镍(nie)基高温(wen)合金的熔(rong)炼(lian)工(gong)艺研(yan)究进(jin)展(zhan)

镍基高温(wen)合(he)金在整(zheng)个高温合(he)金(jin)领(ling)域(yu)占有(you)特殊(shu)重(zhong)要(yao)的地(di)位，被广(guang)泛应用于航(hang)空航天(tian)、核(he)电(dian)装备以(yi)及(ji)化(hua)工石油等(deng)领(ling)域［1］。由(you)于(yu)该类(lei)合(he)金在650~1000℃范围内具有较(jiao)高(gao)的强度，良好(hao)的(de)抗氧化(hua)、抗(kang)腐(fu)蚀性(xing)能，因(yin)而(er)在(zai)复杂高温(wen)环(huan)境中(zhong)对(dui)其(qi)需求量(liang)持续增(zeng)长(zhang)［2］。镍(nie)基高温合金(jin)的(de)熔(rong)炼工艺作为金属材料(liao)制备(bei)的(de)首(shou)要步(bu)骤(zhou)，是(shi)关(guan)系(xi)到(dao)合(he)金能(neng)否(fou)达到优(you)越性能(neng)的一(yi)个重要环节(jie)［3］。

经过(guo)几十年(nian)的发(fa)展(zhan)，镍基(ji)高温合金(jin)已(yi)发展(zhan)出(chu)多(duo)种(zhong)多样(yang)的熔(rong)炼工艺(yi)类型(xing)，包(bao)括(kuo)真(zhen)空(kong)感应熔(rong)炼（Vac-cuminductionmelting，VIM），电(dian)弧(hu)炉熔炼（Electricarcfurnacemelting，EAFM），等(deng)离(li)子电(dian)弧炉熔炼（Plasmaarcfurnacemelting，PAFM）等(deng)单(dan)联(lian)工艺(yi)。

对(dui)于(yu)成(cheng)分(fen)控(kong)制及冶(ye)炼(lian)质(zhi)量要(yao)求(qiu)更(geng)高的(de)镍基(ji)合金(jin)，往(wang)往还(hai)需要(yao)在(zai)单联工(gong)艺(yi)基(ji)础上(shang)进(jin)一(yi)步对合(he)金锭(ding)进(jin)行(xing)提(ti)纯和(he)优(you)化(hua)，由此，发(fa)展(zhan)出真(zhen)空(kong)感(gan)应(ying)熔(rong)炼(lian)+电(dian)渣(zha)重(zhong)熔（VIM+Electroslagremelting，VIM+ESR）和真空(kong)感应熔(rong)炼(lian)+真空(kong)自耗(hao)重熔(rong)（VIM+Vacuumarcremelting，VIM+VAR）等双联工(gong)艺(yi)以及(ji)真(zhen)空感应熔(rong)炼+电渣(zha)重熔(rong)+真(zhen)空自耗重熔(rong)（VIM+ESR+VAR）等(deng)三联(lian)冶(ye)炼(lian)工艺(yi)［4］。

镍基高温(wen)合金(jin)的合(he)金化程(cheng)度非(fei)常高(gao)，在(zai)熔(rong)炼过程(cheng)中(zhong)往往需(xu)要加入Fe、Cr、Mo、Nb、Al、Ti等多种合(he)金元素。而合(he)金元(yuan)素对应原料加入(ru)时往(wang)往(wang)还(hai)参(can)杂着少(shao)量(liang)杂(za)质(zhi)元素(su)，因(yin)此(ci)，对(dui)合金(jin)元素对(dui)应(ying)原(yuan)料的(de)纯(chun)度(du)提出了(le)较(jiao)高(gao)要(yao)求(qiu)。另外(wai)，合金(jin)制(zhi)备过程(cheng)还(hai)存(cun)在大量(liang)料(liao)头、料(liao)尾、边(bian)角(jiao)料(liao)等返回料(liao)，不(bu)同(tong)类(lei)型(xing)原料的加入，会对熔炼(lian)合(he)金(jin)的(de)化学成分及杂质(zhi)含量控制(zhi)产生(sheng)较(jiao)大(da)影(ying)响(xiang)。VIM具(ju)有(you)能(neng)精(jing)确控(kong)制合(he)金成分(fen)，降低杂质元素(su)含(han)量的优点，但该(gai)方(fang)法制(zhi)备出的真(zhen)空铸(zhu)锭(ding)往(wang)往(wang)存(cun)在缩(suo)孔及疏(shu)松等缺(que)陷(xian)［5］。因此(ci)，需在(zai)此(ci)基(ji)础上(shang)进一(yi)步进行(xing)双(shuang)联甚(shen)至(zhi)三(san)联熔炼(lian)，充分利(li)用(yong)各种(zhong)熔(rong)炼(lian)方法的优(you)点，从而(er)达到(dao)镍基(ji)高温(wen)合(he)金(jin)纯净化的(de)目的。

镍基(ji)高温(wen)合金(jin)的熔(rong)炼(lian)工艺显著(zhu)影响(xiang)合金后(hou)续(xu)制备的(de)质量(liang)和(he)性(xing)能(neng)，近年(nian)来(lai)受到(dao)了越(yue)来越(yue)广泛的(de)关注。本文对(dui)镍(nie)基高(gao)温合金目(mu)前普遍(bian)采(cai)用(yong)的VIM以(yi)及基于VIM的双(shuang)联或三联(lian)工(gong)艺(yi)的研(yan)究进展进(jin)行综述。

1、镍(nie)基高温合金简介(jie)及熔(rong)炼(lian)工(gong)艺(yi)要(yao)求

镍基(ji)高(gao)温(wen)合(he)金(jin)是基于Cr20Ni80合(he)金发(fa)展(zhan)起(qi)来(lai)，能在高温环(huan)境(jing)中长(zhang)期(qi)稳(wen)定(ding)使用(yong)的(de)金(jin)属(shu)材料(liao)。如图(tu)1所(suo)示(shi)，随着制(zhi)备(bei)工艺(yi)不断改(gai)进，成分设(she)计不断(duan)优(you)化(hua)，高温(wen)合(he)金(jin)零部件的服(fu)役温(wen)度(du)及使(shi)用(yong)寿(shou)命(ming)也(ye)不断提(ti)高［6-7］。

从合金(jin)成分来看(kan)，镍(nie)基(ji)高(gao)温合金是以(yi)镍为基体元素，通过(guo)添(tian)加(jia)多(duo)种(zhong)其(qi)他(ta)元素进(jin)行强(qiang)化(hua)的(de)高(gao)合金化金(jin)属材料(liao)［8］。为了满足(zu)镍(nie)基高温合金(jin)复杂严苛(ke)的使用条(tiao)件，往往会在(zai)镍基高(gao)温合(he)金中(zhong)添加(jia)多达十几(ji)种(zhong)强化元(yuan)素(su)，表(biao)1列(lie)举(ju)了不同合金(jin)元(yuan)素及其作(zuo)用(yong)［9］。

多种强(qiang)化元素(su)的加入(ru)导致(zhi)镍基高温(wen)合金内部(bu)形(xing)成(cheng)多(duo)种复杂(za)相结构(gou)，如(ru)γ基(ji)体(ti)相，γ΄、γ"强(qiang)化相，Laves及δ相(xiang)，MC及(ji)M23C6碳(tan)化物等，图(tu)2展示(shi)了(le)主要相结构的(de)晶胞模(mo)型。多种元(yuan)素(su)还会(hui)使(shi)得镍(nie)基(ji)高温合金(jin)的(de)合金(jin)化(hua)程度迅速提(ti)高(gao)，这对(dui)熔炼(lian)工艺(yi)提出了更高要(yao)求(qiu)。例(li)如，对(dui)于(yu)时(shi)效强化型镍基合(he)金，为(wei)析出更多(duo)γ΄或(huo)γ"强(qiang)化(hua)相，会(hui)在(zai)熔(rong)炼(lian)过(guo)程加入更(geng)多(duo)Al、Ti 等强化(hua)元素，但Al、Ti属(shu)于(yu)易(yi)挥发(fa)元(yuan)素(su)，在(zai)大气(qi)条件(jian)下进(jin)行(xing)熔炼会(hui)造(zao)成极(ji)大烧(shao)损(sun)，因(yin)此更适用于(yu)VIM。 但VIM无法有(you)效解决(jue)高温下熔体与坩(gan)埚(guo)反应(ying)，难(nan)以(yi)去除S、P等杂(za)质元素及铸(zhu)锭内部(bu)存在(zai)缩(suo)孔(kong)、疏(shu)松(song)等缺(que)陷(xian)，因此(ci)，需在VIM基础(chu)上(shang)进(jin)行(xing)ESR或(huo)VAR双联冶(ye)炼。VIM+ESR可利用渣金反应进(jin)一步(bu)降(jiang)低S、P等(deng)杂(za)质(zhi)元素含(han)量，但该工艺(yi)受(shou)散热条(tiao)件限(xian)制(zhi)，会(hui)导致(zhi)电渣锭内部存在(zai)较(jiao)大(da)元素偏(pian)析(xi)，限制了(le)合(he)金熔(rong)炼(lian)锭(ding)型的(de)扩大化；VIM+VAR双(shuang)真空(kong)熔(rong)炼工(gong)艺(yi)，更(geng)有(you)利(li)于(yu)控制(zhi)元(yuan)素(su)烧损和偏析(xi)，但(dan)无(wu)法有效去(qu)除(chu)S等(deng)杂(za)质元(yuan)素(su)，会使得真(zhen)空锭内(nei)部存(cun)在(zai)更(geng)多(duo)夹杂(za)物(wu)并(bing)产生黑/白斑等(deng)缺陷(xian)。

