CN103555961A - 一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法 - Google Patents

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一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，它涉及制备钛铝合金铸锭的熔炼方法。本发明的目的是要解决现有技术熔炼钛铝基铸锭存在熔炼铸锭的尺寸小、成分偏析及后续机械加工不可控的问题。具体操作步骤为：一、制备自耗电极；二、真空自耗一次熔炼；三、真空凝壳二次熔炼：四、真空自耗三次熔炼。优点：一、本发明可熔炼直径为300mm～400mm的大尺寸钛铝合金铸锭；二、本发明制备的钛铝基合金铸锭组织均匀，无气孔夹杂，无不熔块存在。本发明可获得直径为300mm～400mm的外观完整、无明显裂纹和气孔夹杂的大尺寸铸锭。

Description

一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法
技术领域
本发明涉及一种制备钛铝合金铸锭的熔炼方法。
背景技术
TiAl金属间化合物是一种新型轻质的高温结构材料，体积相同时质量不及镍基合金的50%，它具有轻质、高比强、耐蚀、耐高温以及优异的抗氧化性能，它在常温和高温下都具有优异的力学性能。使用温度可达700℃～1000℃，成为当代应用前景最为广阔的一种轻质高温结构材料，作为新一代武器装备和高新技术产品的重要物质基础，使其具有高性能、低成本、长寿命和轻量化的优点。TiAl金属间化合物将对新一代飞机、卫星、空间动量拦截器、高马赫数导弹、以及主战坦克和先进车辆耐热部件研制过程中的关键技术提供新技术指导。
据报道，2001年美国波音公司宣布，787民用客机使用GE公司发动机GENX低压涡轮后两级叶片采用TiAl合金，减轻发动机质量800磅，1998年和2003年日本三菱重工采用真空熔炼反重力低压铸造法制备了高Nb-TiAl合金，并应用在赛车发动机用增压涡轮，以替代较重的镍基合金Inconel713C涡轮，使用TiAl合金节省启动时间，提高了最大转速，显示出极大的潜力。
TiAl合金的应用领域不断扩展，在民用航空航天领域，除了叶片外，非转动部件、非受力轮盘、薄板蒙皮等都可能应用，汽车的增压涡轮和排气阀等也成为发展重点，以及多孔TiAl材料等。
TiAl合金在熔炼中由于元素熔点、密度及非平衡凝固偏析系数的差异，通常会在铸锭中导致不同程度的元素偏析，会使后续热机械加工不可控，并且得不到均匀组织，而且容易在冷却过程中，造成铸锭开裂，严重影响其综合力学性能和高温抗氧化性。因此铸锭的熔炼尤其大型铸锭的熔炼一直是国内外的行业重点难题，也限制了国内TiAl合金材料的制备和应用，目前国内能熔炼直径不大于300mm的铸锭。
TiAl合金铸锭的制备主要有真空电弧熔炼、等离子束熔炼、感应凝壳熔炼三种办法，当铸锭尺寸小于160mm～200mm，能得到成分和组织相对均匀的铸锭，但仍存在大量的组织的宏观偏析，当铸锭尺寸较大时，通常会存在明显裂纹甚至直接发生铸锭开裂等严重质量问题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术熔炼钛铝基铸锭存在熔炼铸锭的尺寸小、成分偏析及后续机械加工不可控的问题，而提供一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法。
一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，具体是按以下步骤完成的：
一、自耗电极的制备：
①依照名义化学成分Ti-xAl-yM称取物料颗粒为12.5mm～25.4mm的0级海绵钛、颗粒直径为2mm～10mm的铝豆和颗粒直径为0.25mm～10mm的中间合金颗粒；所述的Ti-xAl-yM中43≤x≤45，5≤y≤9，M为V或Nb；所述的中间合金颗粒为钒的质量分数为58%的铝钒合金或铌的质量分数为50%的铝铌合金；
②将步骤一①中秤取的0级海绵钛、铝豆和中间合金颗粒进行混匀，将混匀后的混合粒料放入压制模具中，油压制成密度为2.8g/cm3～3.5g/cm3的电极块；
