IN718镍基高温合金熔体脱氮和TiN析出热力学研究

罗小雨; 郭靖; 郭汉杰; 李泽友

doi:10.20057/j.1003-8620.2023-00113

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IN718镍基高温合金熔体脱氮和TiN析出热力学研究

冶炼与凝固 | 更新时间：2025-05-09

- IN718镍基高温合金熔体脱氮和TiN析出热力学研究
- Thermodynamic Study on Denitrification and TiN Precipitation in IN718 Nickel Base Superalloy Melt
- 特殊钢 2024年45卷第1期页码：33-41
- 作者机构：
  
  1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083
  2.高端金属材料特殊熔融与制备北京市重点实验室，北京 100083
  3.大冶特殊钢有限公司，黄石 435001
- 作者简介：
  
  罗小雨（1999年—），男，硕士；E-mail：2641556147@qq.com
  郭靖（1986年—），男，博士，副教授；E-mail：guojing@ustb.edu.cn；
- 基金信息：
  
  钒钛磁铁矿多联炉短流程新工艺(2021YFG0114;2021-2023);隧道掘进机滚刀刀圈研发与智慧掘进关键技术(2021CXGC010209;2021-2023)
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2023-00113
  中图分类号： TF701
- 收稿：2023-06-06，
  
  纸质出版：2024-01-30
- 稿件说明：
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罗小雨,郭靖,郭汉杰等.IN718镍基高温合金熔体脱氮和TiN析出热力学研究[J].特殊钢,2024,45(01):33-41.

Luo Xiaoyu,Guo Jing,Guo HanJie,et al.Thermodynamic Study on Denitrification and TiN Precipitation in IN718 Nickel Base Superalloy Melt[J].Special Steel,2024,45(01):33-41.
罗小雨,郭靖,郭汉杰等.IN718镍基高温合金熔体脱氮和TiN析出热力学研究[J].特殊钢,2024,45(01):33-41. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2023-00113.

Luo Xiaoyu,Guo Jing,Guo HanJie,et al.Thermodynamic Study on Denitrification and TiN Precipitation in IN718 Nickel Base Superalloy Melt[J].Special Steel,2024,45(01):33-41. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2023-00113.

摘要

低氮含量可控制TiN夹杂物生成，从而提高镍基高温合金冶金质量和综合性能。通过比较镍基和铁基金属液中标准吉布斯自由能和合金元素对N、Ti活度相互作用系数的差别，指出镍基和铁基中两套不同的热力学数据，二者不能混用。以目前已有的镍基高温合金的热力学参数建立了IN718合金脱氮热力学模型，得出在满足其他冶炼条件的前提下，适当降低温度和提高真空度以降低氮气分压是降低合金液中氮含量的直接手段，以及不同合金元素加入对脱氮的不同影响。同时，建立TiN析出的热力学模型以及偏析模型，计算结果得出，在IN718的生产温度1 450 ℃条件下，控制合金液中的

［N］在43.69×10

-6

以下，凝固过程中溶质元素N、Ti在液相中富集TiN析出，计算析出温度为1 468 K，此时固相分率

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为0.829。若要控制固相分率

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分别在90％或95％以上才会析出TiN夹杂物，

［N］需分别控制在25.00×10

-6

和15.00×10

-6

以下。

Abstract

Low nitrogen content can control the formation of TiN inclusions， thereby improving the metallurgical quality and comprehensive performance of nickel based high-temperature alloys. This article first compared the differences between the standard Gibbs free energy and the interaction coefficient of alloy elements with N， Ti activity in nickel based and iron based metal liquids， it pointed out that two different sets of thermodynamic data from nickel based and iron based metal liquids cannot be mixed.The thermodynamic model for nitrogen removal of IN718 alloy was established based on the existing thermodynamic parameters of nickel based alloys. It was found that reducing temperature and increasing vacuum degree to reduce nitrogen partial pressure while meeting other smelting conditions are the direct means to reduce nitrogen content in the alloy liquid. The addition of different alloying elements has different effects on nitrogen removal. At the same time， the thermodynamic model and segregation model for TiN precipitation were established， and the calculation results showed that under the production temperature of IN718 at 1 450 ℃， the ［N］ content in the alloy liquid was controlled below 43.69×10

-6

， the solute elements N and Ti are enriched and precipitated in the liquid phase during solidification. The calculated precipitation temperature is 1 468 K， and the solid fraction

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is 0.829. If we want to control the solid phase fraction

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to be above 90% or 95% respectively for precipitating TiN inclusions，［N］ needs to be controlled below 25.00×10

-6

and 15.00×10

-6

respectively.

关键词

Keywords

references

李　瑶 . IN718镍基合金超声辅助电火花加工研究［D］. 淄博：山东理工大学， 2020 .

丁兆奇 . Incolocy 825镍基合金热变形行为和热加工性研究［D］. 太原：太原科技大学， 2020 .

李　莎，赵振铎，王贵平 . N08800铁镍基合金热变形行为及组织演变［J］. 特殊钢， 2021 ， 42 （ 5 ）： 16 - 20 .