ESR和(he)VAR作为重熔(rong)工艺，可(ke)起到调(diao)控合(he)金(jin)凝(ning)固(gu)组织(zhi)，进一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)合(he)金(jin)杂质含(han)量(liang)的(de)目(mu)的(de)，能(neng)够(gou)满(man)足(zu)大部(bu)分(fen)镍基(ji)高温合金(jin)的(de)熔(rong)炼(lian)需(xu)求。但(dan)对(dui)于(yu)洁(jie)净度(du)要求(qiu)更(geng)高，锭型尺(chi)寸要(yao)求(qiu)更大(da)的(de)合(he)金(jin)而(er)言(yan)，则需采(cai)用(yong)VIM+ESR+VAR三(san)联(lian)工艺(yi)，充(chong)分(fen)结(jie)合(he)各熔(rong)炼(lian)技(ji)术(shu)优点(dian)，从(cong)而满足(zu)更加严(yan)苛(ke)的熔炼(lian)需求。

熔(rong)炼(lian)工艺(yi)是(shi)镍基(ji)高温(wen)合(he)金制备(bei)过程(cheng)的首要环(huan)节(jie)，且对合(he)金(jin)的(de)后(hou)续加工成(cheng)型(xing)具(ju)有重要影(ying)响(xiang)［10］。因此，本(ben)文(wen)综述(shu)了目前(qian)镍(nie)基(ji)高温合金制备(bei)最常用(yong)的VIM工艺，以(yi)及(ji)在(zai)此基础上发(fa)展的双联及三(san)联(lian)工艺。

2、镍基(ji)高温合金(jin)熔(rong)炼(lian)方(fang)法及特(te)点

2.1真(zhen)空(kong)感(gan)应(ying)熔(rong)炼(lian)（VIM）

VIM是镍(nie)基(ji)高温合金(jin)熔(rong)炼的第一步(bu)，其(qi)主(zhu)要(yao)目的是为(wei)了得(de)到(dao)化(hua)学成(cheng)分(fen)符(fu)合要(yao)求(qiu)的(de)母(mu)合(he)金(jin)锭，为铸(zhu)锭的(de)二(er)次(ci)重(zhong)熔做好(hao)成(cheng)分(fen)和(he)洁净度的准(zhun)备(bei)。VIM能(neng)有(you)效控(kong)制O、N、H等(deng)气体(ti)元素以(yi)及S、P、Si等(deng)有(you)害元(yuan)素(su)的含(han)量，实(shi)现对(dui)母合金(jin)锭成(cheng)分的精确(que)控(kong)制［11-12］。

VIM是在真空条件下，利(li)用(yong)通电(dian)感应线(xian)圈(quan)产(chan)生电(dian)磁感应(ying)，使(shi)坩(gan)埚(guo)内金(jin)属炉料(liao)产生(sheng)涡流热(re)并熔(rong)化，在(zai)熔(rong)炼过(guo)程(cheng)通过(guo)电(dian)磁搅(jiao)拌(ban)实现(xian)合金熔(rong)体(ti)成分的均匀化以及(ji)精(jing)确控制［13］。图(tu)3展(zhan)示(shi)了VIM过(guo)程的示(shi)意(yi)图。按(an)照(zhao)熔(rong)炼流程(cheng)，真(zhen)空(kong)感(gan)应熔(rong)炼可大(da)致分为装料(liao)、熔化、精(jing)炼(lian)以(yi)及(ji)浇(jiao)注(zhu)四个主要(yao)阶段。

VIM熔(rong)化阶(jie)段的主(zhu)要(yao)目的(de)，是为(wei)了将(jiang)加(jia)入(ru)坩埚中的金(jin)属炉(lu)料快(kuai)速(su)熔化，去除(chu)熔融(rong)金属液(ye)中(zhong)的(de)O、N、H等气(qi)体(ti)元(yuan)素(su)，以(yi)及非(fei)金(jin)属夹杂(za)物(wu)和有害杂(za)质(zhi)等(deng)［14］。熔(rong)化期需(xu)要合(he)理控(kong)制(zhi)熔(rong)化速(su)率以(yi)及真(zhen)空(kong)度(du)这(zhe)两(liang)个关(guan)键因素(su)，避免“架桥”现(xian)象的(de)发生，并保证原(yuan)料(liao)熔化速率和有害气(qi)体(ti)排除的(de)匹(pi)配(pei)［15］。

在(zai)炉料(liao)完全(quan)化(hua)清后的精(jing)炼(lian)期，需重点(dian)把控(kong)精(jing)炼温(wen)度、精炼时间以及(ji)真空(kong)度(du)。镍基(ji)高温合金(jin)的(de)熔(rong)炼(lian)常(chang)采(cai)用MgO或l2O3坩(gan)埚(guo)，在高(gao)温高(gao)真空条件(jian)下，MgO及Al₂O₃会(hui)发生(sheng)分(fen)解(jie)，产(chan)生(sheng)金(jin)属蒸(zheng)汽并向(xiang)金(jin)属熔(rong)体持续(xu)供氧，使(shi)得(de)熔(rong)体中氧含(han)量不(bu)降(jiang)反升［10］。赵鸿燕［16］对比了(le)不(bu)同(tong)材质坩(gan)埚(guo)对(dui)Inconel690合金O、S含量的(de)影(ying)响，结(jie)果表(biao)明：MgO坩埚对(dui)合(he)金中(zhong)O、S控(kong)制(zhi)能(neng)力较弱，铝镁质坩(gan)埚更(geng)易降低(di)合金(jin)中(zhong)O含量，CaO坩埚则(ze)能(neng)进(jin)一步(bu)降(jiang)低(di)合(he)金(jin)中(zhong)S含量。在精(jing)炼末(mo)期还需完成(cheng)合(he)金化调控(kong)，其主(zhu)要目(mu)的是将钢液(ye)成(cheng)分(fen)控制在(zai)需要的范围内，达到出(chu)钢(gang)浇(jiao)注的(de)要求。一般(ban)在(zai)熔(rong)化阶段(duan)将Ni、Cr、Fe等主要原(yuan)料放入(ru)坩(gan)埚(guo)进(jin)行加热(re)熔(rong)化，在(zai)精炼末期(qi)再(zai)加入(ru)Al、Ti等(deng)活泼(po)易(yi)烧损元(yuan)素(su)及(ji)需要(yao)添加(jia)的(de)微(wei)量(liang)元(yuan)素，同(tong)时(shi)进(jin)行(xing)电(dian)磁(ci)搅(jiao)拌(ban)，使得(de)合金元素(su)在(zai)钢液(ye)中(zhong)均匀(yun)分(fen)布(bu)，减(jian)少成分(fen)偏(pian)析［17］。

2.2电渣(zha)重熔(rong)（ESR）

ESR是高温合(he)金(jin)洁净化冶炼的(de)主要(yao)环节(jie)之(zhi)一(yi)，我(wo)国(guo)目(mu)前(qian)有超过(guo)一(yi)半的高(gao)温(wen)合金(jin)牌号(hao)采用(yong)了(le)这(zhe)种熔(rong)炼(lian)工艺。ESR是(shi)上世纪(ji)五十年代由(you)电渣(zha)焊(han)技(ji)术(shu)发展(zhan)演变(bian)的一(yi)种(zhong)熔炼方法(fa)，并(bing)在(zai)七八(ba)十年(nian)代被世(shi)界(jie)各(ge)国(guo)广(guang)泛应(ying)用于熔炼冶(ye)金(jin)等(deng)领域［18］。电渣重(zhong)熔基本(ben)原(yuan)理是电(dian)流(liu)在(zai)通(tong)过渣料时，由(you)于(yu)渣料电(dian)阻(zu)较(jiao)大会(hui)产生(sheng)大(da)量热(re)量，利用(yong)渣阻(zu)热将需要(yao)重熔的(de)电极逐(zhu)步熔(rong)化(hua)。金(jin)属(shu)液以熔(rong)滴(di)的(de)形式(shi)通(tong)过(guo)渣料实现(xian)净(jing)化(hua)，最终在水冷(leng)结(jie)晶(jing)器(qi)中完(wan)成自下而(er)上(shang)的(de)凝固。图4展示了ESR的(de)基本(ben)原理(li)［19］。

