GH4169鎳基高溫合金具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于制造高溫構(gòu)件[1,2] 隨著對發(fā)動機(jī)性能要求的提高，高溫合金的性能也亟待提高 可用粉末冶金技術(shù)提高成分固定的GH4169合金的性能 用粉末冶金技術(shù)可制備出組織細(xì)小、成分均勻的GH4169合金盤件以提高其力學(xué)性能 但是，粉末冶金構(gòu)件容易產(chǎn)生原始顆粒邊界、熱誘導(dǎo)孔洞和夾雜物[3] 制備金屬粉體時母合金中的夾雜物繼續(xù)存在，然后隨著粉末顆粒進(jìn)入冶金構(gòu)件 研究夾雜物對粉末冶金構(gòu)件疲勞性能的影響時發(fā)現(xiàn)，夾雜物嚴(yán)重降低粉末高溫合金的低周疲勞壽命，影響構(gòu)件的安全服役[4~9] 因此，制備高純凈度、非金屬夾雜物含量低和尺寸小的高品質(zhì)母合金極為重要

目前研究合金純凈化、非金屬夾雜物控制和形成機(jī)理，重點是改進(jìn)熔煉工藝 You等[10]研究了電子束精煉FGH4096時夾雜物的類型、富集以及雜質(zhì)元素和夾雜物的去除，確定了脫氧、去除夾雜物的最佳電子束熔煉功率和熔煉時間 孔豪豪等[11]研究了三聯(lián)熔煉GH4169夾雜物的類型和分布，發(fā)現(xiàn)位于鑄錠頂部和邊緣部位夾雜物平均尺寸較大和數(shù)量密度較高，而遠(yuǎn)離頂部和邊緣部位的夾雜物平均尺寸較小 王迪等[12]根據(jù)電渣重熔工藝對GH4169合金夾雜物分布的影響確定車削量，使鑄錠的表面質(zhì)量提高 張華霞等[13]從原料預(yù)處理、優(yōu)化過濾系統(tǒng)和精細(xì)化控制等方面研究了FGH96母合金的潔凈化控制技術(shù)，制備出高純凈度的母合金棒材 趙昊乾等[14]研究了坩堝材質(zhì)及頂渣成分對鋼中夾雜物成分的影響，發(fā)現(xiàn)坩堝材質(zhì)影響鋼中[C]、[Si]、[Mn]、[O]等元素的含量，進(jìn)而影響夾雜物成分 Gao等[15]研究了活性元素Al、Ti添加順序和坩堝材料對FGH4096夾雜物的影響

除了改進(jìn)熔煉工藝提高合金純凈度，采取其它輔助手段也能進(jìn)一步提高合金的純凈度和降低夾雜物含量 金文中等[16]研究了真空電磁凈化技術(shù)對K417母合金非金屬夾雜物的去除機(jī)理，發(fā)現(xiàn)施加旋轉(zhuǎn)磁場可使非金屬夾雜向鑄錠心部聚集、長大并向冒口位置上浮，切除冒口即可降低母合金中夾雜物含量 張新房等[17]研究脈沖電流對夾雜物去除的影響，闡明了電流控制夾雜物的機(jī)理 蒲永亮等[18]選用多種復(fù)合鹽凈化處理返回料，分析凈化處理后返回料中的雜質(zhì)元素和夾雜物含量，從而為返回料的凈化和再利用提供技術(shù)支持 本文使用不同品質(zhì)的金屬鉻原料，用真空感應(yīng)熔煉工藝制備GH4169母合金鑄錠，研究鉻原料品質(zhì)對雜質(zhì)元素、非金屬夾雜物類型、含量以及尺寸的影響以及夾雜物的形成機(jī)理

1 實驗方法

實驗用原材料為高純金屬鉻，普通金屬鉻和微碳鉻鐵，使用VIM-F25型25 kg真空感應(yīng)爐和氧化鈣坩堝熔煉三根直徑為85 mm、長度為500 mm的GH4169母合金鑄錠(編號分別為1#，2#，3#)，其中1#錠的原材料為高純金屬鉻，2#錠為普通金屬鉻，3#錠為微碳鉻鐵 GH4169的實際化學(xué)成分列于表1

Table 1

表1

表1真空感應(yīng)熔煉的GH4169母合金的實際化學(xué)成分

Table 1Actual chemical composition of GH4169 ingot by vacuum induction melting (mass fraction, %)

Sample No.	C	Al	Ti	Mo	Nb	Cr	Ni	Fe
1#	0.034	0.63	1.00	2.98	5.20	18.17	52.2	Bal.
2#	0.031	0.75	1.00	3.00	5.27	18.35	51.8	Bal.
3#	0.035	0.68	0.98	3.01	5.29	18.22	51.6	Bal.