③在氩气保护下使用等离子焊将步骤三②得到的电极块组焊，得到待熔化电极；
二、真空自耗一次熔炼：
将步骤一③得到的待熔化电极在熔炼电压为25V～37V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下进行熔炼，得到一次铸锭；所述一次铸锭的尺寸为
Figure BDA0000410064110000021
三、真空凝壳二次熔炼：
将步骤二得到的一次铸锭在熔炼电压为25V～40V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下使用真空凝壳炉进行二次熔炼，得到二次铸锭；
四、真空自耗三次熔炼：
①在氩气保护下使用等离子焊将步骤三得到的二次铸锭组焊，得到组焊电极块；②将组焊电极块在熔炼电压为25V～37V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下进行熔炼，得到三次铸锭；所述三次铸锭的尺寸为
Figure BDA0000410064110000022
本发明的优点：一、本发明可熔炼直径为300mm～400mm的大尺寸钛铝合金铸锭；二、本发明制备的钛铝基合金铸锭组织均匀，无气孔夹杂，无不熔块存在。
本发明可获得直径为300mm～400mm的外观完整、无明显裂纹和气孔夹杂的大尺寸铸锭。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，具体是按以下步骤完成的：
一、自耗电极的制备：
①依照名义化学成分Ti-xAl-yM称取物料颗粒为12.5mm～25.4mm的0级海绵钛、颗粒直径为2mm～10mm的铝豆和颗粒直径为0.25mm～10mm的中间合金颗粒；所述的Ti-xAl-yM中43≤x≤45，5≤y≤9，M为V或Nb；所述的中间合金颗粒为钒的质量分数为58%的铝钒合金或铌的质量分数为50%的铝铌合金；
②将步骤一①中秤取的0级海绵钛、铝豆和中间合金颗粒进行混匀，将混匀后的混合粒料放入压制模具中，油压制成密度为2.8g/cm3～3.5g/cm3的电极块；
③在氩气保护下使用等离子焊将步骤三②得到的电极块组焊，得到待熔化电极；
二、真空自耗一次熔炼：
将步骤一③得到的待熔化电极在熔炼电压为25V～37V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下进行熔炼，得到一次铸锭；所述一次铸锭的尺寸为
Figure BDA0000410064110000031
三、真空凝壳二次熔炼：
将步骤二得到的一次铸锭在熔炼电压为25V～40V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下使用真空凝壳炉进行二次熔炼，得到二次铸锭；
四、真空自耗三次熔炼：
①在氩气保护下使用等离子焊将步骤三得到的二次铸锭组焊，得到组焊电极块；②将组焊电极块在熔炼电压为25V～37V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下进行熔炼，得到三次铸锭；所述三次铸锭的尺寸为
Figure BDA0000410064110000032
本实施方式的优点：一、本实施方式可熔炼直径为300mm～400mm的大尺寸钛铝合金铸锭；二、本实施方式制备的钛铝基合金铸锭组织均匀，无气孔夹杂，无不熔块存在。
本实施方式可获得直径为300mm～400mm的外观完整、无明显裂纹和气孔夹杂的大尺寸铸锭。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一②中所述的油压制成密度为2.9g/cm3～3.4g/cm3的电极块。其他步骤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或二之一不同点是：步骤二所述的将步骤一③得到的待熔化电极在熔炼电压为27V～35V、熔炼电流密度为45A/cm2～65A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～2.5Pa的条件下进行熔炼，得到一次铸锭。