ESR的(de)渣系选(xuan)择、配比(bi)和(he)用量(liang)等(deng)参数(shu)对电(dian)渣(zha)熔炼(lian)过程(cheng)和电(dian)渣锭的质量(liang)会(hui)产(chan)生决定性(xing)影响(xiang)。金(jin)属熔(rong)滴在与液态(tai)渣(zha)料(liao)接触的(de)过(guo)程存在一系列渣金(jin)反应(ying)，渣金接(jie)触(chu)面(mian)积(ji)可(ke)达(da)3200mm²/g以(yi)上，这使(shi)得金(jin)属熔(rong)滴(di)中的非(fei)金属夹杂物(wu)以及S、P、Sb等(deng)有(you)害元(yuan)素(su)被(bei)熔(rong)渣吸收而(er)去除(chu)，而Al、Ti等(deng)易(yi)氧化元(yuan)素(su)与渣(zha)料中(zhong)氧化(hua)物充(chong)分反应，从(cong)而对(dui)合金(jin)的洁(jie)净度(du)实(shi)现了良好控制(zhi)［20］。目前，镍基高温(wen)合(he)金的ESR多(duo)采用以CaF2为(wei)基础(chu)成分(fen)，并(bing)添(tian)加适(shi)量Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂及(ji)SiO₂等氧化(hua)物(wu)共同(tong)构成(cheng)的(de)多元(yuan)渣(zha)系。总(zong)的(de)来说，渣料的选择(ze)应满足：具(ju)有较低的(de)熔(rong)点和粘度(du)，适宜的(de)电导(dao)率(lv)和(he)较高(gao)的碱(jian)度，较低含(han)量的(de)不稳定(ding)氧化(hua)物和(he)变价(jia)氧(yang)化物以及(ji)较(jiao)大的(de)界(jie)面张(zhang)力［21］。除渣系(xi)设计外(wai)，ESR过程(cheng)的熔(rong)炼(lian)速率(lv)及(ji)熔池深(shen)度等(deng)参数(shu)也密(mi)切影(ying)响重(zhong)熔过(guo)程(cheng)及(ji)电(dian)渣锭质(zhi)量。

传(chuan)统敞开(kai)式ESR过(guo)程是(shi)在(zai)大气氛(fen)围下进行(xing)，难(nan)免会(hui)发生O、N、H气体的(de)吸(xi)入并加剧Al、Ti等(deng)易(yi)氧化(hua)元(yuan)素的烧损［22］。基于以(yi)上因素(su)，在(zai)敞开(kai)式(shi)电(dian)渣(zha)重(zhong)熔基(ji)础(chu)上，逐步(bu)发展出(chu)了保护气(qi)氛(fen)电渣重(zhong)熔(rong)（PESR）以(yi)及真(zhen)空(kong)电(dian)渣(zha)重(zhong)熔（VESR）技(ji)术(shu)。另外，近(jin)年(nian)来在(zai)传(chuan)统(tong)电(dian)渣重(zhong)熔基础(chu)上(shang)，还发展出了包括(kuo)快速(su)电(dian)渣重(zhong)熔(rong)技术(shu)（ESRR）、加(jia)压电渣(zha)重(zhong)熔(rong)技(ji)术(shu)PESR）、电(dian)渣(zha)连铸（ESCC）等(deng)许(xu)多新型(xing)电渣重熔(rong)技(ji)术(shu)，通过(guo)这些新(xin)型(xing)重熔技术(shu)，可(ke)有(you)效(xiao)提升(sheng)电(dian)渣(zha)重熔(rong)锭(ding)的质(zhi)量，降低(di)电渣(zha)重熔成本(ben)［23］。

2.3真(zhen)空(kong)自(zi)耗(hao)重熔(rong)（VAR）

VAR是(shi)一(yi)种将一次(ci)熔(rong)炼得(de)到(dao)的母(mu)合(he)金锭(ding)作为(wei)重(zhong)熔(rong)电极，利(li)用真空自耗炉在真(zhen)空氛围及(ji)低(di)压直流电(dian)弧作用(yong)下(xia)，将电极棒逐(zhu)渐(jian)熔化，并在水(shui)冷(leng)铜结晶器(qi)中快(kuai)速冷(leng)却(que)凝固(gu)的(de)一(yi)种工(gong)艺技术［24］。将(jiang)自耗(hao)电极作为阴极(ji)，在真(zhen)空(kong)中产(chan)生温(wen)度(du)高达5000K的(de)稳(wen)定电(dian)弧区，电(dian)极底(di)部逐(zhu)渐(jian)熔化(hua)形(xing)成(cheng)金属(shu)液滴，液滴(di)在重(zhong)力作(zuo)用下(xia)下(xia)降通(tong)过(guo)电弧(hu)区(qu)并(bing)滴(di)落到(dao)水冷结(jie)晶器中形(xing)成熔池，随(sui)后冷却凝(ning)固(gu)。在这一(yi)过(guo)程中，会发生(sheng)一系列(lie)有(you)利(li)于去除(chu)杂(za)质和(he)气(qi)体(ti)的(de)反(fan)应(ying)，同(tong)时(shi)在(zai)水冷结(jie)晶(jing)器(qi)的(de)强制(zhi)冷(leng)却作(zuo)用下，容(rong)易获(huo)得(de)定(ding)向凝固、成分均匀的组(zu)织(zhi)，从(cong)而(er)得(de)到质量优异(yi) 的自耗(hao)合金(jin)锭(ding)。图(tu)5展(zhan)示(shi)了(le)真空自耗(hao)重熔的基本(ben)原理［25］。

VAR按(an)照(zhao)工(gong)艺(yi)步骤可(ke)大致(zhi)分(fen)为自耗电(dian)极焊接、引(yin)弧、熔(rong)炼(lian)及封顶(ding)四(si)个环(huan)节(jie)。其中(zhong)，在熔炼(lian)阶(jie)段(duan)需选(xuan)择合适(shi)的电压(ya)、电(dian)流、冷(leng)却(que)速率、电弧长度等(deng)熔炼(lian)参(can)数(shu)。而在(zai)封顶阶(jie)段(duan)大多采(cai)用(yong)“多级(ji)封顶，低电流保温”的封顶工艺(yi)，通过逐级减(jian)小电流(liu)，并匹(pi)配合(he)适的电(dian)压(ya)，达(da)到提(ti)高(gao)自(zi)耗(hao)锭成材(cai)率的(de)目(mu)的(de)［26］。

近(jin)年(nian)来，在(zai)普通真空自(zi)耗(hao)重熔的(de)基(ji)础(chu)上(shang)，还(hai)发(fa)展出(chu)了包括熔滴凝固控制成(cheng)形(xing)、同(tong)轴(zhou)供(gong)电(dian)、动态实时(shi)称(cheng)重(zhong)控(kong)制等(deng)多(duo)种(zhong)先进(jin)技术(shu)［27］。

3、常(chang)用(yong)镍(nie)基(ji)高(gao)温(wen)合金熔(rong)炼工(gong)艺路(lu)线(xian)

前已(yi)述及，VIM单(dan)联(lian)工艺(yi)存(cun)在一(yi)些不足之处(chu)：

（1）熔(rong)炼(lian)过(guo)程(cheng)金属(shu)液与(yu)坩埚(guo)耐火材(cai)料(liao)反应，导致(zhi)合(he)金熔体(ti)的(de)污(wu)染(ran)；

（2）与大(da)气环境(jing)相比(bi)，真空(kong)脱(tuo)硫效(xiao)果更(geng)差；

（3）浇注(zhu)过(guo)程(cheng)无法(fa)进行(xing)补(bu)缩(suo)，得到(dao)的真空锭(ding)存在(zai)较大缩孔(kong)。为(wei)解决以上问(wen)题(ti)，需(xu)在(zai)VIM的基(ji)础上，联合ESR或(huo)VAR技术，开展(zhan)双(shuang)联(lian)甚至三(san)联熔(rong)炼工(gong)艺。

3.1真(zhen)空感(gan)应熔炼(lian)+保(bao)护(hu)气(qi)氛电(dian)渣(zha)重熔（VIM+PESR）双(shuang)联工(gong)艺

VIM+ESR是(shi)常用的(de)镍基高温(wen)合金双联(lian)熔炼工艺(yi)。但(dan)ESR过(guo)程与(yu)大气直(zhi)接接触(chu)，不可避(bi)免地(di)会(hui)出现(xian)吸(xi)O吸H和(he)易氧(yang)化(hua)元(yuan)素烧损(sun)的情(qing)况。有(you)研究表明，液态炉渣(zha)中的(de)Fe₂O₃和(he)TiO₂会作为(wei)载体(ti)，将(jiang)大(da)气(qi)中(zhong)的(de)O向(xiang)金属熔池(chi)中传(chuan)递，图6展(zhan)示(shi)了ESR过(guo)程的(de)氧传递(di)行(xing)为(wei)［28］。金属熔池(chi)中氧(yang)含量(liang)的(de)增加(jia)，会(hui)加剧Al、Ti等(deng)元素(su)的烧损，虽(sui)然通过向渣池中(zhong)添(tian)加(jia)脱氧剂（例如(ru)Al、CaSi、Mg等），可(ke)以达(da)到(dao)有效脱氧(yang)的目(mu)的(de)，但(dan)同(tong)时(shi)也(ye)会(hui)改(gai)变(bian)熔(rong)渣组(zu)分，并(bing)使(shi)得(de)电渣锭中(zhong)部(bu)分易(yi)氧化元素含(han)量(liang)发(fa)生改(gai)变(bian)［29］。

