TiO2渣系对Incoloy825合金中Al/Ti含量及夹杂物影响的研究

作     者：朱智洪 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：巨建涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0806[工学-冶金工程] 080601[工学-冶金物理化学] 

主      题：Incoloy825合金 低氟渣系 Al、Ti控制 渣-金平衡 

摘      要：Incoloy825合金是一种大量应用于航海航天和石油化工等领域的镍基高温合金。合金中的铝和钛元素为强铁素体形成元素,其含量能够影响合金的组织结构、力学性能和耐蚀性能。电渣重熔作为Incoloy825合金的主要冶炼方式,渣的成分对合金中元素的控制影响重大,其中,TiO含量不仅对电渣锭中Al、Ti元素含量的控制影响较大,还与电渣锭轴向上的均匀性密切相关。此外,电渣过程中渣中TiO含量还与合金中含铝和钛的夹杂物有关。因此,探究熔渣中TiO含量对电渣重熔Incoloy825合金中Al、Ti控制和夹杂物演变的研究对提升该钢种组织、性能起着重要的作用。目前,电渣重熔工业用渣多为中高氟渣系,在冶炼过程中生成挥发性的氟化物气体(如Ca F和Al F),这不仅对环境造成了污染,还造成了渣中组元含量的变化,使电渣锭中合金元素难以控制,降低了电渣锭质量。低氟渣系应用的可能性已得到验证。然而,低氟渣系冶炼Incoloy825合金时渣中TiO含量对合金中铝、钛含量及夹杂物转变的影响机理还不明确,需要进一步的研究。本研究借助分子离子共存理论及热力学定律等,建立了熔渣活度的热力学模型。研究了渣中各组元含量对其它组元活度和l g(aa)的影响,进行了不同TiO含量电渣重熔的小型工业实验,并验证了模型的准确性。随着渣中TiO含量的增加,合金中Al含量增加,Ti含量降低,当渣中l g(aa)值为-3.16时,有利于Al和Ti含量的控制。基于分子离子共存理论,薄膜理论和渗透理论建立了铝、钛控制的动力学传质模型,并通过Matlab软件的循环迭代功能进行了求解,得到了电渣锭中Al、Ti和Si元素在轴向上变化的规律,模型计算结果与实验结果吻合较好。确定了传质过程中各阶段的限制性环节,在Al+AlO体系中是金属侧Al的传质,在Si+Si O的体系中为渣侧Si O的传质,在Ti+TiO的体系中,Ti向金属侧传质和TiO向渣侧传质共同决定了反应的限制性环节。借助扫描电镜及能谱仪对自耗电极和电渣锭中夹杂物进行统计分析。自耗电极和电渣锭中的夹杂物尺寸主要均在1-4μm,电渣锭中有部分复杂夹杂物大于4μm。自耗电极中夹杂物主要为Ti N、Ti S和表面包裹有Ti N层的AlO。电渣锭中夹杂物主要为Ti N、Mg O-AlO和表面包裹Ti N层的Mg O-AlO。随着电渣锭高度的增加,夹杂物的平均尺寸从2.5μm增大到4.4μm。熔渣中TiO含量的增加促进了Mg O-AlO尖晶石夹杂物的形成,并使电渣锭中夹杂物尺寸增大。为了减小Incoloy825电渣锭中夹杂物的尺寸,应减少渣中TiO的添加量。自耗电极中的Ti S夹杂物在ESR过程中被去除,Ti N部分被去除。电极中Ti N包裹的AlO夹杂重熔后转化为Ti N层包裹的Mg O-AlO夹杂物和Mg O-AlO夹杂物。