CN104388714A - 一种大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备方法，该方法通过多次将原料在冷坩埚真空感应悬浮熔炼炉中进行熔炼，并反复浇注到较大尺寸锭模当中，通过液态金属液与锭模中凝固合金之间的扩散作用进行连接得到大尺寸铸锭。该方法充分利用了感应悬浮熔炼技术，能够得到成分均匀、纯度高的合金；并克服了悬浮感应熔炼技术对原料体积的限制，利用高温液态金属与固态金属的扩散作用制备出大尺寸合金铸锭；通过多次少量的反复浇注，金属液在大直径锭模中摊薄，在冷却过程中均匀收缩，从而避免了大尺寸缩孔的出现，是一种熔炼制备钛铝金属间化合物大尺寸铸锭的较佳选择。

Description

一种大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备方法

技术领域

本发明是一种大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备方法，属于金属合金材料冶金领域。

背景技术

钛铝金属间化合物具有强度高、质量轻、抗氧化性好，及高温力学性能好等优点，应用于航空发动及飞行器零部件，能够有效降低飞行器结构重量，提高飞行器续航能力及飞行速度，同时还能提高燃油效率，降低飞行成本，具有很大的应用前景。

而由于钛铝金属间化合物中钛、铝等元素的熔点和密度相差较大，且电极材料熔化后保温时间较短，导致高熔点金属元素来不及熔化，且无法与熔液分离，保留到金属熔池凝固结束并成为高密度夹杂，这种缺陷即使采用三次熔炼也不能完全消除；由于电极的熔化及熔体的凝固是同时进行的，且熔炼过程中温度梯度很大，很难保证铸锭化学成分及组织的均匀性；钛、铝等元素反应活性高，且对间隙元素的敏感性高，在熔炼过程中极易遭受污染；而且该类型合金塑性较低，从液态到固态过程中收缩率较高，熔炼制备大尺寸铸锭很容易出现大尺寸缩孔及铸锭开裂现象。这样的特点给获得高质量的合金及制备大尺寸铸锭带来了较大困难。

真空感应凝壳熔炼技术(Induction Skull Melting,ISM)是目前世界上先进的熔炼高反应性合金的方法之一。利用该方法通过在炉料中持续的电磁感应加热，使炉料迅速升温而熔化，并通过熔体中强烈的电磁搅拌作用，使熔体整体成分、温度均匀一致；金属炉料由于水冷铜坩埚的激冷作用而形成一层极薄的凝壳，把熔融的金属与坩埚壁隔开，阻断了合金熔体与铜坩埚之间的反应，避免了坩埚材料对金属熔体的污染。但是由于受到感应电源功率的限制，目前利用该技术熔炼的金属重量受到限制，用途受到了较大限制。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备方法，其目的是实现了大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备，解决成分偏析严重，高密度夹杂等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备方法，所述钛铝金属间化合物为TiAl合金、Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，铸锭直径超过200mm，重量超过80Kg，设备采用水冷铜钳锅真空感应熔炼炉，其特征在于：该方法的步骤如下：

⑴称科

按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取海绵钛、铝豆或铝块，及单质元素、中间合金或单质元素加中间合金，按种类分别装在不同的容器中备用；

海绵钛的纯度是A级或0A级；

铝豆或铝块中纯铝的质量分数不小于99.99％；

单质元素是指Nb、Cr、W、Mo、Mn、Ta、Er、Ni或B中的一种或几种；

中间合金是指AlNb合金、AlMo合金、AlMn合金、AlSi合金、AlV合金、AlY合金、AlEr合金、TiSn合金、TiNb合金或TiB2合金中的一种或几种；

⑵装炉

将分瓣锭模放到炉膛浇注位置，然后在坩埚当中放入凝壳，再将步骤⑴所称原料装入坩埚内；

所述凝壳的材料是与所制备合金具有相同成分的合金；

⑶关闭炉门后抽真空，抽真空按以下两种方式之一完成：

3.1抽真空度达到1Pa以下,回填氩气或氦气至300～30000Pa进行熔炼；

3.2抽真空度达到10Pa以下后回填氩气或氦气，然后再次抽真空到10Pa以下后回填氩气或氦气，反复进行1～5次以降低炉内氧、氮等气体元素含量,回填氩气或氦气至300～30000Pa进行熔炼；