李　烁，闫　森，金奎文，等 . 碳含量及热加工变形量对镍基合金GH3625组织和性能的影响［J］. 特殊钢， 2022 ， 43 （ 2 ）： 75 - 78 .

李　晴，李成龙，钟裕国，等 . 固溶温度对UNS N07718合金组织及冲击性能的影响［J］. 特殊钢， 2023 ， 44 （ 1 ）： 78 - 82 .

吴艳阳，程世长，刘正东，等 . 固溶温度对改型Inconel 718合金组织和性能的影响［J］. 特殊钢， 2007 ， 28 （ 3 ）： 19 - 21 .

郭建亭 . 高温合金材料学-上册-应用基础理论［M］. 北京：科学出版社， 2008 .

Chen X C ， Shi C B ， Guo H J ， et al . Investigation of oxide inclusions and primary carbonitrides in inconel 718 superalloy refined through electroslag remelting process ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2012 ， 43 （ 6 ）： 1596 - 1607 .

Jiang R ， Ji D W ， Shi H C ， et al . Effects of thermal exposure on high-cycle-fatigue behaviours in Ni-based superalloy GH4169 ［J］. Materials Science and Technology ， 2019 ， 35 （ 10 ）： 1265 - 1274 .

王振东 . 感应炉冶炼工艺技术［M］. 北京：机械工业出版社， 2012 .

Wada H ， Pehlke R D . Nitrogen solution and titanium nitride precipitation in liquid Fe-Cr-Ni alloys ［J］. Metallurgical Transactions B ， 1977 ， 8 （ 2 ）： 443 - 450 .

Gao S Y ， Wang M ， Xie X Y ， et al . Behavior of nitrogen in GH4169 superalloy melt during vacuum induction melting using returned materials ［J］. Metals ， 2021 ， 11 （ 7 ）： 1119 .

Amano K ， Ito K ， Sakao H . On the rates of nitrogen absorption and desorption in liquid iron ［J］. Tetsu-to-Hagane ， 1976 ， 62 （ 9 ）： 1179 - 1188 .

王　旻，张　龙，杨亚倩，等 . 高Cr镍基合金脱氮反应热力学与动力学研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2020 ， 49 （ 11 ）： 3803 - 3808 .

李清华，牛建平 . 镍基高温合金真空感应熔炼脱氮的研究［J］. 真空， 2003 ， 40 （ 2 ）： 45 - 47 .

于文馨，牛建平 . 镍基高温合金的真空感应熔炼脱氧和脱氮［J］. 新技术新工艺， 2002 （ 3 ）： 32 - 33 .

Zhu J J ， Jiang L ， Zhai L H ， et al . Effect of TiN inclusions on oxidation behavior of austenitic stainless steels ［J］. Materials Letters ， 2023 ， 335 .

Wang L ， Xue Z L ， Zhu H Y ， et al . Thermodynamic analysis of precipitation behavior of Ti-bearing inclusions in SWRH 92 A tire cord steel ［J］. Results in Physics ， 2019 ， 14 ： 102428 .

Descotes V ， Quatravaux T ， Bellot J P ， et al . Titanium nitride （TiN） germination and growth during vacuum arc remelting of a maraging steel ［J］. Metals ， 2020 ， 10 （ 4 ）： 541 .

Qu T P ， Wang D Y ， Wang H H ， et al . Interface characteristics between TiN and matrix and their effect on solidification structure ［J］. Journal of Iron and Steel Research International ， 2021 ， 28 （ 9 ）： 1149 - 1158 .

Wang J ， Wang L Z ， Li J Q ， et al . Effects of aluminum and titanium additions on the formation of nonmetallic inclusions in nickel-based superalloys ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2022 ， 906 ： 164281 .

Kowanda C ， Speidel M O . Solubility of nitrogen in liquid nickel and binary Ni-X i alloys （X i =Cr， Mo， W， Mn， Fe， Co） under elevated pressure ［J］. Scripta Materialia ， 2003 ， 48 （ 8 ）： 1073 - 1078 .

Li X Z ， Li H B ， Feng H ， et al . Nitrogen solubility in molten Ni， Ni-Cr， Ni-Mo， and Ni-Cr-Mo alloys under pressurized atmosphere ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2023 ， 54 （ 1 ）： 203 - 212 .

HINO M ， ITO K . Thermodynamic data for steelmaking ［M］. Tohoku University Press ， 2010 .

KIM C K ， MCLEAN A ， ISHII F ， et al . Thermodynamic of nitrogen dissolution in liquid nickel alloys ［J］. ISS Trans ， 1987 ， 8 ： 29 - 35 .

Abdulrahman R F ， Hendry A . Solubility of nitrogen in liquid nickel-based alloys ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2001 ， 32 （ 6 ）： 1103 - 1112 .

Wada H ， Pehlke R . Solubility of nitrogen in liquid Fe-Cr-Ni alloys containing manganese and molybdenum ［J］. Metallurgical Transactions B ， 1977 ， 8 ： 675 - 682 .

