CN102965529B

CN102965529B - 一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法

Info

Publication number: CN102965529B
Application number: CN201210500156.7A
Authority: CN
Inventors: 李重河; 王宁; 鲁雄刚; 庞远林; 张捷宇; 杨昭
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN102965529A

Abstract

本发明公布了一种用于制备高品质钛合金Ti-Ni-Nb的节能高效短流程工艺。该新工艺流程主要由钛及钛合金的坩埚式真空感应熔炼技术（VIM）和钛及钛合金的冷床炉熔炼技术（CHM）构成。VIM用于制备钛及钛合金的一次铸锭，取代传统制备工艺中的真空自耗电极电弧熔炼（VAR）合金的电极制备和合金的一次熔炼，CHM用于一次钛及钛合金的铸锭二次精炼，制备出所需形状的钛及钛合金铸锭。这种节能高效的钛合金Ti-Ni-Nb制备工艺，可简化合金的制备流程，生产高品质的多种形状的合金铸锭。

Description

一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法

技术领域

本发明涉及一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法，属于有色金属钛合金材料技术领域。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、抗腐蚀性能好和耐热性高等优点，广泛应用于航空、航天等各个领域。冷战后，钛及钛合金又迅速变军需为民用，多用于宇宙航空、海洋开发、化工设施以及日用轻工等方面。目前钛合金正处于由“战略物资”色彩型向“通用物资”大众型方向转化的阶段。虽然在世界矿资源中，钛是仅次于铁、铝、镁，处于第四位的富有资源，它很有希望成为继铁、铝之后的第三种实用金属，开发利用前景十分广阔。

钛合金的制备技术发展速度非常快，尤其是近年来在这个领域取得了很多突破，并有不断提速的趋势，但就目前情况来看，制约钛工业发展的主要因素是钛材的昂贵价格，而造成钛材价格昂贵的主要原因是钛生产工艺复杂，周期长，能耗太高，成才率低等问题。如何降低钛材生产成本，优化钛冶金过程，成为了人们一直努力的目标。开发研究工艺简单，成本低廉，而且不污染环境的新工艺技术，制备高质量的先进钛材已是目前人们十分关注的课题。

目前工业化生产钛及钛合金几乎都是采用真空自耗电极电弧熔炼技术（VAR），在电弧炉中边熔炼边在水冷坩埚中结晶成锭。在真空或惰性气氛中，自耗电极在直流电弧的高温作用下迅速被熔化，并在水冷铜坩埚内或形成熔池。当液态钛以熔滴的形式，通过近5000K高温电弧区，向铜坩埚内过渡以及在铜坩埚内保持液态时，不仅实现了钛和钛合金的致密化，而且还发生了一系列的物理化学反应，起到提纯作用，使它们具有更好的性能。在自耗电极电弧炉熔炼过程中，电极的熔化及熔体的凝固是同时进行的，熔池中温度不均匀，花费巨大的能量损耗和物料损失也难以获取大量的高温钛液；难熔的和易挥发的合金成分难以均匀和加入；结晶速度和金相组织也难以控制；另外，该工艺回收废料困难，生产的铸锭发生夹渣的频率很高，因而限制了它在熔炼高品质合金时的应用。

为了克服VAR技术的缺点，20世纪80年代冷床炉熔炼技术开始兴起。冷床炉熔炼过程将提纯和凝固完全分开，高密度夹杂与钛熔体有很大的密度差异，会沉入冷炉床底部被凝壳扑捉，低密度夹杂可通过熔池的过热度和长时间保温使其尽可能熔解或上浮，达到去除高、低密度夹杂，充分实现合金化的目的，获得高品质的合金铸锭。冷床炉熔炼包括电子束冷床炉熔炼(EBCHM)和等离子冷床炉熔炼(PACHM)两种。高品质钛合金常常采用“冷床熔炼+真空自耗熔炼(CHM+VAR)”法，并成为工业标准级的生产方法。

坩埚式真空感应熔炼方法可能是解决目前常规钛合金熔炼技术能耗极高而材料收得率极低的一条有效途径。因此，寻找新型的熔钛坩埚材料及其制备技术，实现内热式的真空感应熔炼，是实现钛合金低成本优质高效熔炼的关键。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法，采用该方法可简化合金的制备流程，工业化批量生产高品质的钛及钛合金铸锭。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法，由坩埚式真空感应熔炼技术和钛及钛合金的冷床炉熔炼技术构成，具有以下的步骤:

a) 按照Ti-Ni-Nb合金的成分准备原材料，并对原材料预处理；残钛料：包括残钛边角料和钛屑，需要牌号相同，加工成的粒度和海绵钛大小基本相同，经除油、除氧皮处理后备用；海绵钛和合金元素在真空烘干箱中干燥，除去表面吸附的水分，烘干条件：温度约120~180℃；真空度约5Pa；保温时间4~6小时；

