鎳基高溫合金在整個高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位，被廣泛應用于航空航天、核電裝備以及化工石油等領(lǐng)域［1］。由于該類合金在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強度，良好的抗氧化、抗腐蝕性能，因而在復雜高溫環(huán)境中對其需求量持續(xù)增長［2］。鎳基高溫合金的熔煉工藝作為金屬材料制備的首要步驟，是關(guān)系到合金能否達到優(yōu)越性能的一個重要環(huán)節(jié)［3］。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鎳基高溫合金已發(fā)展出多種多樣的熔煉工藝類型，包括真空感應熔煉（Vac-cuminductionmelting，VIM），電弧爐熔煉（Electricarcfurnacemelting，EAFM），等離子電弧爐熔煉（Plasmaarcfurnacemelting，PAFM）等單聯(lián)工藝。
對于成分控制及冶煉質(zhì)量要求更高的鎳基合金，往往還需要在單聯(lián)工藝基礎(chǔ)上進一步對合金錠進行提純和優(yōu)化，由此，發(fā)展出真空感應熔煉+電渣重熔（VIM+Electroslagremelting，VIM+ESR）和真空感應熔煉+真空自耗重熔（VIM+Vacuumarcremelting，VIM+VAR）等雙聯(lián)工藝以及真空感應熔煉+電渣重熔+真空自耗重熔（VIM+ESR+VAR）等三聯(lián)冶煉工藝［4］。
鎳基高溫合金的合金化程度非常高，在熔煉過程中往往需要加入Fe、Cr、Mo、Nb、Al、Ti等多種合金元素。而合金元素對應原料加入時往往還參雜著少量雜質(zhì)元素，因此，對合金元素對應原料的純度提出了較高要求。另外，合金制備過程還存在大量料頭、料尾、邊角料等返回料，不同類型原料的加入，會對熔煉合金的化學成分及雜質(zhì)含量控制產(chǎn)生較大影響。VIM具有能精確控制合金成分，降低雜質(zhì)元素含量的優(yōu)點，但該方法制備出的真空鑄錠往往存在縮孔及疏松等缺陷［5］。因此，需在此基礎(chǔ)上進一步進行雙聯(lián)甚至三聯(lián)熔煉，充分利用各種熔煉方法的優(yōu)點，從而達到鎳基高溫合金純凈化的目的。
鎳基高溫合金的熔煉工藝顯著影響合金后續(xù)制備的質(zhì)量和性能，近年來受到了越來越廣泛的關(guān)注。本文對鎳基高溫合金目前普遍采用的VIM以及基于VIM的雙聯(lián)或三聯(lián)工藝的研究進展進行綜述。
1、鎳基高溫合金簡介及熔煉工藝要求
鎳基高溫合金是基于Cr20Ni80合金發(fā)展起來，能在高溫環(huán)境中長期穩(wěn)定使用的金屬材料。如圖1所示，隨著制備工藝不斷改進，成分設(shè)計不斷優(yōu)化，高溫合金零部件的服役溫度及使用壽命也不斷提高［6-7］。
從合金成分來看，鎳基高溫合金是以鎳為基體元素，通過添加多種其他元素進行強化的高合金化金屬材料［8］。為了滿足鎳基高溫合金復雜嚴苛的使用條件，往往會在鎳基高溫合金中添加多達十幾種強化元素，表1列舉了不同合金元素及其作用［9］。
多種強化元素的加入導致鎳基高溫合金內(nèi)部形成多種復雜相結(jié)構(gòu)，如γ基體相，γ?、γ"強化相，Laves及δ相，MC及M23C6碳化物等，圖2展示了主要相結(jié)構(gòu)的晶胞模型。多種元素還會使得鎳基高溫合金的合金化程度迅速提高，這對熔煉工藝提出了更高要求。例如，對于時效強化型鎳基合金，為析出更多γ?或γ"強化相，會在熔煉過程加入更多Al、Ti
等強化元素，但Al、Ti屬于易揮發(fā)元素，在大氣條件下進行熔煉會造成極大燒損，因此更適用于VIM。
