最近十多年，中國航空航天工業以外的高階裝備製造對鎳基合金材料需求量隨工業化水平的提高而迅猛增長。同時高階裝備製造對鎳基合金材料質量要求也越來越高。高純淨、均質化、長壽命服役成為鎳基合金材料發展的永恆主題。而且核能、電力、石化領域對鎳基合金材料製作超大尺寸部件的需求也持續增加，客觀上給提升鎳基合金材料的純淨度和均質化帶來困難。為此撫順特鋼開展了VOD爐、真空感應爐（VIM）、真空電弧爐（VAR）、惰性氣氛電渣爐（ESR）、快鍛機、徑鍛機等裝備技術改造及其工藝開發，以適應市場對高品質鎳基合金材料的需求。從而推動撫順特鋼的鎳基合金材料相繼進入國核心電裝備、煙氣輪機、工業燃氣輪機、油氣開採、煉油化工、交通運輸、環境保護、700℃超超臨界發電機組專案的選材和應用。鑑於鍛造鎳基合金棒坯質量決定著下游生產盤件、葉片、環鍛件、轉子、氣閥、無縫管產品的組織和效能，本文研究了改善鎳基合金材料純淨度和均質化的途徑。
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非宇航領域應用的鎳基合金材料
鎳基合金是以鎳（或加入部分鐵、鈷）元素為奧氏體基體，有選擇地新增鉻、鎢、鉬、鈮元素固溶強化，有選擇地新增鋁、鈦、鈮元素形成第二相沉澱強化，有選擇地新增硼、鈰、鑭、鎂、鋯等痕量元素淨化晶界的一類特種金屬材料。鎳基合金按成形方式分為變形合金和鑄造合金；按強化手段分為固溶強化合金和時效強化合金。在航空航天以外的高階裝備產業中（表1），鎳基合金使用環境通常分兩大類，一類用途是600℃以上高溫氧化工況下服役，另一類用途是600℃以下腐蝕介質中使用。
表1 撫順特鋼向非宇航領域供給的鎳基合金及其熔鍊工藝
高溫氧化工況下服役的零部件有工業燃氣輪機渦輪盤和葉片、汽輪機轉子、葉片和螺栓、煙氣輪機渦輪盤和葉片，還有內燃機車、柴油機的氣閥。這類用途的鎳基合金材料除抗氧化效能外，還要求具備較高的室溫或高溫拉伸強度和塑性，要求有長時持久壽命或較小蠕變伸長率，要求有良好抗疲勞效能。在化學成分確定的基礎上，鎳基合金的高溫機械效能取決於材料的純淨度和微觀組織的均勻性。
腐蝕介質中使用的零部件有蒸汽發生器傳熱管、油井管、油井鑽測護管、潛油泵軸、煉油化工裝置等。這類用途的鎳基合金除了一定的強度要求外，特別關注材料的耐腐蝕效能。在化學成分確定的基礎上，夾雜物和偏析相（如鎳基合金中σ相）的是損害鎳基合金在腐蝕介質中服役壽命的主要禍根。
撫順特鋼生產鎳基合金有六十多年曆史，先後生產過150多種鎳基合金，積累了鎳基合金的合金化、熔鍊、鍛造、軋製、熱處理、檢測技術方面豐富的工程經驗。針對不同領域應用的鎳基合金（表1），撫順特鋼供應的主要產品是鍛制棒坯。鎳基合金棒坯的生產工藝設計（圖1）較為複雜。首先根據其化學成分（表2）特點和效能要求選擇熔鍊工藝路線。然後根據訂貨的產品形狀和尺寸選擇熱加工裝置。
表2 典型鎳基合金材料名義成分
圖1 撫順特鋼生產鎳基合金棒坯的工藝路線
在鎳基合金棒坯及其製備工藝發展過程中，撫順特鋼運用其工程經驗推動科技創新，持續提升材料的純淨度和均質化水平，從而解決了多種鎳基合金的工藝效能、機械效能或耐蝕性問題。
案例Ⅰ
