢速档，使其送料速度为20mm/min。

进一步地，所述步骤s7的具体步骤如下：

s71、熔化10min后停止送料并将左侧电子枪束流大小减小至0ma，缓慢增加右侧电子枪束流大小至500ma，设置束斑半径大小为25mm，调节束流扫描路径，使用右侧电子束精炼水冷铜坩埚中的高温合金；

s72、以电子束环形扫描的方式对高温合金进行精炼，使得高温合金熔体中的挥发性杂质得以充分去除，使得高温合金中的夹杂物在浮力及马兰戈尼效应的作用下逐渐上浮至熔体表面；

s73、精炼20min后控制电子束精炼参数使得电子束束斑从左至右缓慢移动，在束斑移动的过程中采用缓慢降束的方式逐渐减小束流的大小，同时收缩束斑的半径，使得在5min之内束流大小减小至0ma，束斑半径减小至0，同时束斑移动至高温合金铸锭右侧边缘区域，从而实现夹杂物在高温合金铸锭表面最后凝固区的富集。

进一步地，所述步骤s8的具体步骤如下：

将右侧电子枪束斑半径调整至5mm，逐渐增加束流大小，使得在5min内束流大小增至500ma，利用高能量密度的电子束对富集于高温合金铸锭表面最后凝固区的夹杂物进行高温热解；至夹杂物完全分解后逐渐减小束流大小至0ma，束斑半径重新设置为25mm，使得水冷铜坩埚中的铸锭开始凝固。

进一步地，所述步骤s9为实现大尺寸铸锭制备的关键步骤：当水冷铜坩埚中的材料凝固后，使用垂直拉锭机构降低铸锭及水冷铜坩埚的高度，然后采用相同的方式在铸锭的上方进行二次熔炼，以实现铸锭逐层叠加的效果。

进一步地，所述步骤s10的具体步骤如下：

缓慢增加左侧电子枪束流至500ma，扫描半径大小保持25mm，待高温合金开始熔化后启动水平送料机构，调节档位至慢速档，使其送料速度为20mm/min，之后，重复步骤s7～s10。

进一步地，所述原材料还可为块状或不规则形状高温合金。

进一步地，所述步骤s4中，当原材料为棒状高温合金时，将预处理后的棒状高温合金安装于电子束熔炼炉左侧的水平送料机构上，通过调节水平送料机构，使得棒状高温合金右端位于水冷铜坩埚上方；当原材料为块状或不规则形状高温合金时，可将原材料直接放置在水冷铜坩埚中，或者采用其它送料方式，使得电子束精炼过程中可以持续加料。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法，结合电子束极高的能量密度以及电子束精炼过程中高真空度的特点，利用高能电子束作用于熔体表面夹杂物，实现夹杂物的原位分解去除。本发明提出的高温合金熔体表面夹杂物电子束原位分解去除技术在高温合金夹杂物去除领域属于创新性的方法，采用高能量密度的电子束实现高温合金中cao、sio2、al2o3等夹杂物的原位分解去除。实验结果表明，由于电子束的高能量密度以及高真空环境，可利用电子束的直接轰击作用实现夹杂物的分解去除。

2、本发明提供的电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法，制备的高温合金夹杂物含量低，有效地降低了合金中最大夹杂物的尺寸，使得合金具有更为优异的使用性能。夹杂物的原位去除避免了传统工艺中切除铸锭顶部缺陷富集区造成的铸锭损失，提高了高温合金制备的得率，降低了合金的生产成本。

3、本发明提供的电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法，在电子束精炼高温合金过程中挥发性杂质充分去除的基础上，利用电子束的高温热解实现高温合金中非金属夹杂物的原位分解去除。通过该种方式制备高温合金铸锭，不仅可以缩短高温合金铸锭的生产周期，还能够有效去除高温合金中的夹杂物，实现高纯度、大尺寸、低偏析铸锭的连续制备。此外，该方法在实现高温合金中夹杂物去除的同时，使得合金的得率由传统的70％左右提高至85-90％，大幅度降低了高温合金的生产成本。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中双联及多联工艺虽能在一定程度上有效改善高温合金中夹杂物的含量，但夹杂物的问题仍然存在，且多联精炼工艺能耗较大，材料的得率低的问题。