而VIM+PESR则(ze)可(ke)以有(you)效(xiao)隔绝大气环(huan)境(jing)，防(fang)止氧含量(liang)的(de)增加(jia)。陈韩(han)锋等(deng)人［30］开(kai)展了GH4169合金的VIM+PESR（Ar气(qi)）工艺研究(jiu)，发现(xian)相较于非保(bao)护气氛(fen)条件(jian)，合金(jin)在PESR条件(jian)下(xia)的C、Al、Ti元素的(de)收得(de)率及分(fen)布(bu)均(jun)匀性(xing)显(xian)著提(ti)升(sheng)，O含量(liang)由15×10^-6降(jiang)至10×10^-6，合金的锻(duan)造(zao)热(re)加(jia)工性(xing)能(neng)良好(hao)。贾(jia)景岩(yan)等(deng)人［31］对比(bi)了(le)PESR（Ar气）与常规(gui)ESR（加铝粉脱(tuo)氧(yang)）对GH2132合(he)金(jin)Ti元素收得率的(de)影(ying)响(xiang)，结(jie)果(guo)表明(ming)：采(cai)用(yong)PESR能够使合(he)金(jin)底(di)部与顶部Ti收(shou)得率均(jun)得(de)到显著提升，杜(du)绝(jue)了常(chang)规ESR加铝粉脱(tuo)氧而(er)产生的(de)夹杂

物(wu)。陈国(guo)胜等(deng)人［32］利用全封(feng)闭PESR炉(lu)对(dui)GH4169合(he)金进行(xing)了(le)重熔(rong)，发(fa)现(xian)与(yu)大气(qi)氛(fen)围(wei)下(xia)ESR相比(bi)，除了(le)O含量及Al、Ti元素烧(shao)损(sun)显(xian)著降低(di)外，S含(han)量(liang)也更(geng)低(di)。以(yi)上(shang)研(yan)究(jiu)结(jie)果(guo)表明：VIM+PESR能够(gou)起到(dao)降(jiang)低合(he)金中(zhong)O含量(liang)，提(ti)高(gao)易氧(yang)化(hua)元素(su)收得(de)率及(ji)均(jun)匀分布的(de)效(xiao)果(guo)。

无论(lun)是何种(zhong)电渣重(zhong)熔(rong)技(ji)术，渣(zha)系设计(ji)与配(pei)比(bi)始(shi)终是(shi)实现(xian)洁(jie)净化(hua)重熔的(de)核心(xin)因素(su)。为(wei)此(ci)，国内外(wai)学者(zhe)对渣系设计(ji)与重熔合金质(zhi)量进(jin)行(xing)了大量研究(jiu)。

刘立(li)等人(ren)［33］通(tong)过(guo)对(dui)ANF-6渣进行(xing)改(gai)进，设(she)计了一(yi)种CaF2-CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO五元(yuan)渣系(xi)，该(gai)渣系(xi)具有(you)较低表面张力(li)和粘度(du)值(zhi)，重(zhong)熔出(chu)的Inconel600/625合(he)金成分均匀(yun)，O、N含量较(jiao)低。崔利(li)民等人［34］对GH2132合金2t电(dian)渣锭重熔(rong)工(gong)艺进行改(gai)进，通过采(cai)用CaF2∶CaO∶Al₂O₃∶TiO₂=75∶5∶15∶5（%）渣(zha)系替代(dai)原(yuan)CaF2-Al2O3渣(zha)系，降低了(le)合金(jin)中(zhong)Ti烧(shao)损(sun)率和(he)夹杂物(wu)尺寸。Duan等人(ren)［35］在电渣重(zhong)熔(rong)Inconel718合金(jin)时(shi)，将(jiang)CaF2-CaO-Al₂O₃-MgO-TiO₂五元渣(zha)系中CaO含量(liang)由(you)5%增加至36%，得到的合(he)金中O含量由33.3×10^-6降(jiang)至10×10^-6，而S含(han)量(liang)则由(you)20×10-6降至6.5×10^-6，表(biao)明(ming)CaO含(han)量对合金脱(tuo)硫(liu)效(xiao)应具有明显(xian)影(ying)响(xiang)。Rad‐witz等(deng)人［36］研究了(le)渣(zha)料中(zhong)MgO含(han)量对合金中非金属夹(jia)杂物(wu)的影(ying)响(xiang)，结果表明，随着(zhe)MgO含(han)量(liang)的增加，电渣(zha)锭(ding)中(zhong)的(de)夹(jia)杂(za)物(wu)尺(chi)寸(cun)显著减(jian)小，当MgO含(han)量(liang)增(zeng)加(jia)为(wei)15%时(shi)，尺寸大于6μm的夹杂物(wu)基本被(bei)去除。

根(gen)据合(he)金特(te)点匹配合适(shi)的(de)渣(zha)系，并(bing)选(xuan)择开(kai)发新型(xing)电渣(zha)重熔(rong)技(ji)术(shu)，已经成为镍基高温(wen)合金(jin)洁(jie)净(jing)化熔(rong)炼的重要基(ji)础。

3.2真空(kong)感应(ying)熔(rong)炼(lian)+真(zhen)空自耗重熔(rong)（VIM+VAR）双联(lian)工艺(yi)

相(xiang)较于ESR，VAR是(shi)一(yi)种(zhong)无(wu)需利(li)用(yong)渣(zha)料(liao)的(de)技术(shu)，因此，在(zai)重熔过(guo)程不(bu)会(hui)因为(wei)铸锭表面(mian)渣(zha)皮(pi)影响(xiang)而(er)阻(zu)碍(ai)传(chuan)热。同(tong)时(shi)，在凝(ning)固铸(zhu)锭(ding)及结晶(jing)器(qi)之(zhi)间(jian)可(ke)充入冷(leng)却(que)介质(zhi)（例(li)如(ru)He气）加(jia)强冷(leng)却(que)效(xiao)果(guo)，从(cong)而(er)得到(dao)的(de)熔(rong)池更浅，冷却(que)更(geng)快(kuai)，有(you)利(li)于获得(de)组(zu)织(zhi)更加细密、偏(pian)析更(geng)小(xiao)的(de)自耗锭。

熔炼(lian)速率(lv)对VAR自(zi)耗(hao)锭的微观组(zu)织(zhi)演(yan)化(hua)以(yi)及(ji)冶金质量都将产生显(xian)著影响，国内外(wai)学者(zhe)对(dui)此(ci)进行了(le)较(jiao)多研究(jiu)。王(wang)资(zi)兴(xing)等(deng)人［37］研(yan)究(jiu)了低中(zhong)高(gao)三(san)种(zhong)熔(rong)速(su)对VIM+VAR自耗过(guo)程IN718合金微观组(zu)织(zhi)的(de)影响，结果表明(ming)：随(sui)着(zhe)熔(rong)速的增(zeng)加(jia)，自(zi)耗(hao)锭中(zhong)心部(bu)位(wei)由柱状(zhuang)晶(jing)向(xiang)等轴晶转(zhuan)变，且同(tong)一(yi)部(bu)位析出Laves相(xiang)尺寸及含(han)量(liang)也随(sui)之(zhi)增加，表明(ming)元(yuan)素偏析随熔速(su)增加(jia)而加(jia)重。Davidson等人［38］研(yan)究发现，VAR重(zhong)熔(rong)过程(cheng)电流的(de)微小(xiao)变(bian)化，会(hui)对熔速(su)产生(sheng)显(xian)著影响(xiang)，并进(jin)一(yi)步影响(xiang)合(he)金的(de)温度(du)场以及(ji)铸锭(ding)质(zhi)量(liang)，通(tong)过(guo)设定(ding)适宜(yi)的(de)电流(liu)大小，有利(li)于(yu)合(he)金(jin)熔体温度(du)场(chang)和(he)流动的稳(wen)定(ding)，从(cong)而获(huo)得更加优(you)异(yi)的(de)双(shuang)真(zhen)空自耗锭(ding)。不(bu)少学(xue)者还对(dui)VIM+VAR双真(zhen)空自耗(hao)过(guo)程(cheng)的(de)白(bai)斑(ban)及(ji)黑(hei)斑缺(que)陷(xian)进行了(le)研究。于(yu)腾等(deng)人(ren)［39］通(tong)过(guo)研(yan)究VARIN718合(he)金发(fa)现，偏(pian)弧和过(guo)长(zhang)弧长(zhang)会(hui)使熔(rong)池(chi)温度场(chang)和流(liu)场紊乱(luan)，导致(zhi)漂(piao)浮物、掉块(kuai)等(deng)不能(neng)完全熔化，从(cong)而(er)形(xing)成白(bai)斑，而(er)稳定(ding)的(de)漫散弧(hu)是避免(mian)白斑形(xing)成(cheng)的(de)关(guan)键。Wang等人(ren)［40］研(yan)究(jiu)了(le)VARInconel718合金(jin)铸(zhu)锭内黑斑形成与(yu)工艺参(can)数之间的(de)关(guan)系发现(xian)，铸锭中(zhong)心(xin)到(dao)半径1/2部位(wei)形成(cheng)的(de)黑斑即(ji)为(wei)枝晶(jing)间Nb、Mo等元素偏析形(xing)成(cheng)，并(bing)与(yu)冷却(que)速率(lv)密切相关。