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤三所述的将步骤二得到的一次铸锭在熔炼电压为26V～38V、熔炼电流密度为42A/cm2～68A/cm2和熔炼真空度为0.5Pa～2.8Pa的条件下使用真空凝壳炉进行二次熔炼，得到二次铸锭。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤四②所述的将组焊电极块在熔炼电压为26V～35V、熔炼电流密度为45A/cm2～65A/cm2和熔炼真空度为0.5Pa～2.8Pa的条件下进行熔炼，得到三次铸锭。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，具体是按以下步骤完成的：
一、自耗电极的制备：
①依照名义化学成分Ti-xAl-yM称取物料颗粒为13mm～18mm的0级海绵钛、颗粒直径为3mm～5mm的铝豆和颗粒直径为1mm～3mm的中间合金颗粒；所述的Ti-xAl-yM中x=43，y=9，M为V；所述的中间合金颗粒为钒的质量分数为58%的铝钒合金；
②将步骤一①中秤取的0级海绵钛、铝豆和中间合金颗粒进行混匀，将混匀后的混合粒料放入压制模具中，油压制成密度为3.1g/cm3的电极块；
③在氩气保护下使用等离子焊将步骤三②得到的电极块组焊，得到待熔化电极；
二、真空自耗一次熔炼：
将步骤一③得到的待熔化电极在熔炼电压为32V、熔炼电流密度为55A/cm2和熔炼真空度为2Pa的条件下进行熔炼，得到一次铸锭；所述一次铸锭的尺寸为
三、真空凝壳二次熔炼：
将步骤二得到的一次铸锭在熔炼电压为35V、熔炼电流密度为55A/cm2和熔炼真空度为2Pa的条件下使用真空凝壳炉进行二次熔炼，得到二次铸锭；
四、真空自耗三次熔炼：
①在氩气保护下使用等离子焊将步骤三得到的二次铸锭组焊，得到组焊电极块；②将组焊电极块在熔炼电压为32V、熔炼电流密度为55A/cm2和熔炼真空度为2Pa的条件下进行熔炼，得到三次铸锭；所述三次铸锭的尺寸为
Figure BDA0000410064110000042
试验一制备得到的三次铸锭为大尺寸钛铝合金铸锭，大尺寸钛铝合金铸锭的表面外观完整，没有明显裂纹和气孔夹杂。
在试验一步骤四中得到的尺寸为的三次铸锭的距铸锭顶部20cm、铸锭中部和距铸锭底部10cm的位置分别取样，利用荧光光谱仪对所取的样品进行化学元素含量分析，数据列于表1，表1是试验一制备的铸锭化学成分检测结果。
表1
Figure BDA0000410064110000051
从表1可以看出Ti原子百分含量从47.78变化到48.06，Al原子百分含量从42.97变化到43.09，V原子百分含量从8.97变化到9.13，表明试验一制备的大尺寸钛铝合金铸锭的成分均匀。
试验二：一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，具体是按以下步骤完成的：
一、自耗电极的制备：
①依照名义化学成分Ti-xAl-yM称取物料颗粒为13mm～18mm的0级海绵钛、颗粒直径为3mm～5mm的铝豆和颗粒直径为1mm～3mm的中间合金颗粒；所述的Ti-xAl-yM中x=45，y=5，M为Nb；所述的中间合金颗粒为铌的质量分数为50%的铝铌合金；
②将步骤一①中秤取的0级海绵钛、铝豆和中间合金颗粒进行混匀，将混匀后的混合粒料放入压制模具中，油压制成密度为3.1g/cm3的电极块；
③在氩气保护下使用等离子焊将步骤三②得到的电极块组焊，得到待熔化电极；
二、真空自耗一次熔炼：
将步骤一③得到的待熔化电极在熔炼电压为34V、熔炼电流密度为60A/cm2和熔炼真空度为2.5Pa的条件下进行熔炼，得到一次铸锭；所述一次铸锭的尺寸为
Figure BDA0000410064110000053
三、真空凝壳二次熔炼：
将步骤二得到的一次铸锭在熔炼电压为37V、熔炼电流密度为60A/cm2和熔炼真空度为2.5Pa的条件下使用真空凝壳炉进行二次熔炼，得到二次铸锭；
四、真空自耗三次熔炼：
①在氩气保护下使用等离子焊将步骤三得到的二次铸锭组焊，得到组焊电极块；②将组焊电极块在熔炼电压为34V、熔炼电流密度为60A/cm2和熔炼真空度为2.5Pa的条件下进行熔炼，得到三次铸锭；所述三次铸锭的尺寸为
Figure BDA0000410064110000052
