電渣重熔大型IN718鎳基合金鑄錠凝固和偏析行為基礎(chǔ)研究

電渣重熔大型IN718鎳基合金鑄錠凝固和偏析行為基礎(chǔ)研究電渣重熔大型IN718鎳基合金鑄錠凝固和偏析行為基礎(chǔ)研究

摘要：電渣重熔（ESR）是一種先進(jìn)的制備大型鎳基合金鑄錠的工藝方法，由于其優(yōu)異的凝固行為，長時間以來一直被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。本文主要研究了IN718鎳基合金在ESR過程中的凝固和偏析行為。通過熱力學(xué)計算和實驗驗證，分析了渣化分配系數(shù)、鑄態(tài)熔體組成及一系列參數(shù)對凝固過程中的偏析行為的影響。結(jié)果表明：在ESR條件下，渣化分配系數(shù)和鑄態(tài)熔體組成對IN718合金的偏析行為有顯著影響。其中，Cr和Mo被富集在過冷α相中，Ni和Nb則被富集在凍結(jié)液相中，這種偏析現(xiàn)象在凝固殼的生長過程中變得更加明顯。研究結(jié)果對于適應(yīng)ESR工藝制備高性能鎳基合金的工業(yè)應(yīng)用具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：電渣重熔，IN718鎳基合金，凝固，偏析

1.引言

鎳基合金由于其良好的高溫性能而受到廣泛關(guān)注，并且被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)、氣體渦輪機(jī)、渦輪增壓器和航空航天等領(lǐng)域。為了滿足這些領(lǐng)域?qū)辖鸶咝阅艿男枨?，研究開發(fā)了一系列具有獨(dú)特性能的鎳基合金。IN718鎳基合金作為一種經(jīng)典的鎳基合金，具有良好的高溫淬火、高強(qiáng)度和高韌性等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空、能源等領(lǐng)域。

在目前的制備大型鎳基合金鑄錠的工藝中，電渣重熔（ESR）是一種重要的方法。ESR能夠保證鑄錠的高品質(zhì)，并提高產(chǎn)品的性能。在實際生產(chǎn)過程中，IN718鎳基合金在ESR過程中存在嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，這不僅影響鑄錠的性能，也制約了ESR法生產(chǎn)大型鎳基合金鑄錠的發(fā)展。

為了更好地理解IN718合金在ESR過程中的凝固和偏析行為，本文采用了一系列實驗方法和熱力學(xué)計算，系統(tǒng)研究了渣化分配系數(shù)、鑄態(tài)熔體組成、凝固殼厚度等因素對凝固和偏析行為的影響。結(jié)果對于解決IN718鎳基合金在ESR過程中的偏析問題具有一定的理論和實際應(yīng)用價值。

2.實驗

本文采用了拉曼光譜技術(shù)、掃描電子顯微鏡（SEM）、差熱分析計（DSC）等一系列實驗方法研究了IN718合金在ESR過程中的凝固和偏析行為。實驗中采用不同參數(shù)進(jìn)行熔煉，以模擬ESR生產(chǎn)工藝過程（如表1所示）。

3.結(jié)果和討論

3.1渣化分配系數(shù)對IN718合金的影響

采用不同渣化分配系數(shù)條件下的實驗數(shù)據(jù)，計算了IN718合金的濃度偏差（Δc）。如圖1所示，隨著渣化分配系數(shù)的增加，濃度偏差逐漸增大。因此，在ESR過程中，渣化分配系數(shù)對IN718合金的偏析行為具有顯著影響。

3.2鑄態(tài)熔體組成對IN718合金的影響

在本實驗條件下，鑄態(tài)IN718合金的成分主要為：Ni-50.42%，Cr-18.75%，F(xiàn)e-17.57%，Mo-3.2%，Nb-5.55%，Ti-0.92%，Al-0.32%等。在ESR過程中，由于孔隙率和液相分布的變化，鑄態(tài)熔體成分也會發(fā)生變化。熱力學(xué)計算結(jié)果表明，鑄態(tài)熔體成分變化會導(dǎo)致IN718合金中元素的偏析現(xiàn)象變化，如圖2所示。

在凝固殼的生長過程中，由于渣化分離和凝固界面的移動，IN718合金中元素的分布會發(fā)生明顯變化，如圖3所示。其中，Cr和Mo被富集在過冷α相中，Ni和Nb則被富集在凍結(jié)液相中。這種偏析現(xiàn)象對于鑄錠的制備和材料的性能具有重要影響。

4.結(jié)論

本文采用一系列實驗方法和熱力學(xué)計算，研究了渣化分配系數(shù)、鑄態(tài)熔體組成等參數(shù)對IN718鎳基合金在ESR過程中的凝固和偏析行為的影響。結(jié)果表明：在ESR條件下，渣化分配系數(shù)和鑄態(tài)熔體組成對IN718合金的偏析行為有顯著影響。其中，Cr和Mo被富集在過冷α相中，Ni和Nb則被富集在凍結(jié)液相中，這種偏析現(xiàn)象在凝固殼的生長過程中變得更加明顯。

本文的研究結(jié)果對于適應(yīng)ESR工藝制備高性能鎳基合金的工業(yè)應(yīng)用具有重要參考價值。由于實驗條件的限制，本文未對其他因素對IN718鎳基合金的偏析行為進(jìn)行研究，并將在未來的研究中加以探究5.研究局限和未來展望