在三根母合金的相同部位切取五根直徑為4 mm長度為6 mm的粒狀樣品，每根的質(zhì)量為0.5~1.0 g，將其表面打磨光亮 另取5 g屑狀樣品和尺寸為30 mm×30 mm×10 mm的塊狀樣品，分別在乙醇中超聲清洗

用TCH-600氧氮氫分析儀檢測樣品的O、N含量，用X射線熒光光譜儀檢測P、Si、Mn含量，用碳硫分析儀檢測S含量 檢測標(biāo)準(zhǔn)分別為HB 5220.49-2008《高溫合金化學(xué)分析方法第49部分：脈沖加熱-紅外、熱導(dǎo)法測定氧、氮含量》、GB/T 16597-2019《冶金產(chǎn)品分析方法X射線熒光光譜法通則》和HB 5220.6-2008《高溫合金化學(xué)分析方法第6部分：高頻感應(yīng)燃燒-紅外線吸收法測定硫含量》

分別在母合金的頂部，中部和底部的邊緣、1/2半徑處和中心處分別切取尺寸為15 mm×10 mm×8 mm的徑向樣品，取樣示意圖如圖1所示

圖1



圖1GH4169母合金的宏觀形貌和取樣位置

Fig.1Macro microstructure and location of sample in GH4169 ingot (a) 1#，(b) 2#，(c) 3#

將金相試樣在手動磨拋機(jī)上磨拋處理后，用帶有能譜分析儀(EDS)的FEI-F50場發(fā)射掃描電鏡觀察非金屬夾雜物的成分和形貌，以確定其非金屬夾雜物類型 在鑄錠的邊緣、1/2半徑和中心處各隨機(jī)選取50個不同的視場(放大倍數(shù)為2000)，使用Photoshop，Image-Pro plus 6.0軟件分別統(tǒng)計三根母合金鑄錠頂部、中部和底部的非金屬夾雜物面積百分比含量和數(shù)量密度，并統(tǒng)計不同類型夾雜物的含量

2 結(jié)果和討論2.1 母合金中雜質(zhì)元素的含量

表2列出了不同品質(zhì)金屬鉻原材料中雜質(zhì)元素的含量 可以看出，高純金屬鉻中的O、N、S元素含量都低于普通金屬鉻，P和Si元素含量與普通金屬鉻相差不大 微碳鉻鐵合金(是煉鋼時的重要合金添加劑)的含碳量小于0.15%，P、S、Si元素的含量遠(yuǎn)高于高純金屬鉻和普通金屬鉻

Table 2

表2

表2鉻原材料中雜質(zhì)元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Table 2Impurity element contents in Cr (mass fraction, %)

	O	N	P	S	Si	Mn
Purity Cr	0.032	0.001	≤0.002	0.0009	0.054	-
Ordinary Cr	0.098	0.010	≤0.002	0.0021	0.052	-
Micro-carbon ferrochrome	-	-	0.021	0.015	1.07	-

表3列出了母合金鑄錠中雜質(zhì)元素的含量，這些鑄錠是使用不同品質(zhì)的金屬鉻經(jīng)真空感應(yīng)熔煉的 不同品質(zhì)的金屬鉻原材料使母合金中氣體元素的含量明顯不同，1#母合金中的O含量為1.8×10-5(體積分?jǐn)?shù))，N含量為9×10-6(體積分?jǐn)?shù)) 與1#母合金中氣體元素含量相比，2#中O含量降低約2/5，N含量提高約4倍 其原因是，用常規(guī)冶煉方法無法完全去除氣體雜質(zhì) 3#母合金的O含量略有下降，N元素含量約提高11倍，因為微碳鉻鐵中約占其體積30%的氣體(主要是N2和H2)顯著提高了合金中氣體元素的含量

Table 3

表3

表3母合金鑄錠中雜質(zhì)元素的含量

Table 3Impurity element contents in GH4169 ingots (volume fraction, %)

Sample No.	O	N	P	S	Si	Mn
1#	0.0018	0.0009	0.002	0.0009	0.027	0.016
2#	0.0011	0.0035	0.002	0.0009	0.013	0.015
3#	0.0013	0.0095	0.005	0.0019	0.400	0.100

