特大型GH4169铸锭真空自耗过程工艺优化及控制

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31854

材料工程与机械制造

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特大型GH4169铸锭真空自耗过程工艺优化及控制

李澍, 张亨年, 江河(), 姚志浩, 董建新

北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083

收稿日期:2025-02-10 修回日期:2025-03-10 接受日期:2025-05-23 出版日期:2025-06-10 发布日期:2025-06-06
通讯作者: 江河 E-mail:jianghe17@sina.cn
基金资助:
国家科技重大专项(2019-VI-0021-0137)

Process optimization and control of vacuum arc remelting for extra large-sized GH4169 ingot

Shu LI, Hengnian ZHANG, He JIANG(), Zhihao YAO, Jianxin DONG

School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China

Received:2025-02-10 Revised:2025-03-10 Accepted:2025-05-23 Online:2025-06-10 Published:2025-06-06
Contact: He JIANG E-mail:jianghe17@sina.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project of China(2019-VI-0021-0137)

摘要/Abstract

摘要：

为研究超大尺寸GH4169铸锭真空自耗熔炼工艺，避免冶金缺陷。基于经过大量工业验证的MeltFlow软件构建了∅1 000 mm大尺寸GH4169真空自耗过程工艺的优化方法，对真空自耗重熔过程中熔池形貌演变、元素的宏观分布特征、夹杂物的分布规律、凝固特征进行了研究，并探究了熔速、冷却方式、热封顶工艺对成斑概率、二次枝晶间距、元素分布、缩孔及元素宏观分布的影响。真空自耗重熔1 055 min后熔池逐渐趋于稳定，最大熔池深度、糊状区宽度分别为316、37 mm，熔池整体形貌呈“U”型特征。稳定熔炼期间，模拟的铸锭表面、中心的冷却速率分别为0.390、0.025 K/s。铸锭表面、心部的一次枝晶间距分别为205、512 μm，二次枝晶间距分别为60、174 μm。总体上Nb、Mo、Ti、Al元素在整个铸锭上均匀分布。针对∅1 000 mm 超大尺寸GH4169铸锭，熔速控制在3~8 kg/min范围，采用水冷或氦气冷却时，熔速、冷却速率增大会使二次枝晶间距减小，熔速、冷却条件的变化会影响瑞利数的分布，但瑞利数均小于1，产生黑斑的概率较小。在热封顶工艺中，快速降电流阶段、缓慢补缩阶段、低电流保温阶段3个阶段时间相同的热封顶工艺可以显著减小铸锭心部的二次枝晶间距并减轻铸锭心部的成斑概率。

关键词: GH4169, 真空自耗重熔, 熔池, 枝晶间距, 黑斑

Abstract:

To investigate the vacuum consumable remelting process of extra large-size GH4169 alloys and improve ingot quality， an optimization method for the vacuum consumable melting process of large-sized GH4169 ingots with a diameter of ∅1 000 mm was developed based on the MeltFlow software， which has been extensively validated in industrial applications. The study explored the evolution of melten pool morphology， solidification characteristics， inclusion distribution， and macro-element distribution during the remelting process. Additionally， the effects of melting rate， cooling condition， and hot topping process on segregation probability， Secondary Dendrite Arm Spacing （SDAS）， element distribution， shrinkage cavity formation， and macro-element distribution were analyzed. After 1 055 min of vacuum consumable remelting， the molten pool gradually stabilized， with a maximum depth and mushy zone width of 316 mm and 37 mm， respectively. The overall molten pool exhibited a “U” morphology. During stable remelting， the simulated cooling rates of the ingot surface and center were 0.390 K/s and 0.025 K/s， respectively. The primary dendrite arm spacings of the ingot surface and center were 205 μm and 512 μm， while the secondary dendrite arm spacings were 60 μm and 174 μm， respectively. Overall， elements such as Nb， Mo， Ti， and Al were evenly distributed throughout the ingot. For ∅1 000 mm large-scale GH4169 ingot， when the melting rate is controlled within the range of 3-8 kg/min and water cooling or helium cooling is employed， an increase in melting rate and cooling rate will reduce the secondary dendrite arm spacing. Variations in melting rate and cooling conditions may influence the morphology of Ra， but all Ra remain below 1， resulting in a relatively low probability of freckle formation. The SDAS decreased with increasing melting rate and cooling speed， while the segregation probability decreased with increasing melting rate and decreasing cooling rate. Among various hot topping processes， a process with equal durations of the rapid current reduction phase， slow feeding phase， and low-current insulation phase reduced the SDAS and segregation probability in the ingot center.

Key words: GH4169, vacuum consumable remelting, molten pool, dendrite arm spacing, freckle

中图分类号:

TF132

李澍, 张亨年, 江河, 姚志浩, 董建新. 特大型GH4169铸锭真空自耗过程工艺优化及控制[J]. 航空学报, 2026, 47(2): 431854.

Shu LI, Hengnian ZHANG, He JIANG, Zhihao YAO, Jianxin DONG. Process optimization and control of vacuum arc remelting for extra large-sized GH4169 ingot[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(2): 431854.

图/表 15

表1

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参考文献 32

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参数	数值
液相密度/（10³ kg·m^-3）	7.50
固相密度/（10³ kg·m^-3）	8.15
液相线/（10³ K）	1.62
固相线/（10³ K）	1.47
潜热/（10⁵ J·kg^-1）	2.10
电导率/［10⁶ A·（V·m）^-1］	7.60
热导率/［W·（m·K）^-1］	16.72~30.52 （673~1 773 K）
黏度/（mPa·s）	7.22~5.50 （673~1 773 K）

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Process optimization and control of vacuum arc remelting for extra large-sized GH4169 ingot

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