随着航(hang)空(kong)航(hang)天及(ji)燃机(ji)工(gong)业的(de)快(kuai)速发(fa)展(zhan)，自耗锭(ding)的直(zhi)径尺寸要求逐渐(jian)增大，由Φ406mm→Φ508mm→Φ660mm（GH4169）→Φ810mm（GH4738、GH4698）→Φ920mm（GH2706），这(zhe)对(dui)VAR过(guo)程(cheng)的(de)冷(leng)却强度(du)提出(chu)了(le)更(geng)高(gao)要求［24］。因(yin)此(ci)，在自耗(hao)锭(ding)与结晶器之(zhi)间通入冷却介质(zhi)（例如He气、Ar气）成为(wei)加(jia)强(qiang)重熔(rong)过(guo)程冷(leng)却(que)条(tiao)件(jian)的有(you)效(xiao)手(shou)段(duan)。学(xue)者们对(dui)冷(leng)却(que)介(jie)质加强VAR过(guo)程冷却(que)速率(lv)进行(xing)了(le)广(guang)泛(fan)研(yan)究(jiu)，有研究(jiu)表(biao)明，He气(qi)的热传导(dao)效(xiao)率(lv)远(yuan)高于Ar气的热传(chuan)导效率［41］。杨玉军(jun)等人(ren)［42］研(yan)究了He气冷(leng)却对VAR GH4648合金的影(ying)响，结果(guo)表明：He气的加入可有效(xiao)减(jian)小熔(rong)池深度(du)，熔池由(you)“窄而(er)深(shen)”向(xiang)“宽(kuan)而平”转变，并(bing)使得(de)凝固(gu)组(zu)织(zhi)的枝(zhi)晶(jing)尺(chi)寸变得(de)细(xi)小，减(jian)小(xiao)了(le)大(da)尺(chi)寸(cun)自(zi)耗(hao)锭(ding)的(de)偏(pian)析倾向。赵(zhao)长(zhang)虹(hong)等人［43］的研(yan)究结(jie)果也(ye)表明：采用(yong)短弧(hu)控制和He气提高冷却凝固速(su)率(lv)，是弱化元(yuan)素偏(pian)析，防(fang)止(zhi)合(he)金(jin)产(chan)生(sheng)白(bai)/黑(hei)斑的有效措施。

近年(nian)来(lai)，为(wei)了(le)进一(yi)步(bu)提升(sheng)VIM+VAR双(shuang)真(zhen)空熔(rong)炼工(gong)艺的(de)稳(wen)定(ding)性，对(dui)VAR过程(cheng)参(can)数(shu)的精确(que)和自动化控制引(yin)起(qi)了(le)研(yan)究(jiu)人(ren)员的(de)重视(shi)。国外已相(xiang)继(ji)开发出熔滴凝固控制(zhi)成形(xing)、同(tong)轴(zhou)供(gong)电(dian)以(yi)及(ji)动(dong)态实(shi)时称(cheng)重(zhong)控制(zhi)等先进(jin)技(ji)术，并在(zai)工业(ye)生(sheng)产(chan)中得到(dao)广泛(fan)应用［44］。

我(wo)国(guo)各(ge)大单(dan)位(wei)及机构已(yi)引进了多(duo)台技(ji)术先进(jin)的大(da)型真(zhen)空自耗(hao)炉(lu)，对(dui)于(yu)VIM+VAR双联(lian)工(gong)艺(yi)的研(yan)究，主要集(ji)中在(zai)工艺(yi)参(can)数优(you)化对铸锭缺(que)陷(xian)控制以及(ji)对(dui)铸(zhu)锭(ding)组织调控(kong)方(fang)面(mian)。例(li)如(ru)VAR过程熔速、电弧(hu)长度、冷却条件等参(can)数(shu)对自(zi)耗(hao)锭(ding)质量(liang)的(de)影响；数(shu)值(zhi)模拟(ni)在VIM+VAR中(zhong)的应用等(deng)。

3.3真空(kong)感应(ying)熔(rong)炼+保(bao)护气(qi)氛(fen)电渣(zha)重(zhong)熔(rong)+真空自耗(hao)

重熔(rong)（VIM+PESR+VAR）三(san)联工(gong)艺(yi)由(you)于(yu)VIM+PESR以(yi)及(ji)VIM+VAR双(shuang)联(lian)工艺(yi)各(ge)自存在(zai)一些(xie)不(bu)足(zu)，无法(fa)满(man)足(zu)组织(zhi)性能(neng)要(yao)求更高的(de)合(he)金熔炼需求，而(er)VIM+PESR+VAR三联工艺(yi)，可(ke)以(yi)将(jiang)PESR去(qu)S去(qu)O，减(jian)少(shao)杂质(zhi)的优点(dian)以(yi)及VAR减(jian)小(xiao)偏(pian)析的优(you)点结(jie)合起来，实(shi)现熔炼(lian)铸(zhu)锭的性能优化(hua)，满足(zu)要求(qiu)更加严(yan)苛(ke)的熔(rong)炼需(xu)求。

目前(qian)，国内外(wai)大(da)量学(xue)者及(ji)机(ji)构(gou)对镍基高(gao)温合金的三联(lian)熔(rong)炼(lian)工(gong)艺(yi)展(zhan)开(kai)了(le)研究。Chen等(deng)人(ren)［45］对比(bi)研究(jiu)了(le)VIM+PESR与VIM+PESR+VAR两(liang)种(zhong)熔(rong)炼(lian)工艺(yi)对(dui)Φ508mm大(da)规格GH4738合金(jin)洁(jie)净(jing)度及疲劳性(xing)能(neng)的影(ying)响(xiang)，见表(biao)2，相较(jiao)于VIM+PESR，经过VIM+PESR+VAR三联熔(rong)炼后，铸(zhu)锭(ding)中S、O有害(hai)元(yuan)素含量(liang)得到了(le)显(xian)著下(xia)降，同(tong)时(shi)夹(jia)杂物数量(liang)及(ji)尺寸也(ye)有所(suo)降(jiang)低(di)，室温及高(gao)温(wen)拉伸(shen)性(xing)能(neng)得到了提高。陈国胜(sheng)等(deng)人［46］利用VIM+PESR+VAR三(san)联工(gong)艺(yi)对Φ508mm的(de)GH4169合(he)金(jin)进(jin)行(xing)了(le)熔炼(lian)，结果表(biao)明：VIM真(zhen)空(kong)锭(ding)在(zai)PESR后(hou)电(dian)极(ji)组织致(zhi)密，洁(jie)净(jing)度(du)高，因(yin)此(ci)，与VIM+VAR双联工艺(yi)相比(bi)，三(san)联熔炼(lian)工(gong)艺(yi)得(de)到(dao)的(de)铸(zhu)锭(ding)O、S含(han)量大幅下(xia)降，表(biao)面质量(liang)及(ji)热(re)塑性(xing)得到(dao)明(ming)显(xian)改善(shan)。

张勇等人［47］对(dui)三联(lian)熔炼Φ508mm大规(gui)格GH4169合金(jin)铸(zhu)锭及棒(bang)材元素偏(pian)析(xi)行(xing)为(wei)进行(xing)了(le)研(yan)究，结果(guo)表(biao)明(ming)：尽(jin)管(guan)Nb、Ti、Mo等(deng)元素自(zi)铸(zhu)锭(ding)边缘(yuan)到(dao)铸锭中心(xin)，偏(pian)析程(cheng)度逐(zhu)渐加(jia)重，但(dan)经过(guo)高温(wen)均(jun)匀化和锻(duan)造(zao)后(hou)，合金棒(bang)材中(zhong)无(wu)“黑(hei)斑”、“白斑(ban)”等宏(hong)观(guan)偏(pian)析，且(qie)内(nei)部(bu)Nb、Ti、Mo等(deng)元素分布(bu)均(jun)匀(yun)度(du)较高(gao)，微(wei)观(guan)偏(pian)析也基(ji)本(ben)得(de)到了消(xiao)除(chu)，这说明(ming)三联工(gong)艺(yi)在大规(gui)格铸锭熔(rong)炼(lian)方(fang)面(mian)具有独特(te)优(you)势。

除变(bian)形高(gao)温(wen)合(he)金的(de)三联熔炼(lian)工艺外，美国(guo)还(hai)将(jiang)三(san)联工(gong)艺(yi)用于粉(fen)末(mo)高(gao)温合金(jin)的熔(rong)炼，通过(guo)该方(fang)法能使(shi)粉(fen)末合金(jin)中O、N、S等(deng)杂(za)质(zhi)元素含量降(jiang)至(zhi)1×10^-6以下(xia)［48］。国内(nei)也开展了(le)粉(fen)末高(gao)温(wen)合金的三联(lian)熔(rong)炼(lian)工艺研(yan)究(jiu)，高(gao)小(xiao)勇(yong)［49］通过(guo)调(diao)整(zheng)Al、Ti易烧(shao)损元素在(zai)VIM过程的加入顺(shun)序(xu)，调(diao)控ESR过程的渣系设(she)计（添加(jia)适量(liang)CeO2）等(deng)方式，实(shi)现了(le)对(dui)铸锭中(zhong)非(fei)金(jin)属夹(jia)杂(za)物的(de)有效去除，制(zhi)备(bei)出(chu)了高洁(jie)净(jing)的(de)FGH96粉末高温合金(jin)母(mu)合金(jin)。