在真空感應(yīng)熔煉過程中，脫氧的方法是加入適量的C與合金液中的O生成一氧化碳，被真空系統(tǒng)抽出熔煉室 N的脫除速率與O和S的濃度有關(guān) 因為O和S屬于表面活性元素，偏聚于氣體與金屬熔體的界面處限制N的排出 另外，提高真空度、一氧化碳的沸騰作用和通入氬氣等，都會提高N的脫除速率[19~21] 但是，N極易與合金中其他合金元素發(fā)生反應(yīng)，難以用冶煉技術(shù)除去

從表3還可以看出，不同品質(zhì)金屬鉻原材料使使母合金中雜質(zhì)元素的含量不同 1#母合金中P含量為0.002%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，S含量為0.009%，Si含量為0.027%，Mn含量為0.016% 2#母合金中P、S、Mn的含量沒有明顯的不同，Si含量為0.013%，約為1#母合金的1/2 3#母合金中P的含量為0.005%，S含量為0.019%，Si含量為0.400%，Mn含量為0.100%，雜質(zhì)元素的含量都有不同程度的提高，分別提高了約1.5倍、1.11倍、13.8倍和5.25倍 與高純金屬鉻相比，使用普通金屬鉻使母合金鑄錠中Si的含量降低，使用微碳鉻鐵使Si和Mn的含量顯著提高，P和S的含量略有提高

以上分析表明，不同品質(zhì)的金屬鉻明顯影響母合金中雜質(zhì)元素的含量 普通金屬鉻會降低母合金中的Si含量和O含量，但是會提高N的含量 微碳鉻鐵則顯著提高各種雜質(zhì)元素的含量，包括氣體元素含量

2.2 夾雜物的類型

用SEM-EDS觀察分析上述試樣的結(jié)果表明，GH4169母合金鑄錠中夾雜物的類型主要有三類：氧化物，碳氮化物，以氧化物夾雜為形核中心，外層為碳氮化物的復(fù)合型夾雜 表4列出了夾雜物的類型和平均尺寸

Table 4

表4

表4GH4169母合金中夾雜物的類型和平均尺寸

Table 4Type and average size of inclusions in GH4169 ingot

	Inclusion type	Average size/μm
Oxide	(Al, Mg)O	1.11±0.047
	(Al, Ca)O
	(Al，Mg，Ca)O
Nitride	(Ti，Nb)(C，N)	1.00±0.046
Mixed	(Al，Mg)O-(Ti，Nb)(C，N)	1.83±0.134
	(Al，Mg，Ca)O-(Ti，Nb)(C，N)

圖2給出了GH4169母合金中單層夾雜物的形貌和能譜 可以看出，氧化物夾雜為圓潤的多邊形和近圓形 平均尺寸約為1.11 μm，作為碳化物的形核中心，也有少量單獨存在的氧化物夾雜 用EDS化學(xué)成分分析的結(jié)果表明，其化學(xué)元素主要為Al和O元素，有少量Mg元素和Ca元素，成分為(Al，Mg)O，(Al，Ca)O和(Al，Mg，Ca)O，其中(Al，Ca)O形貌為圓形，夾雜含量極少

圖2



圖2GH4169母合金中單層夾雜物的形貌和成分

Fig.2Morphology and composition of monolayer inclusions in GH4169 ingot

碳氮化物夾雜的形貌多為帶有尖銳棱角的四邊形或多邊形，尺寸范圍為0.5~2.5 μm，平均尺寸約為1.00 μm EDS的分析結(jié)果表明，其化學(xué)元素主要為Ti、Nb、N、C，成分為(Ti，Nb)(C，N) 復(fù)合型夾雜物的尺寸范圍為1~5 μm，平均尺寸約為1.83 μm 以氧化物夾雜為核心外層包覆生長的碳氮化物夾雜，形狀為帶有棱角的多邊形，含量高且分布廣泛 EDS分析結(jié)果表明，其化學(xué)元素主要為Ti、Nb、N、C和Al、Mg、Ca、O，成分為(Al，Mg)O-(Ti，Nb)(C，N)或(Al，Mg，Ca)O-(Ti，Nb)(C，N)，面掃圖如圖3所示

圖3



圖3GH4169母合金中復(fù)合型夾雜物的形貌和元素分布

Fig.3Morphology and element scanning of composite inclusions in GH4169 ingot (a) (Al, Mg) O - (Ti, Nb) (C, N), (b) (Al, Mg, Ca) O - (Ti, Nb) (C, N)

2.3 夾雜物的含量

圖4給出了3根母合金中夾雜物的聚集情況 可以看出，1#母合金中只有氧化物夾雜，且數(shù)量很少，十分分散 2#和3#母合金中的夾雜物多為碳氮化物夾雜和復(fù)合型夾雜，單獨的氧化物夾雜數(shù)量極少 夾雜物數(shù)量明顯增加且聚集，尤其是3#中的夾雜物尺寸不一且聚集