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核電蒸汽發生器傳熱管用690合金，最初真空感應爐熔鍊的母材，採用普通電渣爐重熔，其氫、氧、氮等氣體含量以及夾雜物均不能滿足技術規範要求。並且快鍛機+徑鍛機聯合生產的690合金棒材，存在條帶狀晶粒組織。超聲波檢測噪聲嚴重，底波損失超標準。改用惰性氣體保護的電渣爐重熔鑄錠，使用預熔渣，氣體含量合格，B類和D類夾雜物均在1。0級以內。快鍛機採用鐓粗+拔長的方式開坯，徑鍛機採用高頻率鍛造，獲得了均勻的晶粒組織，超聲波檢測合格。已經為卡拉奇核電站K2和K3機組等提供過4臺機組的蒸汽發生器傳熱管用690合金棒坯。這些工藝技術被推廣用於生產核反應堆控制棒驅動機構用690合金棒材，以及AP1400專案的爆破閥剪下帽用690合金棒坯。690合金棒坯本體350℃拉伸強度達到了570Mpa-580Mpa，屈服強度240Mpa-265Mpa，滿足了相應規範要求。
案例Ⅱ
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國內高酸性油氣田開採選用G3和028合金材料作油井管。最初採用非真空感應爐熔鍊G3合金母材，電渣爐重熔鑄錠，快鍛機開坯後，擠壓機生產荒管。雖然B類和D類夾雜物達到1。5級，但擠壓荒管出現多處斷續的分層缺陷。後來改用電弧爐或非真空感應爐+LF+VOD工藝熔鍊母材，特別是VOD爐吹氧去碳操作時，對VOD爐廢氣分析，防止氧氣過吹，避免過多脫氧劑加入形成大量夾雜物。電渣爐重熔應用自行設計的氬氣保護裝置，B類和D類夾雜物均不超過1。0級。採用真空感應爐+電渣爐工藝熔鍊G3合金，B類和D類夾雜物也控制在1。0級內。這些工藝技術也被推廣應用到028合金生產中。但是028合金純淨度提高後冷軋油井管強度難以滿足125Ksi鋼級的要求，還需要採用微合金化技術來提高強度。028合金棒坯中曾出現過大量σ相，後來採用擴散退火工藝消除了σ相。目前G3和028合金材料的油井管已經在國內普光、元壩、磨溪、塔河等油氣田區塊得到廣泛應用。
案例Ⅲ
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石油鑽探過程中需要測量地質訊息，測量裝置的護管選用718合金。718合金［7］除奧氏體基體外還含有γ′、γ“和δ相。另外718合金的鈮含量較高，容易形成NbC和NbN。最初採用VIM+ESR熔鍊的718合金。鑄錠經過擴散退火，快鍛機+徑鍛機熱加工，固溶+時效處理棒材，進行腐蝕介質中的慢應變速率拉伸（SSRT）試驗。由於晶界殘留的δ相和材料中的夾雜物導致拉伸時間、延伸率和斷面收縮率不能滿足技術規範要求。透過降低氮含量，減少夾雜物數量，縮小夾雜物尺寸，遏制晶界δ相析出，718合金材料通過了SSRT試驗。
案例Ⅳ
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汽輪機高壓轉子葉片材料選用R26合金，也有用80A（NiCr2cc0TiAl）合金，均採用VIM+ESR工藝熔鍊，鍛錘開坯後生產方扁型材。R26合金型材測定 566℃/740Mpa 應力和650℃/540Mpa應力的持久壽命。最初遇到的問題是，鋯含量不符合0。01%-0。10% 範圍，夾雜物1。