⑷熔炼

熔炼开始后，首先以20～100KW的功率对原料烘烤1～5分钟，然后提高功率至原料周围出现红热后保温2～10分钟，直至坩埚内原料中心部位红透，再次提高功率至原料周围出现液滴后保温1～10分钟，此时原料逐渐熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔体温度达到合金熔点以上20～100℃，并保温1～20分钟，悬浮的熔体在电磁搅拌作用下实现成分均匀；

⑸将金属熔液浇注到锭模中，冷却1～5个小时；

⑹冷却到时后开炉门，重复上述步骤⑴～⑸，直至锭模中的合金重量满足要求，冷却至150℃以下，打开炉门，启开锭模，得到大尺寸铸锭。

采用本发明制备大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的优点：

(1)不用压制电极，避免了焊接电极带来的污染；

(2)能够得到成分均匀、纯度高的合金；

(3)制备出大尺寸钛铝金属间化合物合金铸锭；

(4)避免了大尺寸缩孔，以及铸锭开裂等问题的出现。

本发明主要用于制备大尺寸、内部成分均匀的钛铝金属间化合物铸锭，该熔炼方法不用压制电极，避免了焊接电极带来的污染，特别适用于Ti3Al及Ti2AlNb等难以压制电极的合金铸锭的熔炼制备，具有十分重要的应用价值和广阔的应用市场。

具体实施方式

实施例1

制备的钛铝金属间化合物铸锭为TiAl合金，设备采用20公斤水冷铜钳锅真空感应熔炼炉，该方法的步骤如下：

⑴称科

按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取海绵钛7.04kg、铝豆3.88kg，AlNb75合金颗粒0.76kg，铬粉0.32kg；

海绵钛的纯度为A级；

铝豆或铝块中纯铝的质量分数不小于99.99％；

⑵装炉

将直径220mm，高500mm的大尺寸铸锭锭模放到炉膛浇注位置，然后在坩埚当中放入凝壳，再将步骤⑴所称原料装入坩埚内；

⑶关闭炉门后抽真空度达到2Pa，回填氩气至20000Pa进行熔炼；

⑷熔炼

熔炼开始后，首先以20～100KW的功率对原料烘烤5分钟，然后提高功率至原料周围出现红热后保温2分钟，直至坩埚内原料中心部位红透，再次提高功率至原料周围出现液滴后保温10分钟，此时原料逐渐熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔体温度达到1800℃，并保温5分钟，悬浮的熔体在电磁搅拌作用下实现成分均匀；

⑸将金属熔液浇注到锭模中，冷却5个小时；

⑹冷却到时后开炉门，重复上述步骤⑴～⑸进行10次，直至锭模中的合金重量满足要求，冷却至150℃以下，打开炉门，启开锭模，得到大尺寸铸锭。

经称量，铸锭重量为88.6kg。

实施例2

制备的钛铝金属间化合物铸锭为Ti3Al合金，设备采用20公斤水冷铜钳锅真空感应熔炼炉，该方法的步骤如下：

⑴称科

按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取海绵钛5.67kg、铝块1.12kg，铌块2.77kg，AlMo50合金颗粒0.37kg，AlV50合金颗粒0.15kg；

海绵钛的纯度为0A级；

铝豆或铝块中纯铝的质量分数不小于99.99％；

⑵装炉

将直径220mm，高500mm的大尺寸铸锭锭模放到炉膛浇注位置，然后在坩埚当中放入凝壳，再将步骤⑴所称原料装入坩埚内；

⑶关闭炉门后抽真空度达到10Pa，后回填氩气，然后再次抽真空到10Pa以下后回填氩气，反复进行5次，再回填氩气至30000Pa进行熔炼；

⑷熔炼

熔炼开始后，首先以20～100KW的功率对原料烘烤1分钟，然后提高功率至原料周围出现红热后保温10分钟，直至坩埚内原料中心部位红透，再次提高功率至原料周围出现液滴后保温1分钟，此时原料逐渐熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔体温度达到1800℃，并保温20分钟，悬浮的熔体在电磁搅拌作用下实现成分均匀；

⑸将金属熔液浇注到锭模中，冷却5个小时；

⑹冷却到时后开炉门，重复上述步骤⑴～⑸进行10次，直至锭模中的合金重量满足要求，冷却至150℃以下，打开炉门，启开锭模，得到大尺寸铸锭。

经称量，铸锭重量为91.6kg。

实施例3

制备的钛铝金属间化合物铸锭为Ti2AlNb合金，设备采用20公斤水冷铜钳锅真空感应熔炼炉，该方法的步骤如下：

⑴称科

按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取海绵钛4.64kg、铝块1.11kg，铌屑4.25kg，；