圖4



圖4GH4169中夾雜物的聚集

Fig.4Aggregation of inclusions in GH4169 (a) 1#, (b) 2#, (c) 3#

統(tǒng)計GH4169母合金頂部、中部和底部夾雜物的含量，其折線圖在圖5中給出 可以看出，三根母合金中夾雜物的含量呈現(xiàn)明顯提高的趨勢，且頂部夾雜物的含量高于底部 這表明，在澆鑄過程中出現(xiàn)了夾雜物上浮

圖5



圖5GH4169母合金中頂部、中部和底部夾雜物的含量

Fig.5Content of top, middle and bottom inclusions in GH4169 ingot

GH4169母合金頂部、中部和底部試樣中三類夾雜物的面積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計結(jié)果，在圖6中給出 可以看出，1#母合金中只有氧化物夾雜，頂部、中部和底部的含量分別為0.019%、0.013%和0.014% 2#母合金中氧化物夾雜的含量均為0.001%，頂部、中部和底部碳氮化物夾雜的含量分別為0.024%、0.012%和0.013%，復(fù)合型夾雜的含量為0.028%、0.021%和0.014% 3#母合金中氧化物夾雜的含量均為0.001%，頂部、中部和底部的碳氮化物夾雜含量分別為0.078%、0.055%和0.045%，復(fù)合型夾雜的含量為0.018%、0.017%和0.015%

圖6



圖6GH4169母合金中各類夾雜物的含量

Fig.6Content of various types of inclusions in GH4169 ingot

1#、2#和3#母合金總夾雜物的含量均從頂部到底部遞降，其中2#和3#母合金中頂部的碳氮化物夾雜和復(fù)合型夾雜的含量最高，從頂部到底部遞降 與2#相比，3#母合金中復(fù)合型夾雜的含量明顯降低，但是碳氮化物夾雜的含量明顯提高 其原因是，N在合金中的存在方式有兩種，一是固溶于合金基體中，另一種是形成氮化物夾雜 原材料中N元素較少，易固溶于合金基體內(nèi)，難以析出形成氮化物夾雜 2#母合金N的含量為3.8×10-5(體積分?jǐn)?shù))，3#母合金中N含量為9.6×10-5(體積分?jǐn)?shù))，而其O含量相差不大 當(dāng)氧化物夾雜優(yōu)先存在于合金液中時，形成的碳氮化物夾雜會以氧化物為形核中心繼續(xù)生長 當(dāng)N含量很高時，如3#，碳氮化物夾雜不依附于氧化物夾雜而單獨析出，或多種共同析出

圖7給出了不同尺寸非金屬夾雜的數(shù)量密度 1#母合金中夾雜物的尺寸大多為小于1 μm其范圍為1~2 μm，數(shù)量密度為0.084/mm2，尺寸為2~5 μm的夾雜物數(shù)量密度為0.009/mm2，尺寸偏小 2#母合金中尺寸小于1 μm的夾雜物數(shù)量密度為0.031/mm2，尺寸為1~2 μm的夾雜物數(shù)量密度為0.187/mm2，尺寸為2~5 μm的夾雜物數(shù)量密度為0.156/mm2，尺寸大于5 μm的夾雜先出現(xiàn)，數(shù)量密度為0.002/mm2 不同尺寸夾雜物的數(shù)量密度表明，2#母合金中夾雜物的尺寸較大 3#母合金中各種尺寸的夾雜物其數(shù)量密度分別為0.276、0.509、0.322和0.029/mm2 所有尺寸夾雜物的數(shù)量密度都明顯增大，說明3#母合金中夾雜物的數(shù)量多，且大量的碳氮化物和復(fù)合型夾雜聚集形成大尺寸夾雜

圖7



圖7GH4169母合金中各種尺寸夾雜物的數(shù)量密度

Fig.7Number density of inclusions in GH4169 ingot

2.4 夾雜物的形成機(jī)理

實驗結(jié)果表明，GH4169母合金中夾雜物的類型主要有：氧化物夾雜(Al，Mg)O、(Al，Ca)O、(Al，Mg，Ca)O，碳氮化物夾雜(Ti，Nb)(C，N)和復(fù)合型夾雜(Al，Mg)O-(Ti，Nb)(C，N)、(Al，Mg，Ca)O-(Ti，Nb)(C，N) 使用JMatPro軟件進(jìn)行模擬分析，以揭示母合金中非金屬夾雜物的形成機(jī)理

