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回收高温料镍钼合金中有害杂质的来源

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回收高温料镍钼合金中有害杂质的来源
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编辑时间 : 2021-01-26

回收高温料镍钼合金中有害杂质的来源


  1. VIM熔炼过程中杂质元素的来源


  能进入镍基高温合金的元素多达53种。除了基体镍和主要合金元素铁、铬、钨、钼、钴、铝、钛、铌、钽外,其余40种元素可称为微量元素。微量合金元素按其在合金中的作用大致可分为有害元素和有益元素。镍基高温合金材料中的有害杂质包括残余气体、非金属杂质和金属杂质等30多种元素,可能来自炉料、熔炼和制备过程中坩埚耐火材料污染、环境气体污染和使用过程中的环境。


  杂质元素氩在雾化过程中最有可能进入合金。莫里等人发现,因科镍合金600热交换管道材料在使用环境中渗透氢和氦。结果表明,表1中的磷在高温合金中具有双重作用:对于某些高温合金,特别是变形高温合金如In718,适量的磷可以提高合金的耐久性和蠕变性能;对于其他高温合金,尤其是铸造高温合金,磷对其机械性能有害。

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回收高温料镍钼合金


  2.炉料中有害杂质元素的来源


  炉料带来的有害杂质残留在镍基高温合金铸锭中,一般精炼技术难以去除。而且VIM在高真空度提纯时,也会带来坩埚耐火材料的氧转移问题。镍基高温合金真空感应熔炼的金属炉料由两部分组成:一部分是从矿石中提取的


  精炼金属及其合金;二是返料,主要包括切割头和切割尾以及冒口废料,以及已经超过使用寿命的废弃合金零件等。


  高温合金中有害杂质的质量分数很大程度上取决于合金成分和组成金属中有害杂质元素的质量分数。文献综述了镍基合金中合金元素的组成和作用。铬、钨、钼、钴主要起固溶体作用,也是碳化物形成元素,几乎所有广泛使用的镍基合金都含有10% ~ 20%的铬,铬也是在表面形成氧化腐蚀保护层的主要元素;镍基合金中广泛使用的钨钼质量分数一般为3% ~ 13%。英美镍基合金中钼的质量分数一般为10% ~ 20%,而俄罗斯部分镍基高温合金中钼的质量分数为5% ~ 10%。铝、钛、铌和钽是-Ni3(铝、钛、铌)和-Ni3nb的形成元素,它们是主要的沉淀强化相。有研究指出,当元素总量为8% ~ 10%时,合金具有最佳的高温强度;然而,当铝、钛、铌和钽的加入量高达16%时,铸造合金TRW- A仍表现出优异的高温性能。铁是许多镍基合金中的有害元素,其质量分数一般允许在4% ~ 8%。此外,添加硼(约0.01%)、锆(约0.1%)、锰(约0.1%)和铈(约0.1%)等微量元素,以控制和强化晶界,提高合金零件的抗蠕变性。近年来,高温合金的发展特点是增加了铝、钛、铌、钽等形成元素和难熔金属固溶体元素的质量分数。因此,合金原料的质量控制应严格控制母材和主要合金成分的金属原料的洁净度。高温合金生产中使用的金属原料无疑是从相关矿物中提取的。


  可以看出,镍、铁、钼、钴具有很强的硫亲和力,而铝、钛、铌、钽、铬、钨具有很强的氧亲和力。最有害的金属杂质,如铅、砷、锑、铋和硒,以及气态氢和氮,具有很强的硫亲和特性,而磷具有氧亲和/铁亲和特性。镍基高温合金主要由金属和有害杂质元素组成,由于化学亲和力相同,它们共存于矿物中。受金属原料的矿物组成、提取和精炼水平的限制,矿石中伴生的有害杂质元素不可避免地从原料带入合金中。而且在金属湿法原料提取过程中,会导致氢气、氧气、氮气等气体杂质增加;在火法冶炼过程中,还受到氧化剂和脱氧剂的纯净度、铸造气氛等因素的影响。


  为了解决镍基高温合金生产对昂贵金属原料需求的快速增长和原料资源短缺的问题,返料必须成为炉料的重要组成部分。铸造高温合金中合金元素的质量分数大多超过40%,其中有许多战略元素(镍、钴、铬、钨、钽和铪),都是非常昂贵的金属材料。目前,航空工业使用的高温合金有效利用率仅为10% ~ 15%,大部分补缩合金以头尾、流道、冒口、报废零件、切屑等返料形式存在,而我国返料利用率较低,往往退化浪费严重


  合金加工产生的废料是主要的,商业应用很少。在镍基高温合金生产贵金属资源稀缺的背景下,随着我国航天工业等领域对高温合金材料需求的快速增长,战略金属材料的供需矛盾日益突出,这使得高温合金返料净化回收技术成为资源再生技术领域最重要的技术需求。总的来说,废弃高温合金的利用率(国内约30%,国际先进水平70%以上)与工业净化回收技术水平存在显著差距。但是,在回收高温合金时要归还材料,比如航空发动机的废高温合金零件(比如涡轮盘、叶片等。),氧化燃烧产物和涂层材料中存在氧、硫、氮、铅、钠、氯、钇杂质的污染问题,回收高温料镍钼合金其中最关键的是氮浓度的增加。铸造合金加工产生的废料在铸造阶段受到氮、氧、氢的污染,一般集中在铸件表面。除了新材料和返料直接带来的有害杂质外,金属炉料还可能带来储存、运输和加工过程中的油脂、氧化皮等污染问题。


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