目(mu)前(qian)，三(san)联(lian)工艺已被(bei)广泛应用(yong)于(yu)高质(zhi)量(liang)变(bian)形镍基高(gao)温(wen)合(he)金(jin)的洁(jie)净化(hua)熔(rong)炼当(dang)中，而在(zai)铸(zhu)造(zao)、粉末冶(ye)金(jin)甚(shen)至(zhi)是(shi)金(jin)属增材制(zhi)造(zao)用粉(fen)末的(de)母(mu)合(he)金(jin)铸(zhu)锭方面(mian)，许多学(xue)者及机构(gou)正(zheng)在开(kai)展三(san)联熔(rong)炼(lian)工艺的进(jin)一(yi)步研(yan)究。

3.4镍(nie)基(ji)高(gao)温合(he)金(jin)熔炼(lian)工(gong)艺的(de)选(xuan)择(ze)

镍(nie)基高温合(he)金(jin)的(de)熔(rong)炼(lian)工艺(yi)选择(ze)主要(yao)取(qu)决(jue)于(yu)合金成(cheng)分(fen)及对(dui)合金质(zhi)量的要求，表3对比(bi)了(le)各熔炼工艺的优(you)缺点及(ji)适用(yong)的(de)熔(rong)炼(lian)条件(jian)，可(ke)以(yi)看出，VIM+ESR+VAR三(san)联(lian)熔(rong)炼工(gong)艺无(wu)疑是(shi)获(huo)得高(gao)质(zhi)量(liang)合(he)金(jin)铸锭的有(you)效途(tu)径(jing)。在(zai)实(shi)际生产(chan)中(zhong)，根据不(bu)同合(he)金的熔炼(lian)需(xu)求(qiu)，选用(yong)合(he)适的(de)熔炼工(gong)艺，有利于平(ping)衡熔炼成本和(he)合(he)金(jin)铸(zhu)锭(ding)质(zhi)量(liang)之间(jian)的(de)关系(xi)。

VIM+ESR工(gong)艺可(ke)以进(jin)一(yi)步将(jiang)S、P等杂(za)质(zhi)元素(su)及(ji)非金属夹杂(za)物含(han)量(liang)控(kong)制(zhi)在(zai)更(geng)低(di)程(cheng)度，获得组(zu)织致密、表(biao)面质量较好(hao)的合金(jin)铸(zhu)锭，提升(sheng)合金的(de)热塑(su)性。但(dan)由于渣(zha)皮阻碍散热，会(hui)导(dao)致合金铸锭(ding)心部存(cun)在(zai)严(yan)重元素偏析，另(ling)外Al、Ti等活(huo)泼元素(su)即(ji)使(shi)在保(bao)护(hu)气氛(fen)下也(ye)存(cun)在(zai)一定(ding)程(cheng)度(du)的(de)烧(shao)损(sun)，且随着电(dian)渣(zha)锭(ding)长度(du)的增加(jia)，铸锭头尾(wei)的成分(fen)偏差将进一(yi)步加(jia)大。因(yin)此(ci)， 考虑到电渣(zha)重熔(rong)的优(you)缺点，VIM+ESR更(geng)适用(yong)于(yu)对合金洁(jie)净度(du)要(yao)求(qiu)更(geng)高(gao)，铸(zhu)锭(ding)规格(ge)较(jiao)小(xiao)，易(yi)烧损元(yuan)素(su)含量控制(zhi)要(yao)求(qiu)更低的镍(nie)基(ji)高(gao)温合金的熔炼。

VIM+VAR工(gong)艺(yi)不(bu)存在(zai)大气(qi)、铸(zhu)模(mo)以及耐(nai)火(huo)材料的污(wu)染，没(mei)有(you)渣(zha)壳，借(jie)助(zhu)于铸(zhu)锭与(yu)结晶(jing)器(qi)间良好(hao)的(de)散热(re)条件，可(ke)使得凝(ning)固铸锭(ding)心(xin)部偏析程度(du)降低(di)、组(zu)织成分(fen)分布更(geng)加均(jun)匀。但(dan)需(xu)指(zhi)出，该(gai)方法无法有(you)效去除合金(jin)中S、P等杂质(zhi)元素，夹(jia)杂物尺寸(cun)较(jiao)大(da)、数量(liang)更(geng)多(duo)，铸锭(ding)表(biao)面(mian)质(zhi)量(liang)较差(cha)。因(yin)此，考(kao)虑到VAR技术的优(you)缺点，VIM+VAR更(geng)适用(yong)于对(dui)铸锭(ding)规(gui)格(ge)要(yao)求更大(da)，组(zu)织(zhi)要求更加均(jun)匀(yun)，易(yi)烧损(sun)元素含量控(kong)制(zhi)要(yao)求(qiu)更(geng)高的镍(nie)基高温合金(jin)的熔(rong)炼(lian)。

表4展(zhan)示(shi)了(le)国内(nei)部分典(dian)型(xing)高(gao)温合金采用(yong)的熔(rong)炼(lian)路线［48］。由(you)于(yu)ESR及(ji)VAR技(ji)术的(de)限制，目前国内(nei)采用(yong)VIM+ESR或(huo)VIM+VAR双(shuang)联工艺熔(rong)炼(lian)镍基(ji)高温(wen)合金铸锭直径(jing)控制(zhi)在660mm以(yi)内，而(er)国(guo)外已开始(shi)探(tan)索更(geng)大尺(chi)寸(cun)铸(zhu)锭的(de)熔炼(lian)及应(ying)用(yong)。采用(yong)VIM+ESR/PESR+VAR三(san)联工(gong)艺，制(zhi)备更(geng)大(da)规格(ge)、更(geng)高洁(jie)净(jing)度(du)的镍(nie)基高温合金(jin)铸锭(ding)是(shi)现代(dai)工(gong)业(ye)发(fa)展的趋势和(he)迫(po)切(qie)需(xu)求(qiu)。

利用三(san)联(lian)工艺(yi)制(zhi)备(bei)高可靠(kao)性(xing)高(gao)温合(he)金(jin)铸锭(ding)，已成(cheng)为(wei)国外(wai)多(duo)家(jia)单(dan)位(wei)的共性(xing)认(ren)识，美国已将(jiang)三(san)联熔炼工(gong)艺作(zuo)为(wei)扩(kuo)大铸锭(ding)直径(jing)，降低(di)铸(zhu)锭(ding)内部(bu)缺(que)陷(xian)的重要(yao)措(cuo)施，并(bing)在此(ci)基础上制定(ding)了(le)标(biao)准及(ji)完善的(de)熔炼(lian)流程。利用VIM+ESR+VAR三(san)联(lian)工艺，美(mei)国(guo)GE与(yu)All‐vac公司联合(he)开(kai)发出了(le)碳化(hua)物(wu)及夹杂物含量(liang)较低的(de)Φ915mm的(de)超大规(gui)格(ge)Inconel718铸锭(ding)，并(bing)成功用于(yu)后续开(kai)坯锻造(zao)［53］。

近年来，虽然(ran)国(guo)内(nei)厂(chang)商通(tong)过设(she)备引(yin)进(jin)，在(zai)较短(duan)时(shi)间(jian)内(nei)实(shi)现(xian)了熔(rong)炼(lian)装备(bei)的(de)更新(xin)与(yu)发(fa)展(zhan)，并(bing)通过(guo)开(kai)展(zhan)三联熔(rong)炼(lian)工艺的(de)研究及应用(yong)，已经(jing)能(neng)够制(zhi)备出(chu)Φ920mm的超大规格(ge)GH4706铸锭(ding)［52］。但由(you)于我国(guo)三(san)联(lian)熔(rong)炼(lian)工艺发(fa)展(zhan)起(qi)步较(jiao)晚(wan)，且三联熔炼(lian)工(gong)序(xu)复(fu)杂(za)，涉及(ji)多种(zhong)工艺参(can)数及对应的精确(que)控制系(xi)统(tong)，限(xian)制了(le)熔(rong)炼(lian)铸锭的(de)洁(jie)净(jing)化(hua)和(he)锭(ding)型扩大(da)，导致(zhi)我国(guo)熔(rong)炼(lian)出(chu)的镍基高(gao)温合(he)金铸锭(ding)质(zhi)量(liang)和(he)性(xing)能(neng)与欧美(mei)国家还存(cun)在一(yi)定(ding)差(cha)距。例如，张勇等(deng)人［47］曾对比了国(guo)产三(san)联熔(rong)炼大规(gui)格GH4169（直(zhi)径(jing)508mm）合(he)金(jin)，与(yu)国外(wai)三(san)联熔(rong)炼In‐conel718棒材的(de)组织与(yu)性能(neng)差异，结果(guo)表明：GH4169棒材(cai)中Nb、Al、Mo、Ti等元(yuan)素的分布(bu)样本(ben)标(biao)准方(fang)差均大(da)于(yu)Inconel718棒材中对(dui)应元(yuan)素，即(ji)国(guo)外Inconel718棒(bang)材(cai)的成(cheng)分(fen)分(fen)布(bu)更(geng)加均匀(yun)，硬(ying)度测试也表(biao)明(ming)Inconel718不同(tong)部位硬度波动(dong)性更小(xiao)。因此(ci)，需进一(yi)步(bu)加大对三联(lian)工(gong)艺(yi)的(de)研(yan)究(jiu)应(ying)用，充分发(fa)挥VIM、ESR、VAR的工(gong)艺优(you)势并相互结合(he)，满足(zu)镍(nie)基(ji)高(gao)温合金(jin)锭(ding)型的洁(jie)净(jing)化(hua)和(he)扩(kuo)大(da)化的发(fa)展(zhan)需(xu)求。