2.4.1 JMatPro模擬計算

根據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)原理，使用JMatPro軟件分析夾雜物的元素和含量對析出的影響 先計算GH4169合金的平衡相圖，GH4169合金平衡凝固時夾雜物的析出過程為L+M2O3→L+M2O3+γ→L+M2O3+γ+MN→L+M2O3+γ+MN+MC 可以看出，在液相線溫度以上就已經(jīng)出現(xiàn)M2O3夾雜，在液固兩相區(qū)間先后析出MN夾雜和MC析出相 另外，根據(jù)GH4169合金的實際成分進(jìn)行模擬計算，圖8給出了合金平衡凝固時析出的M2O3夾雜和MN夾雜中的所有元素的含量隨合金中O元素和N元素的變化 可以看出，合金中的M2O3夾雜和MN夾雜中的M元素為Al、Cr、Fe、Ti和Cr、Mo、Nb、Ti、C；GH4169合金中的O含量和N含量低于0.1%時，M2O3夾雜的主要成分為Al2O3，MN夾雜的主要成分為TiN

圖8



圖8JMatPro模擬計算夾雜物中各元素的變化

Fig.8JMatPro simulates and calculates the changes of various elements in inclusions (a) M2O3, (b) MN

使用JMatPro軟件的模擬計算表明，M2O3夾雜的數(shù)量主要與O含量有關(guān)；MN夾雜的數(shù)量主要與N含量有關(guān) 分別改變Al、O含量和Ti、N含量，繪制出M2O3和MN夾雜含量的變化，如圖9和圖10所示

圖9



圖9元素Al和O分別對M2O3夾雜物析出含量的影響

Fig.9The influence of the elements Al and O on the precipitation content of M2O3 inclusions (a) Al content change, (b) O content change

圖10



圖10元素Ti和N分別對MN夾雜物析出含量的影響

Fig.10Influence of the elements Ti and N on the precipitation content of MN inclusions (a) Ti content change, (b) N content change

M2O3和MN夾雜的含量，分別隨O含量和N含量的提高而顯著提高 當(dāng)氧含量從0.0005%提高到0.0010%時M2O3含量從0.0010%提高到0.0022%，約提高1.2倍 隨著O含量的提高M(jìn)2O3夾雜的含量呈線性提高，O含量為0.0100%時M2O3含量為0.0212%，提高了20倍 與M2O3的平穩(wěn)變化相比，MN含量的變化是波動的 但是在總體上，MN含量隨著N元素含量的提高而提高 N元素含量從0.001%提高到0.010%，MN的含量從0.005%提高到0.045%

2.4.2 非金屬夾雜物的形成機(jī)理

圖11給出了氧化物夾雜的形成機(jī)理 GH4169合金中的強(qiáng)氧化物形成元素Al、Mg等，只有少量O固溶于合金基體中，大部分以氧化物夾雜的形式存在 其中Al含量最高，在液相溫度以上合金液中的O先與活潑元素Al生成Al2O3型氧化物夾雜 同時，氧化鈣坩堝的主要成分為CaO和MgO 在熔煉過程中坩堝與合金液發(fā)生溶解、物理侵蝕和化學(xué)反應(yīng)[22] 坩堝與合金液相接觸的內(nèi)表面發(fā)生[Ca]與[Mg]的溶解反應(yīng)

CaO(Solid)→[Ca]+[O]

(1)

?Gθ=678228-197.948T

(2)

MgO(Solid)→[Mg]+[O]

(3)

?Gθ=615552-208.878T

(4)

圖11



圖11CaO坩堝與合金液的反應(yīng)以及氧化物夾雜形成的示意圖

Fig.11Schematic illustration of the reaction between CaO crucible and alloy liquid and the formation of oxide inclusions

設(shè)冶煉溫度為1600℃，由 公式(2)可得CaO純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能為

?G1873Kθ=307471

(5)

根據(jù)Van’t Hoff等溫方程有

ΔG=?Gθ+RTln(aO?PCaaCaO)

(6)

又因為

PCa=1/2Psystem

(7)

已知已知aCaO=1，Psystem=15Pa，由 公式(6)可得

lnaO=-?GθRT-lnPCa=-3074718.314×1873+9.511=-10.234

(8)

式(6)、(7)、(8)中?G為吉布斯自由能，J/mol；?Gθ 為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能，J/mol；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為溫度，K；aO為氧的活度；PCa為Ca的蒸氣壓，Pa；aCaO為CaO的活度；Psystem為真空室壓力，Pa 于是得aO=3.593×10-4，即CaO分解時氧的活度為3.593×10-4，同理可得MgO分解時氧的活度為7.491×10-3 結(jié)果表明，CaO比MgO更穩(wěn)定，不易溶解