但VIM無法有效解決高溫下熔體與坩堝反應，難以去除S、P等雜質(zhì)元素及鑄錠內(nèi)部存在縮孔、疏松等缺陷，因此，需在VIM基礎(chǔ)上進行ESR或VAR雙聯(lián)冶煉。VIM+ESR可利用渣金反應進一步降低S、P等雜質(zhì)元素含量，但該工藝受散熱條件限制，會導致電渣錠內(nèi)部存在較大元素偏析，限制了合金熔煉錠型的擴大化；VIM+VAR雙真空熔煉工藝，更有利于控制元素燒損和偏析，但無法有效去除S等雜質(zhì)元素，會使得真空錠內(nèi)部存在更多夾雜物并產(chǎn)生黑/白斑等缺陷。
ESR和VAR作為重熔工藝，可起到調(diào)控合金凝固組織，進一步降低合金雜質(zhì)含量的目的，能夠滿足大部分鎳基高溫合金的熔煉需求。但對于潔凈度要求更高，錠型尺寸要求更大的合金而言，則需采用VIM+ESR+VAR三聯(lián)工藝，充分結(jié)合各熔煉技術(shù)優(yōu)點，從而滿足更加嚴苛的熔煉需求。
熔煉工藝是鎳基高溫合金制備過程的首要環(huán)節(jié)，且對合金的后續(xù)加工成型具有重要影響［10］。因此，本文綜述了目前鎳基高溫合金制備最常用的VIM工藝，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的雙聯(lián)及三聯(lián)工藝。
2、鎳基高溫合金熔煉方法及特點
2.1真空感應熔煉（VIM）
VIM是鎳基高溫合金熔煉的第一步，其主要目的是為了得到化學成分符合要求的母合金錠，為鑄錠的二次重熔做好成分和潔凈度的準備。VIM能有效控制O、N、H等氣體元素以及S、P、Si等有害元素的含量，實現(xiàn)對母合金錠成分的精確控制［11-12］。
VIM是在真空條件下，利用通電感應線圈產(chǎn)生電磁感應，使坩堝內(nèi)金屬爐料產(chǎn)生渦流熱并熔化，在熔煉過程通過電磁攪拌實現(xiàn)合金熔體成分的均勻化以及精確控制［13］。圖3展示了VIM過程的示意圖。按照熔煉流程，真空感應熔煉可大致分為裝料、熔化、精煉以及澆注四個主要階段。
VIM熔化階段的主要目的，是為了將加入坩堝中的金屬爐料快速熔化，去除熔融金屬液中的O、N、H等氣體元素，以及非金屬夾雜物和有害雜質(zhì)等［14］。熔化期需要合理控制熔化速率以及真空度這兩個關(guān)鍵因素，避免“架橋”現(xiàn)象的發(fā)生，并保證原料熔化速率和有害氣體排除的匹配［15］。
在爐料完全化清后的精煉期，需重點把控精煉溫度、精煉時間以及真空度。鎳基高溫合金的熔煉常采用MgO或l2O3坩堝，在高溫高真空條件下，MgO及Al2O3會發(fā)生分解，產(chǎn)生金屬蒸汽并向金屬熔體持續(xù)供氧，使得熔體中氧含量不降反升［10］。趙鴻燕［16］對比了不同材質(zhì)坩堝對Inconel690合金O、S含量的影響，結(jié)果表明：MgO坩堝對合金中O、S控制能力較弱，鋁鎂質(zhì)坩堝更易降低合金中O含量，CaO坩堝則能進一步降低合金中S含量。在精煉末期還需完成合金化調(diào)控，其主要目的是將鋼液成分控制在需要的范圍內(nèi)，達到出鋼澆注的要求。一般在熔化階段將Ni、Cr、Fe等主要原料放入坩堝進行加熱熔化，在精煉末期再加入Al、Ti等活潑易燒損元素及需要添加的微量元素，同時進行電磁攪拌，使得合金元素在鋼液中均勻分布，減少成分偏析［17］。
2.2電渣重熔（ESR）
ESR是高溫合金潔凈化冶煉的主要環(huán)節(jié)之一，我國目前有超過一半的高溫合金牌號采用了這種熔煉工藝。ESR是上世紀五十年代由電渣焊技術(shù)發(fā)展演變的一種熔煉方法，并在七八十年代被世界各國廣泛應用于熔煉冶金等領(lǐng)域［18］。電渣重熔基本原理是電流在通過渣料時，由于渣料電阻較大會產(chǎn)生大量熱量，利用渣阻熱將需要重熔的電極逐步熔化。金屬液以熔滴的形式通過渣料實現(xiàn)凈化，最終在水冷結(jié)晶器中完成自下而上的凝固。圖4展示了ESR的基本原理［19］。
