[发明专利]用于生产低氮金属铬和含铬合金的方法以及所得产品

说明书

用于生产低氮金属铬或含铬合金的方法，其防止周围大气中的氮被携带到熔体中并在金属热反应期间被金属铬或含铬合金吸收，所述方法包括：对容纳于真空容器内的包含金属化合物和金属还原粉末的铝热剂混合物进行真空脱气，点燃所述铝热剂混合物以实现所述容器内的所述金属化合物在减压(即低于1巴)下的还原，并且在减压下在所述容器中进行所述整个还原反应(包括凝固和冷却)以产生氮含量低于10ppm的最终产物。除了低氮金属铬与其他元素的组合外，所获得的所述最终产物还可用作制造最终氮含量低于10ppm的超合金、不锈钢或其他特种钢中的原料。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年11月5日提交的美国临时专利申请号14/533,741的权益，所述美国临时专利申请的内容以引用的方式整体并入本文。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于生产金属铬及其合金的金属热法。更具体地说，本发明涉及用于生产低氮金属铬和含铬合金的金属热法并且涉及通过所述方法获得的产品。

2.相关技术说明

飞机发动机中的旋转金属零件的寿命通常由疲劳开裂决定。在此过程中，裂纹在金属内的某些成核位置处引发，并且以与材料特性和部件所经受的应力相关的速率传播。这进而限制零件在其使用寿命期间将承受的循环次数。

针对超合金开发的清洁熔化生产技术(clean melting production technique)已经引起基本上消除此类合金中的氧化物夹杂物，其程度为使得现在疲劳裂纹主要起源于结构特征，例如起源于晶界或初级沉淀物簇如碳化物和氮化物。

已经发现，在合金718(参见合金718规格(AMS 5662和API 6A 718))的凝固期间形成的初级氮化物颗粒(其是用于生产飞机发动机旋转零件以及用于石油和天然气钻探和生产设备的主要合金之一)是纯TiN(氮化钛)，并且通过在TiN颗粒表面上的非均匀成核发生初级Nb-TiC(铌-碳化钛)的沉淀，从而增加沉淀物粒度。可通过两种方式降低粒度：通过尽可能降低碳含量或通过降低氮含量。

通常为了防止在使用温度下的晶界滑移，不锈钢、其他特种钢和超合金的许多商业规格建立最小碳含量。因此，在组成上减小粒度的唯一实用手段是尽可能广泛地降低材料中的氮含量。那么，由于氮化物首先沉淀，所以除去氮取代除去碳的重要性。

已知在金属或金属合金还原之后除去氮和/或含氮沉淀物是极其困难和昂贵的任务。因此，氮优选应在还原过程之前或期间除去。

存在一种称为电子束熔化的用于生产低氮合金的熟知方法；与金属热还原法相比时，其非常昂贵且极慢，并且因此从商业角度来看是不切实际的。还存在一种已知的铝热还原法(参见美国专利号4,331,475)，与本发明的实施方案相反，所述铝热还原法不在连续减压下进行，从而至多产生具有18ppm的还原氮含量的铬母合金，当用于合金718生产中时，该铬母合金不能保证氮含量低于氮化钛沉淀物的溶解度极限的合金718。

发明内容

为了克服困扰飞机以及石油和天然气工业多年的上述问题，本发明提供用于生产低氮金属铬或含铬合金的方法，所述方法防止周围大气中的氮被携带到熔体中并在金属热反应期间被金属铬或含铬合金吸收。为此，本发明的方法包括以下步骤：(i)对容纳于真空容器内的包含金属化合物和金属还原粉末的铝热剂混合物进行真空脱气，(ii)点燃铝热剂混合物以实现所述容器内的金属化合物在减压(即低于1巴)下的还原，以及(iii)在减压下在所述容器中进行整个还原反应(包括凝固和冷却)以产生氮含量低于10ppm的最终产物。

在本发明的方法的第一方面，真空容器可以是衬有耐火材料的陶瓷或金属容器。

在本发明的方法的第二方面，真空容器被放置在真空密封的水冷却室，优选金属室内部。