5級，個別晶粒達到0級，粗細晶粒級差大。持久壽命達不到100小時。嘗試取消815℃時效處理，能提升持久壽命達標，但葉片室溫硬度會超出規範上限要求。透過改善鋯的微合金化技術，降低夾雜物數量並減小其尺寸，提升晶粒均勻性，按照標準的三段熱處理，持久壽命滿足了技術規範要求。80A（NiCr2cc0TiAl） 合金扁材也出現過粗細晶粒級差6級以上的組織，導致750℃/ 310Mpa 持久壽命達不到100小時要求。透過改善晶粒均勻性，80A合金扁材永續性能滿足了技術規範要求。汽輪機高強螺栓用的783合金棒材，採用VIM+VAR工藝熔鍊，鑄錠擴散退火，再經快鍛機+徑鍛機生產棒材。最初棒材微觀組織中β相分佈不均勻，β相呈現出大塊或長條狀的形貌（圖2）。783合金650℃/586Mpa應力的持久壽命雖然超過23小時，但達不到使用者期待的100小時壽命。根據783合金中β相的溶解析出規律，改進鍛造工藝消除了塊狀和長條狀的β相，持久壽命超過了100小時。
圖2 718合金在腐蝕介質中慢應變速率拉伸（SSRT）試樣斷口附近的表面夾雜物（左）及其引發的開裂（右）
圖3 783合金棒材中β相不均勻及其工藝改進後的效果
在撫順特鋼，微合金化技術、VOD爐精煉技術、VIM+VAR真空熔鍊技術、保護氣氛ESR熔鍊技術、VIM+ESR+VAR三重熔鍊技術、均勻化處理技術、快鍛機鐓拔技術、高頻徑鍛技術、兩相區鍛造都已經廣泛應用於鎳基合金生產工藝。為700℃超超臨界燃煤發電機組研發的GH750合金B類和D類夾雜物均控制在1。0級以內，獲得滿意的長時永續性能。另外C700R1合金採用VIM+ESR+VAR三重工藝熔鍊了Φ820mm鑄錠，用於製造700℃超超臨界機組的汽輪機高壓轉子。而F級燃氣輪機渦輪盤用GH706合金，採用VIM+ESR+VAR三重工藝熔鍊Φ920mm鑄錠，快鍛機生產出Φ750mm棒坯，最終鍛成了Φ2000mm盤鍛件。煉油化工用825合金採用IM+LF+VOD+ESR熔鍊Φ1235mm錠，快鍛機生產出Φ1300mm棒材。逐步積累起超大尺寸錠和棒坯的熔鍊和鍛造工藝經驗。
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改善純淨度
鎳基合金的純淨度，不僅指非金屬夾雜物數量、型別、形貌、尺寸及分佈等資訊，也包含材料雜質元素、殘餘元素和有害元素的含量等資訊。鎳基合金選擇不同的熔鍊裝置和工藝組合，其夾雜物、雜質元素、殘餘元素、有害元素的來源不同（表3）。鎳基合金的夾雜物數量、型別、形貌、尺寸及分佈都需要得到控制，而氣體和雜質元素是夾雜物形成的根源。殘餘元素是指材料成分範圍未包含的金屬元素，殘餘元素達到一定含量後在特定材料中的作用難以確定，因此也需要限定。有害元素不僅會導致材料熱加工塑性惡化，還促使中溫塑性大幅度降低，並損害材料的蠕變、持久、疲勞等效能，因此鎳基合金必須限定有害元素。
表3 鎳基合金材料純淨度的影響因素
改善鎳基合金純淨度首先要從原料和耐火材料入手。鎳基合金包含有多種元素，原料由相應元素的金屬料、鐵合金和返回料構成。返回料包括熔鍊工序產生的湯道、注餘、金屬電極餘尾，鍛造和軋製產品產生的切頭、邊角料，車削加工產生的屑料。同一種元素也可以有金屬料、鐵合金、中間合金多種選擇。選用原料種類和返回料要考慮所選的熔鍊工藝（表4）。在原料純淨度上，純金屬料好於鐵合金料。而不同方法生產的金屬料也存在純淨度的差異，羥基法生產的鎳珠顯著優於電解鎳；電解鉻優於鋁矽還原生產的金屬鉻；而鈮鎳合金或鈮鐵合金則好於金屬鈮。
