电渣重熔大型IN718镍基合金铸锭凝固和偏析行为基础研究

电渣重熔大型IN718镍基合金铸锭凝固和偏析行为基础研究电渣重熔大型IN718镍基合金铸锭凝固和偏析行为基础研究

摘要：电渣重熔（ESR）是一种先进的制备大型镍基合金铸锭的工艺方法，由于其优异的凝固行为，长时间以来一直被广泛应用于航空、航天等领域。本文主要研究了IN718镍基合金在ESR过程中的凝固和偏析行为。通过热力学计算和实验验证，分析了渣化分配系数、铸态熔体组成及一系列参数对凝固过程中的偏析行为的影响。结果表明：在ESR条件下，渣化分配系数和铸态熔体组成对IN718合金的偏析行为有显著影响。其中，Cr和Mo被富集在过冷α相中，Ni和Nb则被富集在冻结液相中，这种偏析现象在凝固壳的生长过程中变得更加明显。研究结果对于适应ESR工艺制备高性能镍基合金的工业应用具有重要参考价值。

关键词：电渣重熔，IN718镍基合金，凝固，偏析

1.引言

镍基合金由于其良好的高温性能而受到广泛关注，并且被广泛应用于发动机、气体涡轮机、涡轮增压器和航空航天等领域。为了满足这些领域对合金高性能的需求，研究开发了一系列具有独特性能的镍基合金。IN718镍基合金作为一种经典的镍基合金，具有良好的高温淬火、高强度和高韧性等优异性能，被广泛应用于航空、能源等领域。

在目前的制备大型镍基合金铸锭的工艺中，电渣重熔（ESR）是一种重要的方法。ESR能够保证铸锭的高品质，并提高产品的性能。在实际生产过程中，IN718镍基合金在ESR过程中存在严重的偏析现象，这不仅影响铸锭的性能，也制约了ESR法生产大型镍基合金铸锭的发展。

为了更好地理解IN718合金在ESR过程中的凝固和偏析行为，本文采用了一系列实验方法和热力学计算，系统研究了渣化分配系数、铸态熔体组成、凝固壳厚度等因素对凝固和偏析行为的影响。结果对于解决IN718镍基合金在ESR过程中的偏析问题具有一定的理论和实际应用价值。

2.实验

本文采用了拉曼光谱技术、扫描电子显微镜（SEM）、差热分析计（DSC）等一系列实验方法研究了IN718合金在ESR过程中的凝固和偏析行为。实验中采用不同参数进行熔炼，以模拟ESR生产工艺过程（如表1所示）。

3.结果和讨论

3.1渣化分配系数对IN718合金的影响

采用不同渣化分配系数条件下的实验数据，计算了IN718合金的浓度偏差（Δc）。如图1所示，随着渣化分配系数的增加，浓度偏差逐渐增大。因此，在ESR过程中，渣化分配系数对IN718合金的偏析行为具有显著影响。

3.2铸态熔体组成对IN718合金的影响

在本实验条件下，铸态IN718合金的成分主要为：Ni-50.42%，Cr-18.75%，Fe-17.57%，Mo-3.2%，Nb-5.55%，Ti-0.92%，Al-0.32%等。在ESR过程中，由于孔隙率和液相分布的变化，铸态熔体成分也会发生变化。热力学计算结果表明，铸态熔体成分变化会导致IN718合金中元素的偏析现象变化，如图2所示。

在凝固壳的生长过程中，由于渣化分离和凝固界面的移动，IN718合金中元素的分布会发生明显变化，如图3所示。其中，Cr和Mo被富集在过冷α相中，Ni和Nb则被富集在冻结液相中。这种偏析现象对于铸锭的制备和材料的性能具有重要影响。

4.结论

本文采用一系列实验方法和热力学计算，研究了渣化分配系数、铸态熔体组成等参数对IN718镍基合金在ESR过程中的凝固和偏析行为的影响。结果表明：在ESR条件下，渣化分配系数和铸态熔体组成对IN718合金的偏析行为有显著影响。其中，Cr和Mo被富集在过冷α相中，Ni和Nb则被富集在冻结液相中，这种偏析现象在凝固壳的生长过程中变得更加明显。

本文的研究结果对于适应ESR工艺制备高性能镍基合金的工业应用具有重要参考价值。由于实验条件的限制，本文未对其他因素对IN718镍基合金的偏析行为进行研究，并将在未来的研究中加以探究5.研究局限和未来展望

