硫的危害及电渣重熔脱硫研究

镍基高温合金是制造航空航天发动机高温部件的关键核心材料，材料的安全可靠性直接关系到设备的使用寿命和飞行安全。硫是镍基高温合金中的杂质元素，充分认识硫的危害，严格控制硫含量对于改善合金的使用性能具有重要意义。　　研究人员对硫在镍基高温合金中的危害和作用机理作了总结，表明进一步控制合金中硫含量的必要性。为进一步提高电渣重熔镍基高温合金的脱硫效率，对不同重熔条件下GH4169的电渣重熔过程的脱硫效果进行了实验研究，并对实验结果进行了热力学分析和讨论。　　实验用的电极材料GH4169在200kg真空感应炉内冶炼，原电极直径为100mm，长度为500mm。实验用渣系CAF60的组成（质量分数）为20%CaO，20%Al2O3，60%CaF2。同一炉次的原电极在50kg电渣重熔炉上进行重熔实验，结晶器直径为160mm，渣量8kg。实验设计了3种不同的工艺：实验1—电渣重熔过程是在保护罩打开且渣面完全暴露在大气下进行; 实验2—电渣重熔过程中保护罩与结晶器密封并通入高纯氩气，使渣面受氩气的充分保护; 实验3—在实验2的基础上，在重熔过程中将金属钙连续等量地加入渣中（每重熔1t合金加金属钙3kg）。　　每炉实验过程中，无缝钢管www.tcpipes.combd重熔锭每增高30mm吸取熔渣试样一次，重熔结束后，分别将3个重熔锭沿直径高度方向剖开，并在半径1/2处沿高度方向取化学分析试样。重熔锭中Ca和S含量分别采用ICP—AES（NACIS/C H011:2005），红外吸收法（GB /T 20123-2006）分析。熔渣样中S含量采用燃烧碘量法（GB/T 5195.5-2006）分析。研究结果如下：　　（1）镍基高温合金中硫偏聚于晶界，随硫含量的增加，晶界强度不断弱化，恶化高温下合金的拉伸塑性、持久寿命和蠕变性能，最终导致合金使用寿命降低；　　（2）高温下合金基体表面的硫会自发地向表面偏聚，使合金表面氧化膜的黏附性降低并剥落，导致基体表面进一步氧化、裂纹加深。尽可能地降低基体中的硫含量是提高镍基高温合金使用寿命的重要措施；　　（3）以w[S]为18×10－6的GH4169为原电极，经大气下电渣重熔得到的合金中w[S]稳定在6×10－6；惰性气体保护电渣重熔开始时得到的合金中w[S]降至7×10－6，重熔结束时合金中w[S]增至9×10－6；加入金属钙能够改善惰性气氛保护电渣重熔脱硫条件，使合金中w[S]连续下降，最低降至3×10－6；　　（4）实验用无缝钢管渣中初始w［S］均为0.03%，大气下电渣重熔过程中渣中的硫以气化脱除，渣中w[S]基本保持0.03%；惰性气氛保护电渣重熔的渣中w[S]不断增加，达到0.04%；加金属钙后，气氛保护电渣重熔的渣中w[S]进一步增加，达到0.047%；　　（5）GH4169合金液中[Ca]-[S]热力学平衡计算结果表明，合金中w[Ca]，w[S]与理论计算平衡趋势一致，接近于1743K下的[Ca]-[S]热力学平衡线。