基于上述理由本发明可在单元金属及多元合金中夹杂物去除等领域广泛推广。本发明夹杂物去除方法仅适用于金属材料，但不局限于高温合金，可用于金属镍、金属钛等，以及多元合金如高温合金、钛铝合金、耐热钢等都可以采用本发明方法去除其中的夹杂物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电子束精炼过程示意图。

图2为本发明电子束高温热解夹杂物过程示意图。

图中：1、油扩散泵；2、阀门；3、合金母材棒；4、机械泵；5、旋转装置及送料装置；6、合金熔体；7、拉锭机构；8、冷却水；9、电子枪；10、电子束；11、上浮至熔体表面的夹杂物；12、水冷铜坩埚；13、罗茨泵；14、聚集于最后凝固区的夹杂物。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种电子束表面热解去除高温合金中夹杂物的方法，包括如下步骤：

一、高温合金原材料的预处理

1、本实施例使用棒状高温合金作为原材料(原材料还可为块状或其它不规则形状，该情况下将原材料直接置于水冷铜坩埚中，或者采用其它送料方式，使得电子束精炼过程中可以持续加料)。本实施例中以对杂质及夹杂含量要求严格的fgh4096棒状高温合金为原材料，其直径约为20-50mm，长度约为1m。如果为块状材料，需要切割成合适的尺寸，并采用其他送料方式进行送料。

2、对fgh4096高温合金棒材进行表面处理，打磨掉表面氧化层。

3、分别使用去离子水及酒精对打磨后的棒材进行清洗，清洗完毕后将合金棒料烘干，待电子束精炼使用。

二、电子束精炼及电子束高温热解去除夹杂物

1、对电子束精炼用水冷铜坩埚进行清理(打磨、酒精擦拭、烘干)，以保证坩埚清洁无污染。

2、清理电子束熔炼炉炉体及炉壁污染物，避免精炼过程中外来杂质的引入。

3、将预处理后的fgh4096高温合金棒材安装于电子束精炼炉左侧水平送料机构上，通过调节水平送料机构，使得fgh4096高温合金棒右端位于水冷铜坩埚上方(图1)。对于其他不规则形状的原材料，可将原料直接放置在水冷铜精炼坩埚中，或者采用其它送料方式，使得电子束精炼过程中可以持续加料。确定原料准备就绪且炉体清洁后关闭炉门。

4、打开电子束精炼设备，将炉体与枪体抽至目标真空状态，其中炉体的真空度要求为小于5×10^-2pa，枪体的真空度要求为小于5×10^-3pa，达到目标真空度后启动两电子枪，使其束流大小为120ma，预热12分钟。

5、预热完毕后将电子枪束流调至0，启动高压，待高压稳定后缓慢增加左侧电子枪束流至500ma，束斑半径大小调至25mm，保持电子枪参数不变，调节扫描路径熔化fgh4096合金母材，待fgh4096合金母材开始熔化后启动水平送料机构，调节档位至慢速档，使其送料速度为20mm/min。

6、熔化10min后停止送料并将左侧电子枪束流大小减小至0ma，缓慢增加右侧电子枪束流大小至500ma，设置束斑半径大小为25mm，调节束流扫描路径，使用右侧电子束精炼水冷铜坩埚中的fgh4096高温合金。

7、以电子束环形扫描的方式对fgh4096高温合金进行精炼，使得高温合金熔体中的挥发性杂质得以充分去除，使得高温合金中的夹杂物在浮力及马兰戈尼效应的作用下逐渐上浮至熔体表面(图1)。

8、精炼20min后控制电子束精炼参数使得电子束束斑从左至右缓慢移动，在束斑移动的过程中采用缓慢降束的方式逐渐减小束流的大小，同时收缩束斑的半径，使得在5min之内束流大小减小至0ma，束斑半径减小至0，同时束斑移动至铸锭右侧边缘区域，从而实现夹杂物在铸锭表面最后凝固区的富集。

9、将右侧电子枪束斑半径调整至5mm，逐渐增加束流大小，使得在5min内束流大小增至500ma，利用高能量密度的电子束对富集于高温合金铸锭表面最后凝固区的夹杂物进行高温热解(图2)。至夹杂物完全分解后逐渐减小束流大小至0ma，束斑半径重新设置为25mm，使得水冷铜坩埚中的铸锭开始凝固。