b) 将预处理后的原材料装入坩埚通过真空感应熔炼技术进行一次熔炼，具体步骤为：①抽真空，真空度达到0.01~3Pa；②加热，加热温度控制在比其熔点高5~150℃，即1320℃~1465℃保证原料完全融化；③保温，原料完全融化后保温10~30分钟，保证合金的成分均匀，减少偏析；④冷却，坩埚内的合金熔体直接在水冷铜模中浇注成锭；

c) 一次铸锭用物理方法和化学方法表面清理后，通过冷床炉熔炼技术进行二次熔炼，具体步骤为：①真空度的控制，采用电子束冷床熔炼，真空度要求0.015~3Pa；采用等离子体冷床炉熔炼，需要抽真空后反冲30~100KPa的氦气；②加热融化，加热温度控制比一次铸锭熔点高5-100℃，在1320℃~1415℃，保证一次铸锭完全融化；③精炼，经电子束或等离子体加热的一次铸锭熔化后，在冷床中形成熔池，控制熔池中溶液的保留时间30~60分钟，比重大的杂质沉底，而比重小的杂质浮在表面，低熔点的杂质挥发，氧化物溶解，然后将杂质分别清理掉；④冷却，经过精炼、搅拌后的溶液经槽口流入水冷铜坩埚中，通过坩埚上的等离子枪或电子束枪的再次加热搅拌后，凝固后形成二次铸锭 ;

d) 二次铸锭质量检查后转入随后的热加工。

上述步骤b）中的坩埚为CaO、ThO₂、ZrO₂、Y₂O₃，CaZrO₃、BaZrO₃的一种。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的进步：

本发明方法与真空自耗电极电弧熔炼（VAR）比较，不需要压制钛及钛合金的电极和电极组焊工艺，缩短工艺流程，节省熔炼设备。原材料的颗粒尺寸可在较大范围变化，可直接使用海绵钛，几乎可以百分之百使用合金循环料。此方法制备的钛合金Ti-Ni-Nb，可以有效地消除钛合金的低密度夹杂（LDI）和高密度夹杂（HDI），成分均匀、偏析非常少、品质非常高。

附图说明

图1为真空自耗电极电弧熔炼生产钛及钛合金铸锭工艺流程图。

图2为本发明短流程钛及钛合金制备方法流程图。

具体实施例

下面结合附图，将本发明短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法的具体实施例叙述如下。

b) 将预处理后的原材料装入CaO坩埚通过真空感应熔炼技术进行一次熔炼，具体步骤为：①抽真空，真空度达到0.01~3Pa；②加热，加热温度控制在比其熔点高5~150℃，即1320℃~1465℃保证原料完全融化；③保温，原料完全融化后保温10~30分钟，保证合金的成分均匀，减少偏析；④冷却，坩埚内的合金熔体直接在水冷铜模中浇注成锭；

c) 一次铸锭用物理方法和化学方法表面清理后，通过冷床炉熔炼技术进行二次熔炼，具体步骤为：①真空度的控制，采用电子束冷床熔炼，真空度要求0.015~3Pa；采用等离子体冷床炉熔炼，需要抽真空后反冲30~100KPa的氦气；②加热融化，加热温度控制比一次铸锭熔点高5-100℃，在1320℃~1415℃，保证一次铸锭完全融化；③精炼，经电子束或等离子体加热的一次铸锭熔化后，在冷床中形成熔池，控制熔池中溶液的保留时间30~60分钟，比重大的杂质沉底，而比重小的杂质浮在表面，低熔点的杂质挥发，氧化物溶解，然后将杂质分别清理掉；④冷却，经过精炼、搅拌后的溶液经槽口流入水冷铜坩埚中，通过坩埚上的等离子枪或电子束枪的再次加热搅拌后，凝固后形成二次铸锭；

d) 二次铸锭质量检查后转入随后的热加工。

Claims

1.一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法，由坩埚式真空感应熔炼技术和钛及钛合金的冷床炉熔炼技术构成，其特征在于，具有以下的步骤:

a) 按照Ti-Ni-Nb合金的成分准备原材料，并对原材料预处理；残钛料：包括残钛边角料和钛屑，需要牌号相同，加工成的粒度和海绵钛大小基本相同，经除油、除氧皮处理后备用；海绵钛和合金元素在真空烘干箱中干燥，除去表面吸附的水分，烘干条件：温度120~180℃；真空度5Pa；保温时间4~6小时；

d) 二次铸锭质量检查后转入随后的热加工。

2.根据权利要求1所述的一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法，其特征在于，所述步骤b）中的坩埚为CaO、ThO₂、ZrO₂、Y₂O₃，CaZrO₃、BaZrO₃的一种。