其次，合金液沖刷坩堝的內(nèi)表面，使內(nèi)表面部分顆粒脫落而在合金液中溶解 上述推理表明，穩(wěn)定的CaO在熔煉過程中很少被合金中的活潑元素還原，但是因其含量太高而有少量[Ca]溶于合金熔體中；坩堝中MgO的含量低，但是因其性能不穩(wěn)定而有[Mg]溶于合金熔體中

經(jīng)由上述反應(yīng)溶入合金液中的[Ca]和[Mg]與Al2O3反應(yīng)生成(Al，Mg)O夾雜、(Al，Ca)O夾雜和(Al，Mg，Ca)O夾雜，其反應(yīng)方程式為

Al2O3(Liquid)+[Mg]→MgO·Al2O3

(9)

Al2O3(Liquid)+[Ca]→CaO·Al2O3

(10)

MgO·Al2O3+[Ca]→CaO·MgO·Al2O3

(11)

當(dāng)合金中含有含量較高的Cr和Mo元素時其強(qiáng)烈保留N的傾向阻止脫氮的進(jìn)行，加之原材料中大量的N元素，使母合金錠中N元素的含量很高，在極大程度上促進(jìn)氮化物的析出 基于熱力學(xué)理論[23,24]，當(dāng)合金液溫度低于1450℃時TiN的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯生成自由能小于TiC，使TiN優(yōu)先析出，反應(yīng)方程式為

Ti(Liquid)+[N]=TiN(Solid)

(12)

?Gθ=-244000+77.7T

(13)

Ti(Liquid)+[C]=TiC(Solid)

(14)

?Gθ=-141064+35.0T

(15)

TiN與TiC同屬面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)相差較小 TiC極易與先析出的TiN互溶生成Ti(C, N)[25] 同時，在降溫過程中在已生成的Ti(C, N)中溶入部分鈮元素而形成(Ti，Nb)(C, N)

含有O和N元素時，在液相線溫度以上先生成以Al為主要元素的氧化物夾雜，溫度降低至固液兩相溫度區(qū)間時生成以Ti為主要元素的碳氮化物夾雜 在此基礎(chǔ)上，碳氮化物夾雜以先生成的氧化物夾雜為異質(zhì)形核核心先生長，生成內(nèi)層為圓形的氧化物、外面包覆生長碳氮化物的復(fù)合型夾雜物

3 結(jié)論

(1) 隨著金屬鉻純度的提高母合金鑄錠中雜質(zhì)元素的含量顯著降低，其中N含量(體積分?jǐn)?shù))從9.5×10-5降低到9.0×10-5

(2) 隨著金屬鉻純度的提高母合金鑄錠中夾雜物的類型由氧化物、碳氮化物和復(fù)合型夾雜物共存轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥醒趸飱A雜；母合金鑄錠的總夾雜物含量由0.231%降低到0.046%，不同尺寸的夾雜物含量均降低，其中小于5 μm的夾雜物數(shù)量密度從1.107、0.374遞減到0.177 mm-2，尺寸大于5 μm的夾雜物甚至消失

(3) 使用JMatPro模擬計算得出氧化物和氮化物夾雜的含量分別與O、N含量呈正相關(guān)關(guān)系，與Al、Ti等合金元素的含量無關(guān)

參考文獻(xiàn)

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Kirka M M, Unocic K A, Raghavan N, et al.

Microstructure development in electron beam-melted Inconel 718 and associated tensile properties

[J]. JOM, 2016, 68(3): 1012

DOIURL [本文引用: 1]

[2]

Zhang Y, Li X X, Wei K, et al.

Element segregation in GH4169 superalloy large-scale ingot and billet manufactured by triple-melting

[J]. Acta Metall. Sin., 2020, 56(8): 1123

DOI [本文引用: 1] " />

<p>Powder metallurgy (P/M) nickel&ndash;based superalloy FGH97 has been researched in recent 10 years in China which is particularly suitable for producing aircraft engine disks and shafts <em>etc..</em> In the range of operating temperature, the resistance to low cycle fatigue (LCF) of P/M nickel&ndash; based superalloy is one of the most important performances. In this paper the fracture features of LCF on P/M nickel&ndash;based superalloy FGH97 were investigated. The study focused on macroscopic and microscopic features of LCF fractures under 650 ℃, 980&mdash;30 MPa, 1 Hz test conditions by optical microscope and SEM. The types and morphologies of failure origins were observed. The effects of failure origin location and type, shape and size of defects located in fracture on LCF life were discussed. The results show that LCF life of all the specimens of FGH97 is over 5000 cyc under above test conditions. Statistically, 23% of LCF failure origins are on sample surface, 47% near surface and 30% in interior of samples. There are statistically three types of the LCF failure origins in this alloy: 5% of grain facet, 15% of powder particle and 80% of inclusion. Based on the statistical analysis and theoretical calculation of the influences of three types of LCF failure origins on LCF life, it can be concluded that the LCF life can be more severely affected by the inclusion than by the abnormal powder particle and partial plastic deformation.</p>

張 瑩, 張義文, 張 娜 等.