ESR的渣系選擇、配比和用量等參數(shù)對電渣熔煉過程和電渣錠的質(zhì)量會產(chǎn)生決定性影響。金屬熔滴在與液態(tài)渣料接觸的過程存在一系列渣金反應，渣金接觸面積可達3200mm2/g以上，這使得金屬熔滴中的非金屬夾雜物以及S、P、Sb等有害元素被熔渣吸收而去除，而Al、Ti等易氧化元素與渣料中氧化物充分反應，從而對合金的潔凈度實現(xiàn)了良好控制［20］。目前，鎳基高溫合金的ESR多采用以CaF2為基礎(chǔ)成分，并添加適量Al2O3、CaO、MgO、TiO2及SiO2等氧化物共同構(gòu)成的多元渣系。總的來說，渣料的選擇應滿足：具有較低的熔點和粘度，適宜的電導率和較高的堿度，較低含量的不穩(wěn)定氧化物和變價氧化物以及較大的界面張力［21］。除渣系設(shè)計外，ESR過程的熔煉速率及熔池深度等參數(shù)也密切影響重熔過程及電渣錠質(zhì)量。
傳統(tǒng)敞開式ESR過程是在大氣氛圍下進行，難免會發(fā)生O、N、H氣體的吸入并加劇Al、Ti等易氧化元素的燒損［22］。基于以上因素，在敞開式電渣重熔基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展出了保護氣氛電渣重熔（PESR）以及真空電渣重熔（VESR）技術(shù)。另外，近年來在傳統(tǒng)電渣重熔基礎(chǔ)上，還發(fā)展出了包括快速電渣重熔技術(shù)（ESRR）、加壓電渣重熔技術(shù)PESR）、電渣連鑄（ESCC）等許多新型電渣重熔技術(shù)，通過這些新型重熔技術(shù)，可有效提升電渣重熔錠的質(zhì)量，降低電渣重熔成本［23］。
2.3真空自耗重熔（VAR）
VAR是一種將一次熔煉得到的母合金錠作為重熔電極，利用真空自耗爐在真空氛圍及低壓直流電弧作用下，將電極棒逐漸熔化，并在水冷銅結(jié)晶器中快速冷卻凝固的一種工藝技術(shù)［24］。將自耗電極作為陰極，在真空中產(chǎn)生溫度高達5000K的穩(wěn)定電弧區(qū)，電極底部逐漸熔化形成金屬液滴，液滴在重力作用下下降通過電弧區(qū)并滴落到水冷結(jié)晶器中形成熔池，隨后冷卻凝固。在這一過程中，會發(fā)生一系列有利于去除雜質(zhì)和氣體的反應，同時在水冷結(jié)晶器的強制冷卻作用下，容易獲得定向凝固、成分均勻的組織，從而得到質(zhì)量優(yōu)異
的自耗合金錠。圖5展示了真空自耗重熔的基本原理［25］。
VAR按照工藝步驟可大致分為自耗電極焊接、引弧、熔煉及封頂四個環(huán)節(jié)。其中，在熔煉階段需選擇合適的電壓、電流、冷卻速率、電弧長度等熔煉參數(shù)。而在封頂階段大多采用“多級封頂，低電流保溫”的封頂工藝，通過逐級減小電流，并匹配合適的電壓，達到提高自耗錠成材率的目的［26］。
近年來，在普通真空自耗重熔的基礎(chǔ)上，還發(fā)展出了包括熔滴凝固控制成形、同軸供電、動態(tài)實時稱重控制等多種先進技術(shù)［27］。
3、常用鎳基高溫合金熔煉工藝路線
前已述及，VIM單聯(lián)工藝存在一些不足之處：
（1）熔煉過程金屬液與坩堝耐火材料反應，導致合金熔體的污染；
（2）與大氣環(huán)境相比，真空脫硫效果更差；
（3）澆注過程無法進行補縮，得到的真空錠存在較大縮孔。為解決以上問題，需在VIM的基礎(chǔ)上，聯(lián)合ESR或VAR技術(shù)，開展雙聯(lián)甚至三聯(lián)熔煉工藝。
3.1真空感應熔煉+保護氣氛電渣重熔（VIM+PESR）雙聯(lián)工藝
