CN101225485A

CN101225485A - 液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法

Info

Publication number: CN101225485A
Application number: CNA2008100639240A
Authority: CN
Inventors: 苏彦庆; 王亮; 郭景杰; 吴士平; 丁宏升; 傅恒志
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2008-07-23

Abstract

液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，它涉及一种在熔铸Ti6Al4V合金锭过程中置氢方法。本发明解决了钛合金的固态置氢技术只适用于薄壁构件，不能对大体积的铸锭进行置氢的问题。本发明的方法如下：将Ti6Al4V合金或Ti6Al4V合金原料放入熔炼室中，然后将熔炼室抽真空；然后通入氩气将熔炼室外的气路系统中的空气排空；尔后通过气路系统向熔炼室内按一定比例充入氩气和氢气，在熔炼电流为80～150A条件下置氢熔炼得到液态置氢Ti6Al4V合金。本发明中液态置氢后的Ti6Al4V合金的显微组织得到细化，热加工性能得到改善。本发明的方法从根本上解决了固态置氢难于应用在较大铸锭置氢上的问题，本发明的方法可以较为准确地控制加入合金中的氢的含量，并且可以应用于大量、连续生产，具有现实意义。

Description

液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法

技术领域

本发明涉及一种在熔铸Ti6Al4V合金锭过程中置氢方法。

背景技术

钛基合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好和热强度高的特点，是航空航天飞行器较为理想的结构材料，应用十分广泛。但是它在加工过程中存在一些缺点：钛合金室温塑性低，变形极限低，变形抗力大，冷成形容易开裂；钛合金的热变形温度高，流动应力大，高温下原子扩散能力低，应变速率低等。为了解决这样的问题，近年来出现了钛合金的固态置氢技术，用以提高合金的加工性能，有研究表明：钛合金中加入适量的氢不仅可以显著改善轧制、锻造、热压和超塑性等热塑性加工性能，使其屈服强度降低约15％～35％，变形温度降低约50～150℃，而且可以提高冷塑性变形的变形极限。所谓的固态置氢，即在低于熔化温度的条件下，在纯氢或者氢气与氩气混和的气氛下对合金进行加热，使氢元素向合金内部扩散，扩散到合金内的氢细化了合金的组织，改善了加工性能。但是固态置氢过程需要的时间比较长，往往存在着“吸氢”→“除氢”→“吸氢”→“除氢”这样的反复的过程，因此固态置氢效率低；并且固态置氢只适用于薄壁构件，很难对大体积的铸锭进行置氢。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前钛合金的固态置氢技术只适用于薄壁构件，不能对大体积的铸锭进行置氢的问题，而提供一种液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法。本发明在氢气和氩气的混和气氛下，在熔炼过程中使Ti6Al4V合金在液态的状态下吸入氢元素，在合金凝固的过程中，一定含量的氢就存在于合金中，即实现液态置氢。

本发明的液态置氢熔炼Ti6Al4V合金方法是由下述步骤实现的：将Ti6Al4V合金或Ti6Al4V合金原料放入熔炼室内的水冷铜坩埚中，然后将熔炼室抽真空至真空度为5.0×10^-3Pa～7.0×10^-3Pa；然后通入纯度为99.999％的氩气将熔炼室外的气路系统中的空气排空；尔后通过气路系统向熔炼室内充入一定量的氩气，再通入一定量的氢气，具体操作时氢气与氩气的比例可以控制，置氢熔炼2min～4min得到液态置氢Ti6Al4V合金；置氢熔炼过程中钛合金中加入氢的质量由下述公式计算得出：

Δ P_{H_{2}} = P_{H_{2}}^{*} - P_{H_{2}} = P \times a % - \frac{P_{Ar} \times b %}{1 - b %} = P \times a % - \frac{P (1 - a %) b %}{1 - b %} - - - I