表4 鎳基合金主元素配入爐料的選擇
其次要選擇適宜的熔鍊工藝。初級熔鍊方法中，VIM的氣體含量顯著低於IM+LF+VOD工藝。VIM能在一定程度上降低有害元素的含量；但VIM的脫硫能力比IM+LF+VOD工藝差。高純淨度的鎳基合金要選擇VIM工藝熔鍊。考慮Al2O3和TiN等夾雜物在VIM熔鍊條件下都不能分解，因此VIM所選用的金屬料或中間合金也需要高純淨度。VIM使用的返回料不能包含湯道、注餘、鑄錠的切頭；機加工的屑料需要進行分選和清洗後使用。VIM坩堝的修築和烘烤工藝需要特殊控制，以避免坩堝壁的耐火材料剝落。熔鍊溫度和攪拌也應避免熔池與坩堝的反應。VIM有溜槽和漏斗兩種澆注方式。無論溜槽或漏斗都需要選用抗沖刷的耐火材料，溜槽或漏斗的擋渣結構要促使合金流體在其中有較小的死區比例和較長的滯留時間。
IM+LF+VOD工藝不能用來熔鍊鋁和鈦含量較高的鎳基合金。鋁和鈦與氧的親和力比較大，易氧化燒損，難以準確控制鋁和鈦元素含量。IM+LF+VOD工藝使用的原料潔淨度可低於VIM用料，但不能使用有害元素超出相應材料規範的原料。無論那種熔鍊工藝都不能使用殘餘元素含量0。03%以上的原料。VOD需要控制用氧量以確保碳含量降低到內控水平後不再過吹，減少脫氧用鋁量，防止過多的脫氧產物汙染金屬熔池。澆注系統需要選擇抗沖刷的耐火材料。澆注過程要採用氬氣保護裝置防止合金流體吸氣。鎳基合金要避免採用電弧爐熔化爐料，以免貴重元素的過多燒損；鎳基合金也要避免不經鋼包精煉而採用非真空感應爐（IM）熔鍊後直接澆注金屬電極，鎳基合金中較高含量的鉻會在熔化期吸附氮。總而言之，鎳基合金要求初級熔鍊獲得高純淨度的母材。
再者要根據產品形狀和尺寸選擇錠型，並結合材料化學成分特點及技術要求選擇重熔工藝。從嚴格限定氣體含量和鑄錠整體鋁和鈦元素含量的均勻性考慮，要優先選用真空自耗電弧爐（VAR）熔鍊鎳基合金。真空自耗電弧爐可進一步脫除有害元素。另外真空自耗電弧爐熔鍊過程中鑄錠與結晶器之間沒有渣皮阻隔，充入氦氣可有效地改善冷卻條件，因此相同的材料選用真空自耗電弧爐熔鍊，錠型可比電渣爐（ESR）更大，而不至於產生黑斑（freckles）等宏觀偏析。當然真空自耗電弧爐也存在短板，如果金屬電極的縮孔嚴重，而且金屬電極的純淨度差，受電極縮孔、結晶器內壁的錠冠、熔池邊緣格架掉落熔池（圖4）的影響，容易產生髒白斑（white spots）缺陷。對高溫長時服役的材料，選用VIM+ESR+VAR三重熔鍊工藝來消除金屬電極縮孔。即使三重熔鍊工藝也只能降低50%產生髒白斑的風險，因此提升金屬電極（母材）的純淨度變得尤為重要。
圖4 VAR工藝中髒白斑形成機制示意圖
熔鍊鎳基合金的電渣爐採用恆熔速控制，並帶有惰性氣氛保護功能。選擇預熔渣以避免渣料帶入的變價氧化物或氣體。
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改善均質化