VIM+ESR是常用的鎳基高溫合金雙聯(lián)熔煉工藝。但ESR過程與大氣直接接觸，不可避免地會出現(xiàn)吸O吸H和易氧化元素燒損的情況。有研究表明，液態(tài)爐渣中的Fe2O3和TiO2會作為載體，將大氣中的O向金屬熔池中傳遞，圖6展示了ESR過程的氧傳遞行為［28］。金屬熔池中氧含量的增加，會加劇Al、Ti等元素的燒損，雖然通過向渣池中添加脫氧劑（例如Al、CaSi、Mg等），可以達到有效脫氧的目的，但同時也會改變?nèi)墼M分，并使得電渣錠中部分易氧化元素含量發(fā)生改變［29］。
而VIM+PESR則可以有效隔絕大氣環(huán)境，防止氧含量的增加。陳韓鋒等人［30］開展了GH4169合金的VIM+PESR（Ar氣）工藝研究，發(fā)現(xiàn)相較于非保護氣氛條件，合金在PESR條件下的C、Al、Ti元素的收得率及分布均勻性顯著提升，O含量由15×10-6降至10×10-6，合金的鍛造熱加工性能良好。賈景巖等人［31］對比了PESR（Ar氣）與常規(guī)ESR（加鋁粉脫氧）對GH2132合金Ti元素收得率的影響，結(jié)果表明：采用PESR能夠使合金底部與頂部Ti收得率均得到顯著提升，杜絕了常規(guī)ESR加鋁粉脫氧而產(chǎn)生的夾雜
物。陳國勝等人［32］利用全封閉PESR爐對GH4169合金進行了重熔，發(fā)現(xiàn)與大氣氛圍下ESR相比，除了O含量及Al、Ti元素燒損顯著降低外，S含量也更低。以上研究結(jié)果表明：VIM+PESR能夠起到降低合金中O含量，提高易氧化元素收得率及均勻分布的效果。
無論是何種電渣重熔技術(shù)，渣系設(shè)計與配比始終是實現(xiàn)潔凈化重熔的核心因素。為此，國內(nèi)外學者對渣系設(shè)計與重熔合金質(zhì)量進行了大量研究。
劉立等人［33］通過對ANF-6渣進行改進，設(shè)計了一種CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元渣系，該渣系具有較低表面張力和粘度值，重熔出的Inconel600/625合金成分均勻，O、N含量較低。崔利民等人［34］對GH2132合金2t電渣錠重熔工藝進行改進，通過采用CaF2∶CaO∶Al2O3∶TiO2=75∶5∶15∶5（%）渣系替代原CaF2-Al2O3渣系，降低了合金中Ti燒損率和夾雜物尺寸。Duan等人［35］在電渣重熔Inconel718合金時，將CaF2-CaO-Al2O3-MgO-TiO2五元渣系中CaO含量由5%增加至36%，得到的合金中O含量由33.3×10-6降至10×10-6，而S含量則由20×10-6降至6.5×10-6，表明CaO含量對合金脫硫效應具有明顯影響。Rad‐witz等人［36］研究了渣料中MgO含量對合金中非金屬夾雜物的影響，結(jié)果表明，隨著MgO含量的增加，電渣錠中的夾雜物尺寸顯著減小，當MgO含量增加為15%時，尺寸大于6μm的夾雜物基本被去除。
根據(jù)合金特點匹配合適的渣系，并選擇開發(fā)新型電渣重熔技術(shù)，已經(jīng)成為鎳基高溫合金潔凈化熔煉的重要基礎(chǔ)。
3.2真空感應熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR）雙聯(lián)工藝
相較于ESR，VAR是一種無需利用渣料的技術(shù)，因此，在重熔過程不會因為鑄錠表面渣皮影響而阻礙傳熱。同時，在凝固鑄錠及結(jié)晶器之間可充入冷卻介質(zhì)（例如He氣）加強冷卻效果，從而得到的熔池更淺，冷卻更快，有利于獲得組織更加細密、偏析更小的自耗錠。