试验二制备得到的三次铸锭为大尺寸钛铝合金铸锭，大尺寸钛铝合金铸锭的表面外观完整，没有明显裂纹和气孔夹杂。
在试验二步骤四中得到的大尺寸为
Figure BDA0000410064110000062
的三次铸锭的距铸锭顶部20cm、铸锭中部和距铸锭底部10cm的位置分别取样，利用荧光光谱仪对所取的样品进行化学元素含量分析，数据列于表2，表2是试验二制备的铸锭化学成分检测结果。
表2
Figure BDA0000410064110000061
从表2可以看出，Ti原子百分含量从49.89变化到49.94，Al原子百分含量从45.05变化到45.08，Nb原子百分含量从4.98变化到5.05，表明试验二制备的大尺寸钛铝合金铸锭的成分均匀。

Claims (5)

1.一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，其特征在于制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法具体是按以下步骤完成的：
一、自耗电极的制备：
①依照名义化学成分Ti-xAl-yM称取物料颗粒为12.5mm～25.4mm的0级海绵钛、颗粒直径为2mm～10mm的铝豆和颗粒直径为0.25mm～10mm的中间合金颗粒；所述的Ti-xAl-yM中43≤x≤45，5≤y≤9，M为V或Nb；所述的中间合金颗粒为钒的质量分数为58%的铝钒合金或铌的质量分数为50%的铝铌合金；
②将步骤一①中秤取的0级海绵钛、铝豆和中间合金颗粒进行混匀，将混匀后的混合粒料放入压制模具中，油压制成密度为2.8g/cm3～3.5g/cm3的电极块；
③在氩气保护下使用等离子焊将步骤三②得到的电极块组焊，得到待熔化电极；
二、真空自耗一次熔炼：
将步骤一③得到的待熔化电极在熔炼电压为25V～37V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下进行熔炼，得到一次铸锭；所述一次铸锭的尺寸为
Figure FDA0000410064100000012
三、真空凝壳二次熔炼：
将步骤二得到的一次铸锭在熔炼电压为25V～40V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下使用真空凝壳炉进行二次熔炼，得到二次铸锭；
四、真空自耗三次熔炼：
①在氩气保护下使用等离子焊将步骤三得到的二次铸锭组焊，得到组焊电极块；②将组焊电极块在熔炼电压为25V～37V、熔炼电流密度为40A/cm2～70A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～3Pa的条件下进行熔炼，得到三次铸锭；所述三次铸锭的尺寸为
Figure FDA0000410064100000011
2.根据权利要求1所述的一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，其特征在于步骤一②中所述的油压制成密度为2.9g/cm3～3.4g/cm3的电极块。
3.根据权利要求1所述的一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，其特征在于步骤二所述的将步骤一③得到的待熔化电极在熔炼电压为27V～35V、熔炼电流密度为45A/cm2～65A/cm2和熔炼真空度为0.4Pa～2.5Pa的条件下进行熔炼，得到一次铸锭。
4.根据权利要求1所述的一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，其特征在于步骤三所述的将步骤二得到的一次铸锭在熔炼电压为26V～38V、熔炼电流密度为42A/cm2～68A/cm2和熔炼真空度为0.5Pa～2.8Pa的条件下使用真空凝壳炉进行二次熔炼，得到二次铸锭。
5.根据权利要求1所述的一种制备大尺寸钛铝合金铸锭的熔炼方法，其特征在于步骤四②所述的将组焊电极块在熔炼电压为26V～35V、熔炼电流密度为45A/cm2～65A/cm2和熔炼真空度为0.5Pa～2.8Pa的条件下进行熔炼，得到三次铸锭。
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