CN103509958A - 一种钛铝基合金的熔炼方法 - Google Patents

Abstract

一种钛铝基合金的熔炼方法，属于钛铝基合金制造方法，解决现有熔炼方法添加有关元素会残留在合金中、产生热裂、偏析等缺陷的问题，用于提高钛铝基合金熔体的流动性。本发明在钛铝基合金的熔炼过程中通入氢气，通入氢气的分压不低于5kPa，氢气与钛铝基合金熔体作用时间不少于2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。本发明工艺简单、能耗和成本均比较低、易于在生产中实现，有效地提高了钛铝基合金熔体在浇注时的流动性，不仅适用于常见的自耗电弧熔炼及水冷坩埚感应熔炼等熔炼方式；而且还适用于熔模铸造、金属型铸造及离心铸造等大部分的铸造方法。

Description

一种钛铝基合金的熔炼方法

技术领域

本发明属于钛铝基合金制造方法，尤其涉及一种钛铝基合金的熔炼方法，用于提高钛铝基合金熔体的流动性。

背景技术

随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能不断提高，要求高温材料具有更高的强度、更高的抗氧化性能和更轻的密度。γ-TiAl基合金材料中，金属键和共价键共存，具有良好的高温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，被认为是一种具有广阔应用前景的下一代新型轻质高温结构材料，可用于制造压气机、燃气涡轮机叶片、压气机定子挡风板、定子机座以及其他形状复杂的大尺寸铸造和锻造零件，以部分替代笨重的镍基高温合金，可减重约50％。

钛铝基合金熔体本身粘度较大、流动性差，且通常采用的凝壳熔炼限制了过热度的提高，导致钛铝基合金熔体充型薄壁零件的能力较弱，有形成缩孔、缩松及热裂的倾向，影响了产品的质量，所以进一步提高钛铝基合金熔体的流动性显得十分紧迫。

如图1所示，钛铝基合金熔体的流动性，由其本身的物化性能决定；钛铝基合金熔体的充型性能，由钛铝基合金熔体的流动性和外界条件决定；钛铝基合金熔体本身的物化性能包括宏观物性参数、熔体粘度、表面张力、结晶温度范围、结晶潜热和气体夹渣含量，这些性能由熔体的微观结构和合金成分决定；外界条件包括浇注条件(浇注温度、浇注压力和浇注速度)，铸件结构(壁厚大小和截面变化幅度)和铸型性质(表面润湿性、蓄热能力和铸型温度)。

在外界条件确定的情况下，加入Si、B、Ni、Fe可以降低合金的粘度，提高钛铝基合金熔体流动性，从而有效提高其充型性能。但是这些元素在熔体中的分布不均匀会产生热裂、偏析等缺陷，最终会残留在合金中，带来其它的负面效应，因此，单一地通过合理控制元素的添加量往往达不到理想效果。

发明内容

本发明提供一种钛铝基合金的熔炼方法，解决现有熔炼方法添加有关元素会残留在合金中、产生热裂、偏析等缺陷的问题，以提高钛铝基合金熔体的流动性。

本发明所提供的一种钛铝基合金的熔炼方法，其特征在于：

在钛铝基合金的熔炼过程中通入氢气，通入氢气的分压不低于5kPa，氢气与钛铝基合金熔体作用时间不少于2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。

所述的熔炼方法，其特征在于：

对合金熔炼炉抽真空后通入氢气，由单质金属及中间合金组成的原料熔炼所需的钛铝基合金，获得待浇注钛铝基合金熔体。

所述的熔炼方法，其特征在于：

在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的1～2倍，氩气的纯度为99.999％。

所述的熔炼方法，其特征在于，其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤：

熔炼合金步骤：在合金熔炼炉中，抽真空后，通入氩气或者直接开始熔炼钛铝基合金，得到钛铝基合金熔体；

通入氢气步骤：对合金熔炼炉再抽真空，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，获得待浇注钛铝基合金熔体。