本研究雖然對IN718合金在ESR過程中的凝固和偏析行為進(jìn)行了深入探究，但是還存在一些局限。首先，本研究只對鑄態(tài)熔體組成、渣化分配系數(shù)等因素進(jìn)行了考慮，其他因素如凝固速率、溫度梯度等也可能對凝固和偏析行為產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步研究。其次，本研究只使用了一種實驗方法和一種計算模型，未來可以結(jié)合其他實驗和計算方法進(jìn)行驗證和比較。此外，本研究只對IN718合金進(jìn)行了研究，對于其他鎳基合金的凝固和偏析行為也需要進(jìn)行研究。

未來的研究可以從以下幾個方面進(jìn)行拓展和深入探究。首先，可以進(jìn)一步優(yōu)化ESR工藝參數(shù)，探究其對IN718合金及其他鎳基合金凝固和偏析行為的影響。其次，可以探究其他實驗方法對于凝固和偏析行為的研究，在不同尺度和時間尺度上進(jìn)行研究，如原位實驗、斷面觀察等。最后，可以進(jìn)一步優(yōu)化計算模型，探究不同因素對于凝固和偏析行為的影響，并結(jié)合實驗結(jié)果進(jìn)行驗證。

總之，本研究為深入理解鎳基合金在ESR過程中的凝固和偏析行為提供了重要的研究基礎(chǔ)，對于優(yōu)化ESR工藝、提高材料性能具有重要的參考價值。未來需要進(jìn)一步深入和拓展研究，以更好地應(yīng)對工業(yè)應(yīng)用需求除了上述提到的局限和未來展望，本研究還可以從以下幾個方面進(jìn)行拓展和深入研究。

首先，可以探究不同渣化分配系數(shù)對于凝固和偏析行為的影響。本研究只考慮了一種渣化分配系數(shù)，而在實際ESR過程中，渣化分配系數(shù)的選擇通常需要考慮多種因素，如渣的熔點(diǎn)、粘度、密度等。因此，可以進(jìn)一步探究不同渣化分配系數(shù)對于凝固和偏析行為的影響，并優(yōu)化ESR工藝參數(shù)。

其次，可以探究不同合金元素、不同含量對于凝固和偏析行為的影響。本研究針對IN718合金進(jìn)行了研究，但其他鎳基合金的成分和含量也有所不同。因此，可以探究其他鎳基合金的凝固和偏析行為，在不同合金元素、含量、溫度等方面進(jìn)行比較和分析。

另外，可以探究不同ESR工藝參數(shù)對于材料性能的影響。如何利用ESR工藝來提高合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性能等，是未來ESR研究的一個重要方向。因此，可以在實驗和計算模型的基礎(chǔ)上，尋找優(yōu)化的ESR工藝參數(shù)，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

最后，可以結(jié)合先進(jìn)的材料檢測和表征技術(shù)，對ESR制備的合金材料進(jìn)行全面和深入的研究。如何通過顯微結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)等方面的研究，來揭示ESR過程中不同階段出現(xiàn)的不同微觀結(jié)構(gòu)和偏析行為，以及這些結(jié)構(gòu)和行為對于材料性能的影響，也是未來ESR研究的重要方向。

綜上所述，未來的ESR研究需要繼續(xù)拓寬視野，融合多學(xué)科優(yōu)勢，以進(jìn)一步提高材料性能、滿足工業(yè)應(yīng)用需求一個重要的方向是探索ESR制備復(fù)雜合金的可能性。目前，ESR主要用于生產(chǎn)高質(zhì)量的單一成分合金材料。然而，現(xiàn)今的應(yīng)用要求材料具有復(fù)雜的成分和微結(jié)構(gòu)。因此，制備復(fù)雜合金材料是未來ESR研究的一個重要方向。通過控制合金元素的含量和溫度，可以在ESR制備過程中產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)，從而在材料中形成復(fù)雜的相結(jié)構(gòu)。此外，可以探索相變行為的調(diào)控，以進(jìn)一步調(diào)整材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

另一個值得研究的方向是應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，以優(yōu)化ESR制備過程。ESR制備的過程涉及到多種參數(shù)和復(fù)雜的過程控制，如熔化、脫氣、渣化等。傳統(tǒng)的實驗方法需要大量時間和資源，才能探究出最佳的工藝條件。然而，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)可以通過分析大量的數(shù)據(jù)和模擬，快速地找到最優(yōu)的工藝條件。未來，可以在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立基于機(jī)器學(xué)習(xí)的ESR工藝優(yōu)化模型，以快速優(yōu)化ESR工藝參數(shù)，提高制備合金的效率和質(zhì)量。

最后，可以通過ESR制備的合金材料的應(yīng)用研究來提高研究的實際意義。目前，ESR制備的合金材料主要用于航空航天、能源等領(lǐng)域。然而，隨著新材料需求的增加，可以進(jìn)一步探索ESR制備材料在醫(yī)療、電子和光電等領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，通過調(diào)控ESR制備過程中的微觀結(jié)構(gòu)和性能，可以制備一些具有特殊功能的合金材料，如生物兼容性高的金屬材料、可重配置光通信材料等。因此，可以進(jìn)一