10、待铸锭完全凝固后启动垂直拉锭机构，调节档位至慢速档(10mm/min)，当其垂直运动1min后停止垂直拉锭机构。该步骤是实现大尺寸铸锭制备的关键。当坩埚中的材料凝固后，使用垂直拉锭机构降低铸锭及坩埚的高度，然后采用相同的方式在铸锭的上方进行二次熔炼，以实现铸锭逐层叠加的效果。

11、缓慢增加左侧电子枪束流至500ma，扫描半径大小保持25mm，待fgh4096合金母材开始熔化后启动水平送料机构，调节档位至慢速档，使其送料速度为20mm/min，如此，重复步骤6～11；重复步骤6～11是为了实现铸锭的逐层制备，每一层精炼并去除夹杂物后，降低铸锭高度并重复相同的除杂工艺，以制备出大尺寸铸锭。

12、水平送料机构运动至最大行程后，将左侧电子枪束流调节至0，持续精炼水冷铜坩埚中的fgh4096高温合金20min后采用与步骤8、9相同的工艺对富集于铸锭的边缘区域的夹杂物进行高温热解，待夹杂物完全分解后将束流调整至0ma，使得铸锭开始凝固。

13、关闭左侧与右侧电子枪高压，增加束流至60ma使高压值为0后关闭电子枪。

14、待炉体与枪体冷却2h后取出电子束精炼的fgh4096高温合金铸锭。

如图1所示为本发明电子束精炼过程示意图，如图2所示为本发明电子束高温热解夹杂物过程示意图。本发明采用如图1和图2所示的设备进行电子束表面热解去除高温合金中夹杂物。电子枪9固定在电子束熔炼炉的顶部两侧角，水冷铜坩埚12放置于电子束熔炼炉内，水冷铜坩埚12通入循环冷却水8，合金母材棒3通过旋转装置及送料装置5送料至电子束熔炼炉内，并处于电子束10扫描范围内。油扩散泵1与机械泵4相邻，二者之间用阀门2控制连通关系；罗茨泵13与炉体机械泵4相邻，二者连接在一起；拉锭机构7位于水冷铜坩埚12下方，可通过拉锭机构7控制水冷铜坩埚12的上下运动。合金熔体6为水冷铜坩埚12中熔化的金属原料；电子束精炼过程中，金属液中的低密度夹杂不断上浮，形成上浮至熔体表面的夹杂物11；通过控制收弧及凝固，将上浮至熔体表面的夹杂物11牵引至熔体上表面边缘处，形成聚集于最后凝固区的夹杂物14。

本发明方法在电子束精炼高温合金过程中挥发性杂质充分去除的基础上，利用电子束的高温热解实现高温合金中非金属夹杂物的原位分解去除。通过该种方式制备高温合金铸锭，不仅可以缩短高温合金铸锭的生产周期，还能够有效去除高温合金中的夹杂物，实现高纯度、大尺寸、低偏析铸锭的连续制备。此外，该方法在实现高温合金中夹杂物去除的同时，使得合金的得率由传统的70％左右提高至85-90％，大幅度降低了高温合金的生产成本。

本发明技术在电子束精炼技术的基础上，利用电子束高温热解实现高温合金中夹杂物的去除。高温合金中的夹杂物主要为低密度夹杂，这些夹杂物随着精炼过程的进行逐渐漂浮在熔体的表面。电子束高温热解去除夹杂物的原理在于通过电子束精炼后的收弧过程将夹杂富集至铸锭的边缘，利用高能量密度的电子束作用于熔体表面夹杂物富集区，从而加速夹杂物的分解过程，实现夹杂物的原位分解去除。通过该种方式制备高温合金铸锭，可以有效去除高温合金中的夹杂物，能够实现高纯度、大尺寸、低偏析铸锭的连续制备。

本发明方法避免了切除铸锭顶部缺陷及夹杂物富集区造成的铸锭损失，该方法无论是对于传统的真空感应、电渣重熔等冶金工艺，还是对于本课题组发明的电子束诱导及冷源吸杂技术，都是一个较大的改进。通过本发明技术以及精炼后对合金进行逐层浇铸，可以制备大尺寸的高纯高温合金铸锭，极大地提高了铸锭的得率，降低了生产成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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