熔煉速率對VAR自耗錠的微觀組織演化以及冶金質(zhì)量都將產(chǎn)生顯著影響，國內(nèi)外學者對此進行了較多研究。王資興等人［37］研究了低中高三種熔速對VIM+VAR自耗過程IN718合金微觀組織的影響，結(jié)果表明：隨著熔速的增加，自耗錠中心部位由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，且同一部位析出Laves相尺寸及含量也隨之增加，表明元素偏析隨熔速增加而加重。Davidson等人［38］研究發(fā)現(xiàn)，VAR重熔過程電流的微小變化，會對熔速產(chǎn)生顯著影響，并進一步影響合金的溫度場以及鑄錠質(zhì)量，通過設(shè)定適宜的電流大小，有利于合金熔體溫度場和流動的穩(wěn)定，從而獲得更加優(yōu)異的雙真空自耗錠。不少學者還對VIM+VAR雙真空自耗過程的白斑及黑斑缺陷進行了研究。于騰等人［39］通過研究VARIN718合金發(fā)現(xiàn)，偏弧和過長弧長會使熔池溫度場和流場紊亂，導致漂浮物、掉塊等不能完全熔化，從而形成白斑，而穩(wěn)定的漫散弧是避免白斑形成的關(guān)鍵。Wang等人［40］研究了VARInconel718合金鑄錠內(nèi)黑斑形成與工藝參數(shù)之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，鑄錠中心到半徑1/2部位形成的黑斑即為枝晶間Nb、Mo等元素偏析形成，并與冷卻速率密切相關(guān)。
隨著航空航天及燃機工業(yè)的快速發(fā)展，自耗錠的直徑尺寸要求逐漸增大，由Φ406mm→Φ508mm→Φ660mm（GH4169）→Φ810mm（GH4738、GH4698）→Φ920mm（GH2706），這對VAR過程的冷卻強度提出了更高要求［24］。因此，在自耗錠與結(jié)晶器之間通入冷卻介質(zhì)（例如He氣、Ar氣）成為加強重熔過程冷卻條件的有效手段。學者們對冷卻介質(zhì)加強VAR過程冷卻速率進行了廣泛研究，有研究表明，He氣的熱傳導效率遠高于Ar氣的熱傳導效率［41］。楊玉軍等人［42］研究了He氣冷卻對VAR
GH4648合金的影響，結(jié)果表明：He氣的加入可有效減小熔池深度，熔池由“窄而深”向“寬而平”轉(zhuǎn)變，并使得凝固組織的枝晶尺寸變得細小，減小了大尺寸自耗錠的偏析傾向。趙長虹等人［43］的研究結(jié)果也表明：采用短弧控制和He氣提高冷卻凝固速率，是弱化元素偏析，防止合金產(chǎn)生白/黑斑的有效措施。
近年來，為了進一步提升VIM+VAR雙真空熔煉工藝的穩(wěn)定性，對VAR過程參數(shù)的精確和自動化控制引起了研究人員的重視。國外已相繼開發(fā)出熔滴凝固控制成形、同軸供電以及動態(tài)實時稱重控制等先進技術(shù)，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用［44］。
我國各大單位及機構(gòu)已引進了多臺技術(shù)先進的大型真空自耗爐，對于VIM+VAR雙聯(lián)工藝的研究，主要集中在工藝參數(shù)優(yōu)化對鑄錠缺陷控制以及對鑄錠組織調(diào)控方面。例如VAR過程熔速、電弧長度、冷卻條件等參數(shù)對自耗錠質(zhì)量的影響；數(shù)值模擬在VIM+VAR中的應用等。
3.3真空感應熔煉+保護氣氛電渣重熔+真空自耗
重熔（VIM+PESR+VAR）三聯(lián)工藝由于VIM+PESR以及VIM+VAR雙聯(lián)工藝各自存在一些不足，無法滿足組織性能要求更高的合金熔煉需求，而VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝，可以將PESR去S去O，減少雜質(zhì)的優(yōu)點以及VAR減小偏析的優(yōu)點結(jié)合起來，實現(xiàn)熔煉鑄錠的性能優(yōu)化，滿足要求更加嚴苛的熔煉需求。
