镍基高温合金夹杂物控制基础研究

The inclusions in nickel based superalloys seriously affect the fatigue properties and rupture strength of alloys, reduce the service life of materials and limit the wider application of alloys, from the smelting process, the applicant explores and solves the restrictive factors affecting the purity of the alloy. The characteristics and rules of inclusion formation in the process of vacuum melting are studied by high temperature melting experiment, model establishment, thermodynamics and kinetic analysis. To reveal the melt and refractory, slag mass transfer regularity and molten metal drop process inclusions evolution characteristics; The flow field - temperature field - solidification coupling model of metal molten pool was established to study the movement behavior of inclusions in metal molten pool under different conditions; The inclusion movement and polymerization behavior in metal film at the end of electrode were studied, and the influence rule of liquid flow state on velocity and polymerization behavior of inclusions was found; The solid state reaction between the inclusions and the alloy matrix was analyzed and the mechanism of the diffusion of elements was revealed. It provides theoretical support and scientific basis for the realization of ultra pure purification control of nickel base superalloy.

针对镍基高温合金中存在的夹杂物严重影响合金的疲劳性能、持久强度等性能、降低材料使用寿命及限制合金更广泛应用等问题，申请人从冶炼工艺出发，探索并解决影响合金纯净度的限制性因素。通过高温熔炼实验、模型建立、热力学及动力学分析计算，研究真空熔炼过程中夹杂物形成特征及规律，揭示熔体与耐材、渣相间传质规律及金属熔滴滴落过程夹杂物演变特性；建立金属熔池流场-温度场-凝固耦合模型，研究不同条件下金属熔池中夹杂物运动行为；研究电极末端金属薄膜内夹杂物运动、聚合行为，探明薄膜内液体流动状态对夹杂物运动速度及聚合行为的影响规律；分析夹杂物与合金基体之间的高温固相反应并揭示元素扩散机理。为实现镍基高温合金超纯净化控制提供理论支撑。

航空航天产业是关系到国家安全、经济建设和科技发展的国家战略性先导产业，是国家综合国力和核心竞争力的重要体现。高温合金是先进航空发动机的基石，直接决定了发动机产业乃至整个航空工业的创新与进步。目前，我国高温合金产量呈现快速增长态势，但冶金质量与国外高等级高温合金产品仍有差距，尤其是非金属夹杂物控制问题成为制约我国高温合金性能提升的关键难题。.本项目针对国产高温合金冶金质量差、夹杂物控制水平低的问题，分别从高温合金夹杂物形成特征与分布规律、熔池运动行为与去除机理、三联遗传行为与演变规律、以及凝固与热变形过程夹杂物析出与控制四个方面开展研究，通过理论计算结合实验分析以及数值模拟的方法，系统阐明了高温合金三联冶炼全流程夹杂物去除机理与遗传规律，完善了高温合金夹杂物控制基础理论，为国产高品质高温合金冶金质量提升提供了理论支撑。.对GH4169、GH4738、GH4720Li三种典型高温合金进行研究，发现高温合金内的夹杂物主要由Al2O3、TiN、NbC和TiC四类基础夹杂物组成，Al2O3、TiN、NbC和TiC夹杂物的析出量主要受O元素、N元素和C元素含量控制。采用三联工艺制备的高温合金夹杂物主要有6种，分别为MgO·Al2O3-Ti(C,N)复合夹杂物、MgO·Al2O3-Ti(C,N)-Nb复合夹杂物、MgO·Al2O3-TiN-(Nb,C,Mo,S)复合夹杂物、Ti(C,N)复合夹杂物、Ti(C,N)-Nb复合夹杂物及TiN-(Nb,C,Mo,S)复合夹杂物，且各熔炼阶段夹杂物种类相同。三联冶炼过程中夹杂物数量密度呈先降低后升高再降低的变化趋势，平均尺寸则呈先升高后降低的递变规律。VIM中夹杂物在熔池内呈螺旋上升运动，并在运动过程中不断碰撞到坩埚壁面被吸附去除或上浮至熔池液面。VAR中低密度夹杂物具有强烈的流动跟随性，由熔池内部上浮至熔池表面并最终吸附在铸锭侧壁。.依托本项目，发表论文24篇（其中SCI、EI检索12篇），授权发明专利7项，培养硕博研究生7名。上述研究结果丰富了高温合金三联冶炼过程夹杂物控制理论，尤其是对高温合金冶炼全流程夹杂物的遗传规律及熔池中夹杂物运动去除机理的探讨，对于提高国产高温合金冶金质量具有重要意义。