粉末冶金高溫合金FGH97的低周疲勞斷裂特征

[J]. 金屬學(xué)報, 2010, 46(4): 444

[8]

Liu X L, Hu C Y, Wang T Y.

Influence mechanism of inclusion size on low cycle fatigue of powder metallurgy superalloy

[J]. Fail. Anal. Prev., 2018, 13(2): 89

劉新靈, 胡春燕, 王天宇.

夾雜物尺寸對粉末高溫合金低周疲勞壽命影響的機(jī)制

[J]. 失效分析與預(yù)防, 2018, 13(2): 89

[9]

Qu J L, Zhang X L, Yang S F, et al.

Research on inclusions in powder metallurgy superalloy－a review

[J]. Powd. Metal. Ind., 2020, 30(5): 1

[本文引用: 1]

曲敬龍, 張雪良, 楊樹峰 等.

粉末高溫合金中夾雜物問題的研究進(jìn)展

[J]. 粉末冶金工業(yè), 2020, 30(5): 1

[本文引用: 1]

[10]

You Q F, Yuan H, Zhao L H, et al.

Removal inclusions from nickel-based superalloy by induced directional solidification during electron beam smelting

[J]. Vacuum, 2018, 156: 39

DOIURL [本文引用: 1]

[11]

Kong H H, Yang S F, Qu J L, et al.

Type and distribution of inclusion in GH4169 nickel-based superalloy

[J]. Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica, 2020, 41(4): 304

[本文引用: 1]

孔豪豪, 楊樹峰, 曲敬龍 等.

GH4169鑄錠中夾雜物的類型及分布規(guī)律

[J]. 航空學(xué)報, 2020, 41(4): 304

[本文引用: 1]

[12]

Wang D, Yang S F, Qu J L, et al.

Distribution of inclusions on surface of GH4169 ESR ingot

[J]. Iron & Steel, 2021, 56(2): 155

[本文引用: 1]

王 迪, 楊樹峰, 曲敬龍 等.

GH4169電渣重熔鑄錠表層夾雜物分布規(guī)律

[J]. 鋼鐵, 2021, 56(2): 155

[本文引用: 1]

[13]

Zhang H X, Ma G H, Meng Y, et al.

Research on purification control technology of FGH96 master alloy

[J]. Foundry, 2018, 67(7): 611

[本文引用: 1]

張華霞, 馬國宏, 孟宇 等.

FGH96母合金潔凈化控制技術(shù)的研究

[J]. 鑄造, 2018, 67(7): 611

[本文引用: 1]

[14]

Zhao H Q, Chen W Q.

Effect of crucible material and top slag composition on the inclusion composition of tire cord steel

[J]. J. Iron Steel Res., 2012, 24(3): 12

[本文引用: 1]

趙昊乾, 陳偉慶.

坩堝材質(zhì)及頂渣成分對簾線鋼夾雜物成分的影響

[J]. 鋼鐵研究學(xué)報, 2012, 24(3): 12

[本文引用: 1]

[15]

Gao X Y, Zhang L, Qu X H, et al.

Investigation on the formation mechanism of non-metallic inclusions in high-aluminum and titanium-alloyed Ni-based superalloy

[J]. Vacuum, 2020, 177: 109409

DOIURL [本文引用: 1]

[16]

Jin W Z, Zhang W, Li T J, et al.

Electromagnetic purification of master alloy ingot of K417 superalloy in vacuum

[J]. Chin. J. Vac. Sci. Technol., 2011, 31(5): 589

[本文引用: 1]

金文中, 張 偉, 李廷舉 等.

K417高溫合金母合金錠真空電磁凈化技術(shù)研究

[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2011, 31(5): 589

[本文引用: 1]

[17]

Zhang X F, Yan L G.