所述的熔炼方法，其特征在于：

所述熔炼合金步骤中，所述合金熔炼炉为非自耗电弧熔炼炉时，通入氩气作为保护气，钛铝基合金熔体经过三次熔炼：第一次利用由单质金属及中间合金组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。

所述的熔炼方法，其特征在于：

所述通入氢气步骤中，在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的1～2倍，氩气的纯度为99.999％。

本发明通入氢气的时间可以是熔炼合金开始的阶段，或者是浇注铸件前的阶段，保证氢气与钛铝基合金熔体最短作用时间即可。在熔炼合金过程中，炉腔内可以存在不与合金熔体及氢气反应的氩气存在，不会影响氢气对于钛铝基合金熔体流动性的改变。本发明适用各种常用的熔炼炉，如非自耗电弧熔炼炉、自耗电弧熔炼炉及水冷坩埚感应熔炼炉等。

与对合金熔体进行机械或电磁搅拌相比，本发明所需时间短，氢气成本比较低，在钛铝基合金的熔炼过程中，氢即扩散到钛铝基合金熔体中，达到提高熔体流动性的目的；氢元素作为一种临时合金化元素，在熔炼、浇注过程中存在于钛铝基合金中，随后通过真空退火将合金中的氢除去，不残留在合金中，有利于改善合金组织，避免了由于氢脆现象导致钛铝基合金塑性韧性降低，除氢可随合金的热处理过程同时进行，不会带来更多步骤；另外，实验表明，氢气不会导致氢气孔产生，保证了铸件的质量。

本发明工艺简单、能耗和成本均比较低、易于在生产中实现，有效地提高了钛铝基合金熔体在浇注时的流动性，不仅适用于常见的自耗电弧熔炼及水冷坩埚感应熔炼等熔炼方式；而且还适用于熔模铸造、金属型铸造及离心铸造等大部分的铸造方法。

附图说明

图1为钛铝基合金充型性能的影响因素框图；

图2(a)为获得合金螺旋形流动性试样的装置立体示意图；

图2(b)为流道的俯视图；

图2(c)为流道的横截面示意图；

图3为氢气分压条件下钛铝基合金熔体的流动指数。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。

实施例1：

对非自耗电弧熔炼炉抽真空至6×10^-3Pa，然后通入氢气，其中氢气的分压为5kPa。

钛铝基合金熔体经过四次熔炼：第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第三次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为三次合金铸锭；对所述三次合金铸锭翻转后，再进行第四次熔炼，得到成分及过热度均匀的待浇注钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。

熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。

实施例2：

对非自耗电弧熔炼炉合金熔炼炉抽真空至6×10^-3Pa，然后后通入氢气，在通入氢气的同时通入氩气，其中氢气的分压为10kPa，氩气的分压为20kPa，氩气的纯度为99.999％。

钛铝基合金熔体经过四次熔炼：第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第三次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为三次合金铸锭；对所述三次合金铸锭翻转后，再进行第四次熔炼，得到成分及过热度均匀的待浇注钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。

熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气及氩气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。

实施例3：

其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤：

熔炼合金步骤：在水冷坩埚感应熔炼炉中，抽真空至6×10^-3Pa，然后直接开始熔炼钛铝基合金，熔炼的原料为260g海绵钛和130g纯铝。待原料完全熔化后，保温5分钟，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。

通入氢气步骤：对水冷坩埚感应熔炼炉再抽真空至6×10^-3Pa，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，通入氢气的分压为5kPa，通入氢气后熔炼时间为2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。

熔炼结束并关闭电磁感应电源后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。

实施例4：

其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤：

熔炼合金步骤：在非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至6×10^-3Pa，通入氩气开始熔炼钛铝基合金，其中氩气的分压为15kPa，氩气的纯度为99.99％。

钛铝基合金熔体经过三次熔炼：第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。

通入氢气步骤：对非自耗电弧合金熔炼炉再抽真空至6×10^-3Pa，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，通入氢气分压为15kPa，通入氢气后熔炼时间为2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。

熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。

实施例5：

其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤：

熔炼合金步骤：在非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至6×10^-3Pa，通入氩气开始熔炼钛铝基合金，其中氩气的分压为15kPa，氩气的纯度为99.99％。

钛铝基合金熔体经过三次熔炼：第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。

通入氢气步骤：对合金熔炼炉再抽真空至6×10^-3Pa，然后通入氢气，在通入氢气的同时通入氩气，其中氢气分压为20kPa，氩气分压20kPa，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，其中氢气分压为20kPa，氩气分压20kPa，通入氢气后熔炼时间为2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。

熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气及氩气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。

在实施例4中，通过控制熔炼过程中通入氢气分压的大小，获得氢气压力分别为5kPa(序号1)、10kPa(序号2)、15kPa(序号3)、20kPa(序号4)的合金流动性试样；作为对比例，在实施例4中，通入氢气步骤中不通入氢气，得到无氢气的合金流动性试样。

如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，获得合金螺旋形流动性试样的装置由浇口1和流道2连接构成，浇口1为漏斗形，流道2为螺旋形，其横截面为倒置梯形。

相同氢气分压的试验进行三次，以三次试验得到螺旋形试样的长度，即熔体流动指数的算术平均值作为测试结果，5种不同氢气分压的熔体流动指数如表1所示。

表1试验工艺参数及熔体流动指数

序号	氢气分压/kPa	熔体流动指数/mm
			对比例	0	205.7
1	5	279.5
			2	10	370.0
3	15	430.0
			4	20	435.0

图3为氢气分压对钛铝二元合金熔体流动指数(凝固后螺旋形试样的长度)的影响。其中，浇注温度、铸型温度及钛铝二元合金的用量等相同情况下，通过改变熔炼过程中通入氢气的分压，分别获得氢气分压为0kPa、5kPa、10kPa、15kPa、20kPa的螺旋形流动性试样。通过对比图3中不同合金试样的熔体流动指数，可以看出，随着氢气分压的增加，钛铝二元合金的熔体流动性显著增加。当氢气分压增加到15kPa后继续增加时，在此试验外界条件下的钛铝二元合金熔体流动性基本平稳。其中，当氢气分压为15kPa时，熔体流动指数为430mm，为在无氢气氛围下熔炼的钛铝二元合金熔体流动性指数205.7mm的209％，即当在氢气分压仅为0.15个大气压时，流动性增加了1倍多。表明在熔炼钛铝基合金的过程中通入氢气，可以明显提高钛铝基合金熔体在浇注时的流动性。

Claims (6)

1.一种钛铝基合金的熔炼方法，其特征在于：

在钛铝基合金的熔炼过程中通入氢气，通入氢气的分压不低于5kPa，氢气与钛铝基合金熔体作用时间不少于2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。

2.如权利要求1所述的熔炼方法，其特征在于：

对合金熔炼炉抽真空后通入氢气，由单质金属及中间合金组成的原料熔炼所需的钛铝基合金，获得待浇注钛铝基合金熔体。

3.如权利要求2所述的熔炼方法，其特征在于：

在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的1～2倍，氩气的纯度为99.999％。

4.如权利要求1所述的熔炼方法，其特征在于，其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤：

熔炼合金步骤：在合金熔炼炉中，抽真空后，通入氩气或者直接开始熔炼钛铝基合金，得到钛铝基合金熔体；

通入氢气步骤：对合金熔炼炉再抽真空，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，获得待浇注钛铝基合金熔体。

5.如权利要求4所述的熔炼方法，其特征在于：

所述熔炼合金步骤中，所述合金熔炼炉为非自耗电弧熔炼炉时，通入氩气作为保护气，钛铝基合金熔体经过三次熔炼：第一次利用由单质金属及中间合金组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。

6.如权利要求4所述的熔炼方法，其特征在于：

所述通入氢气步骤中，在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的1～2倍，氩气的纯度为99.999％。

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