目前，國內(nèi)外大量學者及機構(gòu)對鎳基高溫合金的三聯(lián)熔煉工藝展開了研究。Chen等人［45］對比研究了VIM+PESR與VIM+PESR+VAR兩種熔煉工藝對Φ508mm大規(guī)格GH4738合金潔凈度及疲勞性能的影響，見表2，相較于VIM+PESR，經(jīng)過VIM+PESR+VAR三聯(lián)熔煉后，鑄錠中S、O有害元素含量得到了顯著下降，同時夾雜物數(shù)量及尺寸也有所降低，室溫及高溫拉伸性能得到了提高。陳國勝等人［46］利用VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝對Φ508mm的GH4169合金進行了熔煉，結(jié)果表明：VIM真空錠在PESR后電極組織致密，潔凈度高，因此，與VIM+VAR雙聯(lián)工藝相比，三聯(lián)熔煉工藝得到的鑄錠O、S含量大幅下降，表面質(zhì)量及熱塑性得到明顯改善。
張勇等人［47］對三聯(lián)熔煉Φ508mm大規(guī)格GH4169合金鑄錠及棒材元素偏析行為進行了研究，結(jié)果表明：盡管Nb、Ti、Mo等元素自鑄錠邊緣到鑄錠中心，偏析程度逐漸加重，但經(jīng)過高溫均勻化和鍛造后，合金棒材中無“黑斑”、“白斑”等宏觀偏析，且內(nèi)部Nb、Ti、Mo等元素分布均勻度較高，微觀偏析也基本得到了消除，這說明三聯(lián)工藝在大規(guī)格鑄錠熔煉方面具有獨特優(yōu)勢。
除變形高溫合金的三聯(lián)熔煉工藝外，美國還將三聯(lián)工藝用于粉末高溫合金的熔煉，通過該方法能使粉末合金中O、N、S等雜質(zhì)元素含量降至1×10-6以下［48］。國內(nèi)也開展了粉末高溫合金的三聯(lián)熔煉工藝研究，高小勇［49］通過調(diào)整Al、Ti易燒損元素在VIM過程的加入順序，調(diào)控ESR過程的渣系設(shè)計（添加適量CeO2）等方式，實現(xiàn)了對鑄錠中非金屬夾雜物的有效去除，制備出了高潔凈的FGH96粉末高溫合金母合金。
目前，三聯(lián)工藝已被廣泛應用于高質(zhì)量變形鎳基高溫合金的潔凈化熔煉當中，而在鑄造、粉末冶金甚至是金屬增材制造用粉末的母合金鑄錠方面，許多學者及機構(gòu)正在開展三聯(lián)熔煉工藝的進一步研究。
3.4鎳基高溫合金熔煉工藝的選擇
鎳基高溫合金的熔煉工藝選擇主要取決于合金成分及對合金質(zhì)量的要求，表3對比了各熔煉工藝的優(yōu)缺點及適用的熔煉條件，可以看出，VIM+ESR+VAR三聯(lián)熔煉工藝無疑是獲得高質(zhì)量合金鑄錠的有效途徑。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)不同合金的熔煉需求，選用合適的熔煉工藝，有利于平衡熔煉成本和合金鑄錠質(zhì)量之間的關(guān)系。
VIM+ESR工藝可以進一步將S、P等雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物含量控制在更低程度，獲得組織致密、表面質(zhì)量較好的合金鑄錠，提升合金的熱塑性。但由于渣皮阻礙散熱，會導致合金鑄錠心部存在嚴重元素偏析，另外Al、Ti等活潑元素即使在保護氣氛下也存在一定程度的燒損，且隨著電渣錠長度的增加，鑄錠頭尾的成分偏差將進一步加大。因此，
考慮到電渣重熔的優(yōu)缺點，VIM+ESR更適用于對合金潔凈度要求更高，鑄錠規(guī)格較小，易燒損元素含量控制要求更低的鎳基高溫合金的熔煉。
VIM+VAR工藝不存在大氣、鑄模以及耐火材料的污染，沒有渣殼，借助于鑄錠與結(jié)晶器間良好的散熱條件，可使得凝固鑄錠心部偏析程度降低、組織成分分布更加均勻。但需指出，該方法無法有效去除合金中S、P等雜質(zhì)元素，夾雜物尺寸較大、數(shù)量更多，鑄錠表面質(zhì)量較差。因此，考慮到VAR技術(shù)的優(yōu)缺點，VIM+VAR更適用于對鑄錠規(guī)格要求更大，組織要求更加均勻，易燒損元素含量控制要求更高的鎳基高溫合金的熔煉。