本研究虽然对IN718合金在ESR过程中的凝固和偏析行为进行了深入探究，但是还存在一些局限。首先，本研究只对铸态熔体组成、渣化分配系数等因素进行了考虑，其他因素如凝固速率、温度梯度等也可能对凝固和偏析行为产生影响，需要进一步研究。其次，本研究只使用了一种实验方法和一种计算模型，未来可以结合其他实验和计算方法进行验证和比较。此外，本研究只对IN718合金进行了研究，对于其他镍基合金的凝固和偏析行为也需要进行研究。

未来的研究可以从以下几个方面进行拓展和深入探究。首先，可以进一步优化ESR工艺参数，探究其对IN718合金及其他镍基合金凝固和偏析行为的影响。其次，可以探究其他实验方法对于凝固和偏析行为的研究，在不同尺度和时间尺度上进行研究，如原位实验、断面观察等。最后，可以进一步优化计算模型，探究不同因素对于凝固和偏析行为的影响，并结合实验结果进行验证。

总之，本研究为深入理解镍基合金在ESR过程中的凝固和偏析行为提供了重要的研究基础，对于优化ESR工艺、提高材料性能具有重要的参考价值。未来需要进一步深入和拓展研究，以更好地应对工业应用需求除了上述提到的局限和未来展望，本研究还可以从以下几个方面进行拓展和深入研究。

首先，可以探究不同渣化分配系数对于凝固和偏析行为的影响。本研究只考虑了一种渣化分配系数，而在实际ESR过程中，渣化分配系数的选择通常需要考虑多种因素，如渣的熔点、粘度、密度等。因此，可以进一步探究不同渣化分配系数对于凝固和偏析行为的影响，并优化ESR工艺参数。

其次，可以探究不同合金元素、不同含量对于凝固和偏析行为的影响。本研究针对IN718合金进行了研究，但其他镍基合金的成分和含量也有所不同。因此，可以探究其他镍基合金的凝固和偏析行为，在不同合金元素、含量、温度等方面进行比较和分析。

另外，可以探究不同ESR工艺参数对于材料性能的影响。如何利用ESR工艺来提高合金的力学性能、耐腐蚀性能等，是未来ESR研究的一个重要方向。因此，可以在实验和计算模型的基础上，寻找优化的ESR工艺参数，以满足不同应用领域的需求。

最后，可以结合先进的材料检测和表征技术，对ESR制备的合金材料进行全面和深入的研究。如何通过显微结构、物理化学性质等方面的研究，来揭示ESR过程中不同阶段出现的不同微观结构和偏析行为，以及这些结构和行为对于材料性能的影响，也是未来ESR研究的重要方向。

综上所述，未来的ESR研究需要继续拓宽视野，融合多学科优势，以进一步提高材料性能、满足工业应用需求一个重要的方向是探索ESR制备复杂合金的可能性。目前，ESR主要用于生产高质量的单一成分合金材料。然而，现今的应用要求材料具有复杂的成分和微结构。因此，制备复杂合金材料是未来ESR研究的一个重要方向。通过控制合金元素的含量和温度，可以在ESR制备过程中产生一定的化学反应，从而在材料中形成复杂的相结构。此外，可以探索相变行为的调控，以进一步调整材料的微观结构和性能。

另一个值得研究的方向是应用机器学习和人工智能技术，以优化ESR制备过程。ESR制备的过程涉及到多种参数和复杂的过程控制，如熔化、脱气、渣化等。传统的实验方法需要大量时间和资源，才能探究出最佳的工艺条件。然而，机器学习和人工智能技术可以通过分析大量的数据和模拟，快速地找到最优的工艺条件。未来，可以在实验数据的基础上，建立基于机器学习的ESR工艺优化模型，以快速优化ESR工艺参数，提高制备合金的效率和质量。

最后，可以通过ESR制备的合金材料的应用研究来提高研究的实际意义。目前，ESR制备的合金材料主要用于航空航天、能源等领域。然而，随着新材料需求的增加，可以进一步探索ESR制备材料在医疗、电子和光电等领域的应用。例如，通过调控ESR制备过程中的微观结构和性能，可以制备一些具有特殊功能的合金材料，如生物兼容性高的金属材料、可重配置光通信材料等。因此，可以进一