Regulating the non-metallic inclusions by pulsed electric current in molten metal

[J]. Acta Metall. Sin., 2020, 56(3): 257

DOI [本文引用: 1] " />

通常非金屬夾雜物會降低鋼鐵材料的性能，例如降低橫向力學(xué)性能、萌生裂紋、減低疲勞壽命和誘發(fā)腐蝕 減少夾雜物的數(shù)量和改變夾雜物的形態(tài)可以顯著提升鋼鐵材料的性能 所以，鋼中夾雜物的去除以及形態(tài)控制一直以來都是研究的熱點 雖然通過底吹A(chǔ)r氣、電磁攪拌和過濾方法可以在一定程度上去除夾雜物，但是上述方法難以有效地去除尺寸小于20 μm的夾雜物，并且不能有效地控制夾雜物的形態(tài) 最近，電流成為一種夾雜物去除與形態(tài)控制的新方法 本文簡要綜述了夾雜物的危害及其控制手段，并且詳細(xì)回顧了電流對金屬熔體中夾雜物的去除、取向和形態(tài)演變的影響，并介紹了電流控制夾雜物的3種機(jī)理：電泳、電自由能驅(qū)動、電磁斥力 電泳理論認(rèn)為熔體中的夾雜物帶有電荷，夾雜物在電場力的作用下平行于電流方向遷移 電自由能驅(qū)動理論和電磁斥力理論認(rèn)為夾雜物垂直于電流方向遷移 電流波形顯著影響夾雜物的去除效果，與直流電、交流電相比，脈沖電流具有較強(qiáng)的夾雜物去除能力，尤其是脈沖電流能夠有效分離鋼液中尺寸為5 μm以上的夾雜物 此外，脈沖電流不僅可以控制夾雜物取向與形態(tài)，還可以對氣泡的形態(tài)產(chǎn)生影響；脈沖電流作用下夾雜物趨于細(xì)化、球化并平行于電流排列 最后，對電流控制夾雜物的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并分析了未來的研究趨勢 同時，對脈沖電流在抑制浸入式水口堵塞中的應(yīng)用進(jìn)行分析與展望 由于脈沖電流能耗低、夾雜物去除效果好以及工藝裝備簡易的優(yōu)點，有望成為未來去除夾雜物、抑制水口堵塞的新技術(shù)

[18]

Pu Y L, Kou S Z, Zhang Z D, et al.

Effects of compound salt purifiers on composition and microstructure of GH4169 returned alloy

[J]. Nonferrous Met., 2018(7): 57

[本文引用: 1]

蒲永亮, 寇生中, 張志棟 等.

復(fù)合鹽凈化劑對GH4169返回料成分和組織的影響

[J]. 有色金屬, 2018(7): 57

[本文引用: 1]

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Qian K, Chen B, Zhang L, et al.

Kinetics study of nitrogen removal from liquid IN718 alloy during vacuum induction melting

[J]. Vacuum, 2020, 179: 109521

DOIURL [本文引用: 1]

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Wang M M, Yang Y H, Wang D H, et al.

Deep deoxidation and desulfurization of cast superalloy K417G

[J]. Rare Metal Mat. Eng., 2018, 47(12): 3730

王慢慢, 楊彥紅, 王道紅 等.

鑄造高溫合金K417G深度脫氧脫硫的研究

[J]. 稀有金屬材料與工程, 2018, 47(12): 3730

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Ding Y T, Wang W, Li H F, et al.

Purification in alloy GH3625 through vacuum induction remelting

[J]. Rare Metal Mat. Eng., 2018, 47(2): 687

[本文引用: 1]

丁雨田, 王 偉, 李海峰 等.

真空感應(yīng)重熔GH3625合金純凈化研究

[J]. 稀有金屬材料與工程, 2018, 47(2): 687

[本文引用: 1]

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Li J P, Zhang H R, Gao M, et al.

Effect of vacuum level on the interfacial reactions between K417 superalloy and Y2O3 crucibles

[J]. Vacuum, 2020, 182: 109701

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Jang J M, Seo S H, Han J S, et al.

Reassessment of TiN(s)=Ti+N equilibration in liquid iron

[J]. ISIJ. Int., 2015, 55(11): 2318

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Li M G, Matsuura H, Tsukihashi F.

Investigation on the formation mechanism of Ti-bearing non-metallic inclusions in Fe-Al-Ti-O-N alloy by inductive separation method

[J]. Mater. Charact., 2018, 136: 358

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Chai G M, Chen X C, Guo H J, et al.

Formation mechanism of primary carbides in FGH96 superalloy

[J]. Chin. J. Nonferrous Met., 2012, 22(8): 2205

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柴國明, 陳希春, 郭漢杰.

FGH96高溫合金中一次碳化物形成規(guī)律

[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2012, 22(8): 2205

[本文引用: 1]

Microstructure development in electron beam-melted Inconel 718 and associated tensile properties

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