[发明专利]一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法，提供了一种采用真空感应熔炼、真空自耗、真空感应熔炼、电渣重熔、真空自耗制备超低氮含钛钢的方法，此外，在电渣重熔中开发了新的电渣重熔含钛钢用渣的含钛辅料，该辅料与基础预熔渣混合，可以获得低熔点的CaFsubgt;2/subgt;‑CaO‑MgO‑Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;‑TiOsubgt;2/subgt;渣系，不仅能够实现含钛钢铸锭中铝、钛含量的精准控制，还改善了铸锭的表面质量。现有技术通过真空感应、电渣重熔、真空自耗生产含钛钢时，由于存在3000℃的高熔点TiN夹杂，使得真空自耗过程脱氮困难，最终产品的氮含量很高；同时现有铸锭中铝、钛含量出现波动，严重时铝、钛超标。本发明开发的真空感应无钛钢、真空自耗脱氮、真空感应加高纯钛、电渣重熔、真空自耗的冶炼步骤，获得了超低氮的含钛钢铸锭。

技术领域

本发明属于钢冶金领域，特别属于特种冶金制备的领域，具体涉及一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法。

背景技术

含钛钢是用于600℃以上的一种金属材料，常常被用于制造航空发动机、燃气轮机的零部件。基体中γ`、γ``的Ni₃(Al, Ti, Nb)强化相使得含钛钢在高温度下具有很高的强度，因此要求合金中钛含量大于0.6，甚至高达5%。由此带来的问题是形成了大颗粒的TiN夹杂物，成为航空发动机用含钛钢的失效源之一，因此必须将钢中N含量将至0.0005%以下避免TiN夹杂物的产生。但现有的真空感应、电渣重熔、真空自耗的“三联”技术很难实现超低氮的目标。真空自耗炉的电弧热可以将2500℃的物质熔化，但是TiN夹杂物的熔点高达2950℃，真空自耗炉并不具备熔化TiN夹杂物和脱除含钛钢中氮的能力，TiN夹杂物仍存留在最终的铸锭中，影响了含钛钢产品的性能，降低航空发动机的使用寿命。此外，含钛钢在600℃以上使用时，晶界是导致含钛钢失效的薄弱环节，因此需要增强晶界结合力。各类含钛钢根据使用环境和服役性能的不同，其铝钛含量亦不同，但是由于含钛钢中Al、Ti的重要作用，必须严格控制含钛钢中的Al、Ti含量。此外，含钛钢中含有大量的合金元素，其熔点很低，部分含钛钢的熔点甚至低于1400℃，电渣重熔过程中严重影响了电渣锭的表面质量，电渣锭在车光后用于真空自耗的电极母材，电渣锭表面质量差易导致车削量的增加，降低成材率，这是现有渣系客观特性缺陷导致的。

因此熔渣必须具备低熔点、且能够精准控制铸锭中铝、钛含量的特点，这也是目前制备含钛钢的难点。很多企业和科研人员对含钛钢的渣系进行了研究，但关于渣系的低熔点特性和铝、钛含量的控制方面，很难同时具备二者，往往是控制了铝、钛含量，铸锭表面质量却很差，或者是表面质量良好，铸锭中铝、钛含量却不达标。开发具备低熔点特性和控制铝、钛含量的渣系已成为电渣重熔制备含钛钢的关键问题。目前电渣重熔含钛钢的生产工艺为，电渣重熔化渣阶段，先将少量的预熔渣置于结晶器底，在自耗电极与底板的电弧热下熔渣逐步熔化，随后持续加入剩余预熔渣和高熔点的钛白粉末进行熔化。在熔渣+钛白粉末加入过程中，由于钛白粉末的挥发，造成CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃-TiO₂熔渣中TiO₂含量的不稳定；同时还存在熔渣的混合不均匀现象，这是铝、钛含量波动的因素之一。

鉴于以上分析，需要研发新一代含钛钢提高其使用温度和使用寿命，同时需要研发新工艺获得超低氮的含钛钢铸锭。此外，还需研发新的低熔点含钛辅料，不仅需要解决钛白粉的稳定加入问题和含钛辅料的快速熔化问题，同时还需满足加入任意比例的含钛辅料后的熔渣成分具备低熔点特性。

发明内容

本发明提供了一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法，通过在含钛钢中加入适量的钇、锆等元素，从而增加含钛钢的晶界结合力、服役温度和使用寿命，并通过工艺控制氮、氧含量达到含钛钢的稳定服役效果。