表4展示了國內(nèi)部分典型高溫合金采用的熔煉路線［48］。由于ESR及VAR技術(shù)的限制，目前國內(nèi)采用VIM+ESR或VIM+VAR雙聯(lián)工藝熔煉鎳基高溫合金鑄錠直徑控制在660mm以內(nèi)，而國外已開始探索更大尺寸鑄錠的熔煉及應用。采用VIM+ESR/PESR+VAR三聯(lián)工藝，制備更大規(guī)格、更高潔凈度的鎳基高溫合金鑄錠是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的趨勢和迫切需求。
利用三聯(lián)工藝制備高可靠性高溫合金鑄錠，已成為國外多家單位的共性認識，美國已將三聯(lián)熔煉工藝作為擴大鑄錠直徑，降低鑄錠內(nèi)部缺陷的重要措施，并在此基礎(chǔ)上制定了標準及完善的熔煉流程。利用VIM+ESR+VAR三聯(lián)工藝，美國GE與All‐vac公司聯(lián)合開發(fā)出了碳化物及夾雜物含量較低的Φ915mm的超大規(guī)格Inconel718鑄錠，并成功用于后續(xù)開坯鍛造［53］。
近年來，雖然國內(nèi)廠商通過設(shè)備引進，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)了熔煉裝備的更新與發(fā)展，并通過開展三聯(lián)熔煉工藝的研究及應用，已經(jīng)能夠制備出Φ920mm的超大規(guī)格GH4706鑄錠［52］。但由于我國三聯(lián)熔煉工藝發(fā)展起步較晚，且三聯(lián)熔煉工序復雜，涉及多種工藝參數(shù)及對應的精確控制系統(tǒng)，限制了熔煉鑄錠的潔凈化和錠型擴大，導致我國熔煉出的鎳基高溫合金鑄錠質(zhì)量和性能與歐美國家還存在一定差距。例如，張勇等人［47］曾對比了國產(chǎn)三聯(lián)熔煉大規(guī)格GH4169（直徑508mm）合金，與國外三聯(lián)熔煉In‐conel718棒材的組織與性能差異，結(jié)果表明：GH4169棒材中Nb、Al、Mo、Ti等元素的分布樣本標準方差均大于Inconel718棒材中對應元素，即國外Inconel718棒材的成分分布更加均勻，硬度測試也表明Inconel718不同部位硬度波動性更小。因此，需進一步加大對三聯(lián)工藝的研究應用，充分發(fā)揮VIM、ESR、VAR的工藝優(yōu)勢并相互結(jié)合，滿足鎳基高溫合金錠型的潔凈化和擴大化的發(fā)展需求。
4、總結(jié)與展望
（1）鎳基高溫合金的快速發(fā)展及應用要求的不斷提高，對母合金鑄錠的熔煉工藝也提出了更高要求。根據(jù)合金牌號及質(zhì)量要求選擇合適的熔煉工藝，是保證鑄錠熔煉效率和質(zhì)量的基礎(chǔ)。鑒于熔煉工藝路線選擇與各熔煉階段參數(shù)控制對合金鑄錠組織、成分及夾雜物的顯著影響，并對成型合金力學性能會產(chǎn)生決定性作用。因此，構(gòu)建“熔煉路線-工藝參數(shù)控制-微觀組織演化-力學性能”本構(gòu)關(guān)系，是實現(xiàn)鎳基高溫合金高質(zhì)量冶煉的重要基礎(chǔ)。
（2）VIM+ESR+VAR三聯(lián)工藝能夠結(jié)合各熔煉技術(shù)的優(yōu)點，實現(xiàn)更高潔凈度的超大規(guī)格鑄錠的熔煉，是高質(zhì)量鎳基高溫合金熔煉工藝的發(fā)展趨勢。
但國內(nèi)應用三聯(lián)工藝制備出的鎳基高溫合金鑄錠質(zhì)量及性能與國外還存在一定差距。為此，還需進一步加大對三聯(lián)工藝的應用研究，選擇優(yōu)質(zhì)原料，優(yōu)化各熔煉階段工藝參數(shù)的精確控制，提升熔煉過程的技術(shù)及管理要求，保證各熔煉階段之間的連續(xù)性及協(xié)調(diào)性，達到提升鎳基高溫合金熔煉鑄錠質(zhì)量及性能的目的。
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