M = (V / 22.4) (\frac{Δ P_{H_{2}} \times 10^{3}}{1.01 \times 10^{5}}) - - - II

m_氢气＝2M III

式I-III中，P为气体的总压，P的单位为Pa，a％为熔炼前的氢气百分含量、b％为熔炼后的氢气百分含量；P_H2 ^*为熔炼前的氢气分压，P_H2 ^*的单位为Pa；P_Ar为氩气的分压，P_Ar的单位为Pa；P_H2为熔炼后的氢气分压，P_H2的单位为Pa；M为合金吸收的氢气的摩尔数，M的单位为mol，V为熔炼室容积，V的单位为L；m_氢气为铸锭中的氢气质量，m_氢气的单位为g。

一般将钛合金的加工过程大体上分为以下的几个阶段：“原材料准备”→“熔炼”→“成锭”→“开坯”→“轧制”→“热加工”→“成品”，对于整个加工过程而言，液态置氢进行于“熔炼”这一阶段，熔炼后得到的铸锭中就含有了氢元素，合金的铸态组织得到了细化，在后面的步骤中合金的加工性能得到改善，降低了加工难度。而固态置氢的方法往往是作用于轧制后得到的母材，之后对含氢的合金进行热加工，最后得到成品。两者对比可以发现，在整个加工过程中，液态置氢的方法处于的位置在固态置氢之前，氢元素更早地在合金中产生作用，也就是说，液态置氢的方法在熔炼后得到的铸锭的开坯，轧制中都起到了降低加工难度的作用，这一作用是固态置氢难以达到的。而且液态置氢的效率要高于固态置氢的方法。

本发明的方法从根本上解决了固态置氢难于应用在较大铸锭置氢上的问题，本发明的方法可以较为准确的控制加入合金中的氢的含量，并且可以应用于大量、连续生产，具有现实意义。

附图说明

图1是未加氢Ti6Al4V合金的铸态微观组织照片。图2是氢含量为1.2756×10^-2％(质量)Ti6Al4V合金的铸态微观组织照片。图3是氢含量为5.3052×10^-2％(质量)Ti6Al4V合金的铸态微观组织照片。图4是氢含量为1.2445×10^-1％(质量)Ti6Al4V合金的铸态微观组织照片。图5是不同氢含量的Ti6Al4V合金的真应力-真应变曲线图：图中曲线A为未置氢的Ti6Al4V合金试样进行热压缩实验得到的数据绘制的曲线，曲线B为氢含量为1.2756×10^-2％(质量)的Ti6Al4V合金进行热压缩实验得到的数据绘制的曲线，曲线C为氢含量为5.3052×10^-2％(质量)的Ti6Al4V合金进行热压缩实验得到的数据绘制的曲线，曲线D为氢含量为1.2445×10^-1％(质量)的Ti6Al4V合金进行热压缩实验得到的数据绘制的曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法是由下述步骤实现的：将Ti6Al4V合金或Ti6Al4V合金原料放入熔炼室内的水冷铜坩埚中，然后将熔炼室抽真空至真空度为5.0×10^-3Pa～7.0×10^-3Pa；然后通入纯度为99.999％的氩气将熔炼室外的气路系统中的空气排空；尔后通过气路系统向熔炼室内充入一定量的氩气，再通入一定量的氢气，具体操作时氢气与氩气的比例可以控制，置氢熔炼2min～4min得到液态置氢Ti6Al4V合金；置氢熔炼过程中钛合金中加入氢的质量由下述公式计算得出：

Δ P_{H_{2}} = P_{H_{2}}^{*} - P_{H_{2}} = P \times a % - \frac{P_{Ar} \times b %}{1 - b %} = P \times a % - \frac{P (1 - a %) b %}{1 - b %} - - - I