4、总(zong)结(jie)与(yu)展(zhan)望

（1）镍基(ji)高(gao)温(wen)合(he)金的快(kuai)速发(fa)展及(ji)应(ying)用(yong)要求(qiu)的(de)不(bu)断提高(gao)，对母合金(jin)铸锭的(de)熔炼工艺(yi)也(ye)提(ti)出(chu)了更(geng)高要(yao)求。根据合金(jin)牌号及质(zhi)量(liang)要求(qiu)选择(ze)合适的(de)熔炼工艺，是保(bao)证铸(zhu)锭(ding)熔炼效率和(he)质量(liang)的(de)基础(chu)。鉴于(yu)熔(rong)炼(lian)工艺(yi)路线选择与各(ge)熔(rong)炼(lian)阶(jie)段参(can)数控(kong)制(zhi)对合(he)金(jin)铸锭(ding)组织、成分(fen)及(ji)夹(jia)杂物(wu)的(de)显著(zhu)影(ying)响，并对(dui)成(cheng)型合(he)金力(li)学(xue)性能会(hui)产生决(jue)定性作用(yong)。因(yin)此(ci)，构建(jian)“熔炼(lian)路(lu)线-工艺(yi)参数(shu)控(kong)制-微观(guan)组织演(yan)化-力学(xue)性(xing)能”本构关(guan)系，是(shi)实(shi)现(xian)镍基(ji)高(gao)温合(he)金高(gao)质(zhi)量冶(ye)炼的(de)重(zhong)要基础。

（2）VIM+ESR+VAR三(san)联(lian)工(gong)艺(yi)能(neng)够(gou)结(jie)合(he)各(ge)熔炼技(ji)术的优点，实(shi)现更高(gao)洁净(jing)度的(de)超大(da)规格铸锭(ding)的(de)熔炼(lian)，是高(gao)质量镍(nie)基高温(wen)合(he)金(jin)熔炼(lian)工艺的(de)发展(zhan)趋(qu)势。

但(dan)国内应(ying)用三(san)联工(gong)艺(yi)制(zhi)备(bei)出(chu)的镍基高(gao)温(wen)合(he)金铸(zhu)锭质(zhi)量(liang)及(ji)性能(neng)与(yu)国(guo)外(wai)还(hai)存(cun)在(zai)一(yi)定差距(ju)。为(wei)此(ci)，还需进(jin)一(yi)步加大(da)对(dui)三联工艺(yi)的应(ying)用(yong)研究，选(xuan)择优(you)质(zhi)原(yuan)料，优化各熔(rong)炼(lian)阶段工(gong)艺(yi)参数(shu)的精(jing)确(que)控(kong)制，提(ti)升(sheng)熔(rong)炼过(guo)程的技术(shu)及管(guan)理(li)要求(qiu)，保证(zheng)各(ge)熔(rong)炼阶段(duan)之间(jian)的(de)连(lian)续性及(ji)协调(diao)性，达到(dao)提升(sheng)镍(nie)基(ji)高温(wen)合(he)金熔炼铸(zhu)锭(ding)质量及(ji)性能的(de)目(mu)的。

参考文献(xian)

［1］ DebRoy T， Wei H L， Zuback J S， et al. Additive manufacturing of metallic components – Process， structure and properties［J］. Prog‐ress in Materials Science， 2018， 92： 112–224.

［2］ Hosseini E， Popovich V A. A review of mechanical properties of additively manufactured Inconel 718［J］. Additive Manufacturing，2019， 30： 100877.

［3］ 王资(zi)兴(xing) . 三联冶炼工艺(yi)制(zhi)备(bei) IN718 合金(jin)棒(bang)材组织(zhi)与性(xing)能控制(zhi)［D］. 沈阳：东(dong)北(bei)大学(xue)， 2019.

［4］ 吴(wu)树(shu)森， 吕书(shu)林 . 有(you)色金(jin)属(shu)熔(rong)炼(lian)入门与(yu)精(jing)通［M］. 北京：机械(xie)工(gong)业出(chu)版社(she)， 2014： 271-273.

［5］ 付(fu)建辉， 张(zhang)健， 赖(lai)宇(yu) . GH3128 合(he)金(jin)“VIM+ESR”和(he)“NVIM+ESR”冶炼(lian)过程中(zhong)的脱(tuo)气(qi)行(xing)为(wei)及夹(jia)杂(za)物(wu)研(yan)究(jiu)［J］. 特殊钢， 2020，41（6）： 15–19.

［6］ Gu D， Jia Q. Selective laser melting additive manufacturing of In‐conel 718 superalloy parts： Densification， microstructure and prop‐erties ［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2014， 585：713-721.

［7］ Reed R C. The Superalloys Fundamentals and Applications［M］.Cambridge： Cambridge university press， 2008： 421-426.

［8］ Zhang H K， Ma H C， Chang T X， et al. Deformation mechanisms of primary γ΄ precipitates in nickel-based superalloy［J］. Scripta Materialia， 2023， 224： 115109.

［9］ 李(li)尧 . 激光(guang)增材制(zhi)造镍(nie)基高温(wen)合金 DZ125L 柱(zhu)状晶(jing)等(deng)轴(zhou)晶(jing)转(zhuan)变、热(re)裂(lie)纹(wen)和(he)再(zai)结(jie)晶的(de)机(ji)理研究［D］. 西安： 西(xi)安交通大学，2018.

［10］ 姜(jiang)兰(lan) . 用(yong)于(yu)镍(nie)基(ji)高(gao)温合(he)金熔(rong)炼(lian)氧(yang)化锆耐(nai)火(huo)材(cai)料(liao)的研究(jiu)［D］.上(shang)海(hai)：上海大(da)学(xue)， 2017.

［11］ 杨中卫(wei)， 李涛， 张曦(xi)东(dong)， 等(deng) . 真(zhen)空(kong)感(gan)应(ying)熔炼(lian)高(gao)牌号无(wu)取(qu)向(xiang)硅钢(gang)的(de)工艺(yi)试验［J］. 中(zhong)国冶(ye)金(jin)， 2020， 30（8）： 21-24.

［12］ 金(jin)一标， 李亚军(jun)， 彭祺(qi)珉(min) . 300 kg 真(zhen)空感应炉(lu)熔炼(lian) 08Cr9CoMo钢(gang)的(de)氧含(han)量研究［J］. 特(te)殊(shu)钢(gang)， 2021， 42（6）： 19-24.

［13］ 张勇， 李佩(pei)桓， 贾(jia)崇(chong)林， 等 . 变形高温合金(jin)纯(chun)净(jing)熔(rong)炼(lian)设备及(ji)工艺研究(jiu)进(jin)展［J］. 材(cai)料(liao)导(dao)报(bao)， 2018， 32（9）： 1496-1506.

［14］ 李(li)化(hua)坤(kun)， 马(ma)中钢(gang)， 逯(lu)红果， 等(deng) . 镍(nie)基高(gao)温(wen)合(he)金真(zhen)空(kong)感(gan)应熔炼(lian)过(guo)程(cheng)研(yan)究［J］. 山(shan)东(dong)冶(ye)金(jin)， 2020， 42（5）： 33-34.

［15］ 姜(jiang)彩伟， 刘(liu)建(jian)民(min)， 胡显军(jun) . 真(zhen)空(kong)感(gan)应(ying)冶炼(lian)炉(lu)炉(lu)料(liao)架桥原(yuan)因(yin)分析及改善(shan)措施(shi)［J］. 真(zhen)空(kong)科学与技(ji)术(shu)学(xue)报(bao)， 2016， 36（12）： 1418-1421.

［16］ 赵(zhao)鸿(hong)燕(yan) . 真空(kong)感(gan)应(ying)炉坩(gan)埚(guo)材(cai)质(zhi)对镍基(ji)合(he)金 Inconel 690 氧硫(liu)含量的影响(xiang)［J］. 特殊(shu)钢， 2011， 32（6）： 43-46.

［17］ Qian K， Chen B， Zhang L， et al. Kinetics study of nitrogen re‐moval from liquid IN718 alloy during vacuum induction melting ［J］. Vacuum， 2020， 179： 109521.

［18］ 段生朝 . 电渣重熔(rong)大型 IN718 镍(nie)基(ji)合(he)金铸锭(ding)合(he)金元素氧化控制(zhi)的基(ji)础(chu)研(yan)究［D］. 北(bei)京(jing)：北京科技(ji)大(da)学， 2021.

［19］ Ma C， Xia Z， Guo Y， et al. Carbides refinement and mechanical properties improvement of H13 die steel by magnetic-controlled electroslag remelting［J］. Journal of Materials Research and Tech‐nology， 2022， 19： 3272-3286.

［20］ Liu Y， Wang Y， Li G， et al. Investigation on the structure， fluo‐ride vaporization and crystallization behavior of CaF2 – CaO –Al2O3–（SiO2） slag for electroslag remelting［J］. Journal of Ther‐mal Analysis and Calorimetry， 2020， 139（2）： 923-931.

［21］ 师帅(shuai) . Inconel 740H镍(nie)基(ji)合金(jin)电渣(zha)重熔(rong)渣(zha)系(xi)及铸锭均质化(hua)的研究［D］. 沈阳：东北(bei)大学(xue)， 2018.