Herrera-Trejo M ， Ablitzer D . Dissolution of nitrogen in liquid Ni-Cr superalloys ［J］. Canadian Metallurgical Quarterly ， 1997 ， 36 （ 5 ）： 341 - 345 .

Shahapurkar D S ， Small W M . Nitrogen solubility in complex liquid Fe-Cr-Ni alloys ［J］. Metallurgical Transactions B ， 1987 ， 18 （ 1 ）： 225 - 230 .

Ozturk B ， Matway R ， Fruehan R J . Thermodynamics of inclusion formation in Fe-Cr-Ti-N alloys ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 1995 ， 26 （ 3 ）： 563 - 567 .

Qian K ， Chen B ， Zhao P X ， et al . Solubility of nitrogen in liquid Ni， Ni–Nb， Ni–Cr–Nb， Ni–Fe–Nb， and Ni–Cr–Fe–Nb systems ［J］. ISIJ International ， 2019 ， 59 （ 12 ）： 2220 - 2227 .

郭汉杰 . 冶金物理化学［M］. 北京：高等教育出版社， 2021 ： 555 .

苏）阿维林（В .В. Аверин）等著，余新昌等译. 金属中的氮［M］. 北京：冶金工业出版社， 1981 ： 223 .

Sigworth G K ， Elliott J F . The thermodynamics of liquid dilute iron alloys ［J］. Metal Science ， 1974 ， 8 （ 1 ）： 298 - 310 .

Sigworth G K ， Elliott J F ， Vaughn G ， et al . The thermodynamics of dilute liquid nickel alloys ［J］. Canadian Metallurgical Quarterly ， 1977 ， 16 （ 1 ）： 104 - 110 .

BLOSSEY R G ， PEHLKE R D . The solubility of nitrogen in liquid Fe-Ni-Co alloys ［J］. AIME MET SOC TRANS ， 1966 ， 236 （ 4 ）： 566 - 569 .

CHERKASOV P A ， AVERIN V V ， SAMARIN A M . The Deoxidizing Capacity and Activity of Titanium in Nickel Alloys Containing Chromium ［J］. IZV AKAD NAUK SSSR METALLY ， 1967 （ 1 ）： 49 - 55 .

Wada H ， Pehlke R D . Nitrogen solution and titanium nitride precipitation in liquid Fe-Cr-Ni alloys ［J］. Metallurgical Transactions B ， 1977 ， 8 （ 2 ）： 443 - 450 .

Dashevskii V ， Aleksandrov A ， Kanevskii A ， et al . Deoxidation equilibria of manganese， silicon， and aluminum in iron-nickel-chromium melts ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2016 ， 47 （ 3 ）： 1839 - 1850 .

STEELMAKING J . Steelmaking data sourcebook ［Z］. Gordon and Breach Science Publishers， Montreux ， 1988 .

Guo Y C ， Wang C Z . Interaction coefficients in Fe-C-Ti-i （i = Si， Cr， AI， Ni） systems ［J］. Metallurgical Transactions B ， 1990 ， 21 （ 3 ）： 543 - 547 .

Yoshikawa T ， Morita K . Influence of alloying elements on the thermodynamic properties of titanium in molten steel ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2007 ， 38 （ 4 ）： 671 - 680 .

Janke D ， Fischer W A . Das lösungsverhalten des sauerstoffs in nickelbasisschmelzen ［J］. Archiv Für Das Eisenhüttenwesen ， 1975 ， 46 （ 5 ）： 297 - 302 .

Venal W V ， Geiger G H . The thermodynamic behavior of sulfur in molten nickel and nickel-base alloys ［J］. Metallurgical Transactions ， 1973 ， 4 （ 11 ）： 2567 - 2573 .

Zhang J ， Han L H ， Yan B J . Reassessment of aluminium-oxygen equilibrium in high Al molten steel during aluminium deoxidation process at 1873 K ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2022 ， 53 （ 4 ）： 2512 - 2522 .

Kang Y ， Thunman M ， Sichen D ， et al . Aluminum deoxidation equilibrium of molten iron–aluminum alloy with wide aluminum composition range at 1 873 K ［J］. ISIJ International ， 2009 ， 49 ： 1483 - 1489 .

Do K H ， Jang J M ， Son H S ， et al . Effect of silicon on TiN formation in liquid iron ［J］. ISIJ International ， 2018 ， 58 （ 8 ）： 1437 - 1442 .

潜　坤 . 镍基合金中氧和氮的冶金热力学与动力学研究［D］. 合肥：中国科学技术大学， 2021 .

陈家祥 . 炼钢常用图表数据手册［M］. 2版 . 北京：冶金工业出版社， 2010 .

黄希祜 . 钢铁冶金原理［M］. 北京：冶金工业出版社， 1981 .

柳百成主审胡汉起主编沈宁福姚山王自东参编 . 金属凝固原理第2版［M］. 北京：机械工业出版社， 2012 .

闵志先，沈　军，冯周荣，等 . 定向凝固DZ125合金的溶质分配系数及偏析行为的研究［J］. 金属学报， 2010 ， 46 （ 12 ）： 1543 - 1548 .

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