鎳基合金材料的均質化，包含材料化學成分的均勻性、晶粒尺寸的均勻性以及第二相分佈的均勻性，從而使材料各部位及各方向的力學效能水平相同。鎳基合金材料的成分、晶粒組織、第二相分佈和效能的均勻性受到熔鍊和熱加工過程多種因素（表4）影響。
表4 鎳基合金材料均質化的影響因素
本質上說，易偏析是鎳基合金的特色。鎳基合金含有多種元素，並且合金元素總量較高，無論VAR和ESR哪種重熔工藝，鑄錠凝固過程中不可避免存在選分結晶，枝晶間和枝晶乾的元素含量存在顯著差異。但這只是圍觀區域的成分偏析，微觀偏析可以透過鑄錠均勻化處理（即擴散退火）來消除。但棒材低倍上的黑斑、白斑、年輪狀偏析屬於宏觀偏析，這類偏析與VAR或ESR工藝的熔速和金屬熔池凝固的冷卻條件有關。金屬電極熔化速率快，結晶器冷卻條件差，金屬熔池深，熔池底部的糊狀區加寬，就會導致宏觀偏析。宏觀偏析不能依靠鑄錠的均勻化處理來消除。只能選用恰當的錠型，選擇合理的熔速，改善冷卻條件來規避風險。
鎳基合金材料晶粒不均勻，有多種原因。一種原因是熔鍊工藝造成的碳化物分佈不均勻，這也是鎳基合金凝固過程中選分結晶的後果。碳化物對晶界的釘扎作用，促使碳化物分佈密集區域的晶粒尺寸與其它區域有顯著差異。這種碳化物分佈不均可以採用擴散退火來消除。但是擴散退火工藝不當，碳化物過多地溶入基體，也會給後續熱加工帶來災難性破壞。另一種原因是熱加工過程中沒有發生完全動態再結晶。材料在鍛造或軋製過程中未完全動態再結晶，其微觀組織可能是異常粗大晶粒，也可能是由細小的晶粒所包圍的異常粗大晶粒，後者大晶粒沿金屬流動方向呈現出扁長形貌。未完成動態再結晶的晶粒不能100%依靠後續熱處理來細化，細化未完成動態再結晶晶粒的溫度遠高於鎳基合金的給定的固溶溫度。並且細化後的晶粒尺寸會超出技術規範要求。鎳基合金在熱加工過程中動態再結晶需要兩個條件，足夠高的溫度和足夠高的應變速率。就鎳基合金再結晶條件而言，徑鍛機好於快鍛機，快鍛機好於電液錘。
無論哪種鎳基合金都存在第二相。鎳基合金的第二相包括MC、M6C、M7C3、M23C6等型別的碳化物，有Laves相、σ相、δ相、β相、γ′相等金屬間化合物。這些第二相在鎳基合金中析出和分佈是有顯著差異的。鎳基合金中第二相有各自的溶解和析出規律。要獲得理想的第二相析出數量、形貌和分佈區域，必須根據第二相溶解析出規律及其在材料中的作用和材料用途，確定錠坯加熱溫度和變形溫度範圍。
鎳基合金的熔鍊錠型相對偏小，單向拔長變形的鍛比較小，容易導致縱橫兩向性能差異大，而且由於組織不均勻導致超聲波檢測噪聲嚴重。這就需要採用多次鐓粗+拔長的變形方式來消除各向異性。鎳基合金錠坯的多次鐓拔變形通常只能在快鍛機上實現。自由鍛液壓機只適合墩粗，不能滿足鎳基合金錠坯拔長的動態再結晶條件。
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結論
1） 提升鎳基合金純淨度的主要途徑：優選純淨爐料和返回料；優選真空熔鍊工藝；限定鋼包精煉工藝用氧量和脫氧劑，防止澆注系統耐火材料汙染；ESR選用惰性氣氛保護。
2） 提升鎳基合金均質化水平的主要途徑：優選VAR和ESR錠型和熔速，降低鑄錠偏析程度；根據第二相溶解析出規律來確定加熱和熱加工變形溫度範圍。鑄錠首選快鍛機多次鐓拔增大鍛比；選擇徑鍛機的快速應變來實現材料動態再結晶。