［22］ 李宝宽， 黄雪驰(chi)， 刘(liu)中(zhong)秋， 等(deng) . 现代(dai)电(dian)渣重(zhong)熔(rong)先进(jin)技术特(te)征与演(yan)进［J］. 钢(gang)铁， 2022， 57（6）： 1-11.

［23］ 彭(peng)龙(long)生(sheng)， 刘春泉， 周(zhou)浩(hao)， 等 . 电(dian)渣重(zhong)熔(rong)新技(ji)术(shu)的(de)研究现状(zhuang)及发(fa)展(zhan)趋势［J］. 材料导报(bao)， 2022， 36（S1）： 472-480.

［24］ 张勇， 李(li)佩(pei)桓， 贾(jia)崇(chong)林(lin)， 等(deng) . 变(bian)形高(gao)温(wen)合(he)金(jin)纯(chun)净(jing)熔炼(lian)设(she)备(bei)及(ji)工艺(yi)研(yan)究进展［J］. 材(cai)料(liao)导报， 2018， 32（9）： 1496-1506.

［25］ Cui J， Li B， Liu Z， et al. Comparative investigation on ingot evo‐lution and product quality under different arc distributions during vacuum arc remelting process［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2022， 18： 3991-4006.

［26］ 李(li)莹(ying)莹(ying) . 大规格(ge)钛(tai)合金(jin)真空(kong)自耗铸锭热(re)封顶技术探讨［J］. 特种(zhong)铸造(zao)及有色合金， 2020， 40（3）： 324-326.

［27］ Karimi-Sibaki E， Kharicha A， Wu M， et al. A Parametric Study of the Vacuum Arc Remelting （VAR） Process： Effects of Arc Ra‐dius， Side-Arcing， and Gas Cooling［J］. Metallurgical and Mate‐rials Transactions B， 2020， 51（1）： 222-235.

［28］ Huang X， Li B， Liu Z. Three-Dimensional Mathematical Model of Oxygen Transport Behavior in Electroslag Remelting Process ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B， 2018， 49（2）：709-722.

［29］ 姜(jiang)周华(hua) . 电 渣 治(zhi) 金 学(xue)［M］. 北 京(jing) ： 科 学(xue) 出(chu) 版(ban) 社 ， 2015：255-257.

［30］ 陈(chen)韩锋(feng)， 张东(dong) . 气氛(fen)保(bao)护(hu)电(dian)渣重(zhong)熔 GH4169的冶(ye)金(jin)质量及(ji)锻造(zao)性能分析(xi)［J］. 甘(gan)肃科(ke)技(ji)， 2021， 37（7）： 53-57.

［31］ 贾(jia)景岩， 练明(ming)生(sheng)， 曹海洋(yang) . 氩气保(bao)护(hu)电(dian)渣重(zhong)熔 GH2132 提高 Ti收(shou)得(de)率(lv)实(shi)践(jian)［J］. 中国金(jin)属通报(bao)， 2021（8）： 162-163.

［32］ 陈(chen)国(guo)胜(sheng)， 周奠华(hua)， 金(jin)鑫(xin)， 等(deng) . 全封闭 Ar 气(qi)保护电(dian)渣重熔GH4169合金(jin)［J］. 特殊(shu)钢(gang)， 2004，24（3）： 46-47.

［33］ 刘立(li)， 赵俊学， 李(li)献(xian)民， 等(deng) . CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO 五元(yuan)渣(zha)的(de)表(biao)面张力及(ji)其在(zai)镍基(ji)合金电渣重熔(rong)的应用［J］. 特殊(shu)钢，2015， 36（6）： 20-22.

［34］ 崔利(li)民(min)， 王(wang)忠鑫， 罗保帅， 等 . GH2132 合(he)金(jin) 2 t 电渣锭重熔工艺改进［J］. 特殊(shu)钢， 2022， 43（3）： 43–46.

［35］ Duan S C， Shi X， Zhang M C， et al. Effect of Slag Composition on the Deoxidation and Desulfurization of Inconel 718 Superalloy by ESR Type Slag Without Deoxidizer Addition［J］. Metallurgicaland Materials Transactions B， 2020， 51（1）： 353–364.

［36］ Radwitz S， Scholz H， Friedrich B， et al. Process and Refining Characteristics of ESR using MgO containing Slag Systems［C］.Leoben： International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting， 2015.

［37］ 王资兴， 王磊(lei)， 孙文儒 . 熔速(su)对(dui) IN718 合金真空(kong)自耗(hao)铸锭(ding)组(zu)织(zhi)的影响(xiang)［J］. 材(cai)料热处(chu)理学报， 2019， 40（1）： 91–97.

［38］ Davidson P A， He X， Lowe A J. Flow transitions in vacuum arc remelting［J］. Materials Science and Technology， Taylor & Fran‐cis， 2000， 16（6）： 699–711.

［39］ 于腾， 杨(yang)玉军(jun)， 宋(song)彬(bin)， 等(deng) . 真空(kong)电(dian)弧重(zhong)熔过程中(zhong)白(bai)斑缺(que)陷(xian)的成(cheng)因(yin)分(fen)析(xi)［J］. 金(jin)属功能材料(liao)， 2022， 29（2）： 28-33.

［40］ Wang X， Ward R M， Jacobs M H， et al. Effect of Variation in Process Parameters on the Formation of Freckle in INCONEL 718 by Vacuum Arc Remelting［J］. Metallurgical and Materials Trans‐actions A， 2008， 39（12）： 2981-2989.

［41］ 郭(guo)建亭 . 高(gao)温合(he)金(jin)材料学(xue)［M］. 北京(jing)： 科学(xue)出版社(she)， 2008：103-105.

［42］ 杨玉(yu)军， 李爱民， 赵长虹(hong)， 等(deng) . 氦气(qi)冷(leng)却对高温合(he)金(jin)真空(kong)自耗重(zhong)熔(rong)的(de)影(ying)响(xiang)［C］. 北京： 中国金属(shu)学会高温(wen)材料(liao)分(fen)会(hui)， 2007：20-23.

［43］ 赵(zhao)长虹 ， 张玉(yu)春(chun) ， 杨(yang)玉军 ， 等(deng) . 真 空 自(zi) 耗(hao) 锭 生(sheng) 产(chan) 工(gong) 艺(yi) 对(dui)GH4169 合金(jin)组织和力(li)学性能的(de)影(ying)响(xiang)［C］. 北(bei)京(jing)： 中(zhong)国(guo)金属(shu)学会(hui)高(gao)温(wen)材料分(fen)会(hui)， 2007： 131-134.

［44］ II’inskii A I， Livatkin P A， Polozhentsev K A. Effectiveness of a new automated control system for vacuum-arc remelting［J］. Steel in Translation， 2015， 45（11）： 825-829.

［45］ Chen Z， Yang S， Qu J， et al. Effects of Different Melting Tech‐nologies on the Purity of Superalloy GH4738［J］. Materials，2018， 11（10）： 1838-1840.

［46］ 陈国胜， 刘丰(feng)军， 王庆(qing)增， 等(deng) . GH4169 合(he)金(jin) VIM+PESR+VAR 三(san)联(lian)冶(ye)炼(lian)工(gong)艺及(ji)其冶(ye)金质(zhi)量［J］. 钢铁(tie)研究(jiu)学(xue)报， 2011， 23（S2）： 134-137.

［47］ 张(zhang)勇(yong)， 李鑫旭， 韦(wei)康(kang) . 三联(lian)熔炼 GH4169 合(he)金大(da)规格(ge)铸锭与棒材(cai)元(yuan)素(su)偏(pian)析(xi)行为(wei)［J］. 金(jin)属(shu)学(xue)报(bao)， 2020， 56（8）： 1123-1132.

［48］ 王(wang)晓(xiao)峰(feng)， 周晓(xiao)明(ming)， 穆(mu)松林， 等 . 高温(wen)合金(jin)熔(rong)炼工艺讨论(lun)［J］. 材(cai)料(liao)导报(bao)， 2012， 26（7）： 108-113.

［49］ 高小(xiao)勇(yong) . FGH96 粉(fen)末高温(wen)合(he)金(jin)母(mu)合金(jin)的纯(chun)净(jing)化(hua)技术(shu)研(yan)究［D］.北京(jing)：北(bei)京科(ke)技(ji)大(da)学， 2020.

［50］ 胡连喜(xi)， 冯小(xiao)云(yun) . 粉末冶(ye)金高温(wen)合金研(yan)究(jiu)及发展现(xian)状(zhuang)［J］. 粉(fen)末冶(ye)金工业， 2018， 28（4）： 1-7.

［51］ 庄景(jing)云 . 变(bian)形高温合金(jin) GH4169［M］. 北(bei)京：冶(ye)金(jin)工业出(chu)版社(she)，2006； 42-44.

［52］ 阚志， 吴(wu)贵(gui)林， 于腾(teng)， 等 . GH4706 合(he)金超大(da)尺(chi)寸(cun)棒材(cai)冶炼(lian)及加工工艺研(yan)究［C］. 北京：第(di)十(shi)三届中(zhong)国高温合金(jin)年(nian)会(hui)，中国(guo)金(jin)属(shu)学会(hui)高(gao)温(wen)材料(liao)分(fen)会， 2015： 125-127.

相(xiang)关(guan)链接