M = (V / 22.4) (\frac{Δ P_{H_{2}} \times 10^{3}}{1.01 \times 10^{5}}) - - - II

m_氢气＝2M III

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在熔炼过程中保持电流为80～150A。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是在熔炼过程中保持电流为90～120A。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是在熔炼过程中保持电流为100A。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是将熔炼室抽真空至真空度为6.0×10^-3Pa。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是液态置氢前熔炼室的总气压为0.5～1.1×10⁵Pa。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是液态置氢前熔炼室内氢气的含量在0＜a％≤50％范围内。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：原料为Ti6Al4V合金，液态置氢熔炼Ti6Al4V合金在真空非自耗电弧炉中进行，真空非自耗电弧炉中的真空度为6.0×10^-3Pa，熔炼室中气体的总压力为0.05MPa，在置氢熔炼过程中保持电流为100A，置氢熔炼时间为4分钟。其它与具体实施方式一相同。

表1：原料加入量及铸锭中氢含量

原料Ti6Al4V合金质量(g)	氢气％(原子)	铸锭中氢含量％(质量)
原料Ti6Al4V合金质量(g)	氢气％(原子)	铸锭中氢含量％(质量)	21.04918	5.4	1.2756×10^-2
22.07213	10.6	5.3052×10^-2	21.04918	5.4	1.2756×10^-2
22.07213	10.6	5.3052×10^-2	21.69181	45.2	1.2445×10^-1

结合图1-图4进行分析，可见Ti6Al4V合金的微观组织随氢的含量增加而逐渐细化。

图5是利用Gleeble热模拟机进行热压缩实验得到的曲线，热变形参数如下：加热速度为6.67℃s^-1，加热到温度800℃，保温30s；实验中确定应变速率为0.01s^-1，试样总长度为10.5mm，变形量为7mm，即变形率为66.7％，由应变速率和变形率得到变形时间为66.7s。由图5可以看出氢的加入可以改善合金的热塑性，熔炼室中氢气含量在25％到45％这一范围内，液态置氢后合金的屈服强度先是降低，然后以增加，并且在氢气含量为35.0％出现了一个最小值，因此可以得出结论，在氢气含量为35.0％左右的一个小范围内，液态置氢后的合金的屈服强度最小。

Claims

1.一种液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，其特征在于液态置氢熔炼Ti6Al4V合金方法的步骤如下：将Ti6Al4V合金或Ti6Al4V合金原料放入熔炼室内的水冷铜坩埚中，然后将熔炼室抽真空至真空度为5.0×10^-3Pa～7.0×10^-3Pa；然后通入纯度为99.999％的氩气将熔炼室外的气路系统中的空气排空；尔后通过气路系统向熔炼室内充入一定量的氩气，再通入一定量的氢气，具体操作时氢气与氩气的比例可以控制，置氢熔炼2min～4min得到液态置氢Ti6Al4V合金；置氢熔炼过程中钛合金中加入氢的质量由下述公式计算得出：

Δ P_{H_{2}} = P_{H_{2}}^{*} - P_{H_{2}} = P \times a % - \frac{P_{Ar} \times b %}{1 - b %} = P \times a % - \frac{P (1 - a %) b %}{1 - b %} - - - IΙ

M = (V / 22.4) (\frac{Δ P_{H_{2}} \times 10^{3}}{1.01 \times 10^{5}}) - - - II

m_氢气＝2M III

2.根据权利要求1所述的液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，其特征在于在熔炼过程中电流为80～150A。

3.根据权利要求1所述的液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，其特征在于在熔炼过程中电流为90～120A。

4.根据权利要求1所述的液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，其特征在于在熔炼过程中电流为100A。

5.根据权利要求1所述的液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，其特征在于将熔炼室抽真空至真空度为6.0×10^-3Pa。

6.根据权利要求1所述的液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，其特征在于液态置氢前熔炼室的总气压为0.5～1.1×10⁵Pa。

7.根据权利要求1所述的液态置氢熔炼Ti6Al4V合金的方法，其特征在于液态置氢前熔炼室内氢气百分含量在0＜a％≤50％范围内。