航空发动机用超纯净K4169合金氧氮和非金属夹杂去除机理

With the need of independent research and development of China's aviation engine, the demand for nickel base superalloy is increasing obviously. The existence of oxygen, nitrogen and non-metallic inclusions in the alloy seriously restricts the process of purifying the superalloy. .The project plans to carry out fundamental research on the control of super high cleanliness for Ni-base super alloy K4169 which developed by our country independently. The experimental methods of thermodynamic analysis, high-temperature experiment and mathematical calculation can be adopted to study the influence of the composition of Ni-base super alloy and CO-N2 mixture on the removal law and mechanism of oxygen and nitrogen in liquid alloy during vacuum induction smelting process, to obtain the control condition facilitating the removal of oxygen and nitrogen. Then the the mechanism on the transmission of oxygen and nitrogen in the air-slag-metal system can be revealed by the investigation on their physical dissolution and chemical reaction. The formation of inclusion will be analyzed based on the physicochemical reaction on the interface between crucible and liquid Ni-base super alloy. Finally, the control method of inclusion removal during electro-slag remelting process can be mastered by the study on thermodynamics of slag absorbing inclusion which will provides theoretical support and scientific basis to realize the production of Ni-base super alloy with super high cleanliness.

随着我国航空发动机自主研发的需要，对镍基高温合金的需求明显增加。合金中的氧氮和非金属夹杂物的存在严重制约了高温合金超纯净化冶炼的进程。本课题针对K4169进高温合金行超纯净化控制基础研究，通过热力学分析、高温实验、数学计算等方法研究真空感应炉内镍基高温合金液成分、CO-N2气泡溶解对合金液中氧氮去除的影响规律和机理，掌握利于真空脱除氧氮的控制条件；研究电渣重熔过程中氧氮的物理溶解和化学渗透，揭示气-渣-金体系中氧氮传输机理；分析坩埚与镍基高温合金液的界面物理化学反应对夹杂物生成的影响，研究熔渣吸收夹杂物的热力学条件，掌握电渣重熔过程中夹杂物去除的控制方法，为实现镍基高温合金超纯净化控制提供理论支撑和科学依据。

随着我国航空发动机自主研发的需要，对镍基高温合金的需求明显增加。合金中的氧氮和 非金属夹杂物的存在严重制约了高温合金超纯净化冶炼的进程。本课题针对K4169进高温合金 行超纯净化控制基础研究，通过热力学分析、高温实验、数学计算等方法研究真空感应炉内镍 基高温合金液成分、CO-N2气泡溶解对合金液中氧氮去除的影响规律和机理，掌握利于真空脱 除氧氮的控制条件；研究电渣重熔过程中氧氮的物理溶解和化学渗透，揭示气-渣-金体系中氧 氮传输机理；分析坩埚与镍基高温合金液的界面物理化学反应对夹杂物生成的影响，研究熔渣 吸收夹杂物的热力学条件，掌握电渣重熔过程中夹杂物去除的控制方法，为实现镍基高温合金 超纯净化控制提供理论支撑和科学依据。.1）真空感应炉内镍基高温合金氧氮的去除规律.针对K4169镍基高温合金，考虑不同真空度和熔炼温度下，镍基体系碳氧反应和氮溶解吉布斯自由能变化，采用经典热力学计算方法，确定了合金中各元素对碳、氧和氮元素的相互作用系数，绘制碳氧平衡和氮溶解平衡曲线，寻找最佳脱氧、脱氮工艺条件，揭示了坩埚与镍基高温合金液的界面物理化学反应对坩埚供氧及夹杂物生成的影响机理。.2）电渣重熔过程气-渣-金体系中氧氮传输机理.针对电渣重熔过程渣相中气体元素的传输方式，探究了氧元素在高温熔渣中化学反应，揭示渣相成分对氧元素的传输机理。建立了适用于该合金体系的渣-金界面电渣重熔过程气-渣-金多项热力学、动力学反应模型和Al、Ti、稀土等活泼元素烧损模型；利用该模型系统计算了多元渣系中各组元活度，确定了合金Al、Ti、稀土等活泼元素烧损率和最终含量；通过理论计算探究烧损过程中渣系组成、渣池温度等工艺条件对合金元素烧损程度和烧损均匀性的作用规律，进一步揭示电渣重熔过程气体元素传输及对镍基高温合金成分的影响。.3）镍基合金体系中夹杂物的生成和去除.采用COMSOL Multiphsics软件建立VIM熔炼过程中电磁场、温度场、流场耦合物理模型，通过外接程序耦合脱气反应与气体扩散动力学，模拟不同温度、压力和搅拌条件下，熔池温度分布与气体脱除情况，从而优化冶炼工艺。采用Meltflow数值仿真软件，建立了夹杂物在渣金界面运动轨迹模型，结合工艺生产实际，验证模型准确性，模拟不同熔化速率下夹杂物的运动迹线图，掌握提高夹杂物抛杂效率的关键控制点。