海绵钛的纯度为0A级；

铝豆或铝块中纯铝的质量分数不小于99.99％；

⑵装炉

将直径220mm，高500mm的大尺寸铸锭锭模放到炉膛浇注位置，然后在坩埚当中放入凝壳，再将步骤⑴所称原料装入坩埚内；

⑶关闭炉门后抽真空度达到10Pa，回填氩气至5000Pa进行熔炼；

⑷熔炼

熔炼开始后，首先以20～100KW的功率对原料烘烤5分钟，然后提高功率至原料周围出现红热后保温2分钟，直至坩埚内原料中心部位红透，再次提高功率至原料周围出现液滴后保温10分钟，此时原料逐渐熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔体温度达到1800℃，并保温5分钟，悬浮的熔体在电磁搅拌作用下实现成分均匀；

⑸将金属熔液浇注到锭模中，冷却2个小时；

⑹冷却到时后开炉门，重复上述步骤⑴～⑸进行10次，直至锭模中的合金重量满足要求，冷却至150℃以下，打开炉门，启开锭模，得到大尺寸铸锭。

经称量，铸锭重量为81.1kg。

该方法通过多次将原料在冷坩埚真空感应悬浮熔炼炉中进行熔炼，并反复浇注到较大尺寸锭模当中，通过液态金属液与锭模中凝固合金之间的扩散作用进行连接得到大尺寸铸锭。；该方法充分利用了感应悬浮熔炼技术，能够得到成分均匀、纯度高的合金；并克服了悬浮感应熔炼技术对原料体积的限制，利用高温液态金属与固态金属的扩散作用制备出大尺寸合金铸锭；通过多次少量的反复浇注，金属液在大直径锭模中摊薄，在冷却过程中均匀收缩，从而避免了大尺寸缩孔的出现，是一种熔炼制备钛铝金属间化合物大尺寸铸锭的较佳选择。

Claims (1)

1.一种大尺寸钛铝金属间化合物铸锭的熔炼制备方法，所述钛铝金属间化合物为TiAl合金、Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，铸锭直径超过200mm，重量超过80Kg，设备采用水冷铜钳锅真空感应熔炼炉，其特征在于：该方法的步骤如下：

⑴称科

按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取海绵钛、铝豆或铝块，及单质元素、中间合金或单质元素加中间合金，按种类分别装在不同的容器中备用；

海绵钛的纯度是A级或0A级；

铝豆或铝块中纯铝的质量分数不小于99.99％；

单质元素是指Nb、Cr、W、Mo、Mn、Ta、Er、Ni或B中的一种或几种；

中间合金是指AlNb合金、AlMo合金、AlMn合金、AlSi合金、AlV合金、AlY合金、AlEr合金、TiSn合金、TiNb合金或TiB2合金中的一种或几种；

⑵装炉

将分瓣锭模放到炉膛浇注位置，然后在坩埚当中放入凝壳，再将步骤⑴所称原料装入坩埚内；

所述凝壳的材料是与所制备合金具有相同成分的合金；

⑶关闭炉门后抽真空，抽真空按以下两种方式之一完成：

3.1 抽真空度达到1Pa以下,回填氩气或氦气至300～30000Pa进行熔炼；

3.2 抽真空度达到10Pa以下后回填氩气或氦气，然后再次抽真空到10Pa以下后回填氩气或氦气，反复进行1～5次以降低炉内氧、氮等气体元素含量,回填氩气或氦气至300～30000Pa进行熔炼；

⑷熔炼

熔炼开始后，首先以20～100KW的功率对原料烘烤1～5分钟，然后提高功率至原料周围出现红热后保温2～10分钟，直至坩埚内原料中心部位红透，再次提高功率至原料周围出现液滴后保温1～10分钟，此时原料逐渐熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔体温度达到合金熔点以上20～100℃，并保温1～20分钟，悬浮的熔体在电磁搅拌作用下实现成分均匀；

⑸将金属熔液浇注到锭模中，冷却1～5个小时；

⑹冷却到时后开炉门，重复上述步骤⑴～⑸，直至锭模中的合金重量满足要求，冷却至150℃以下，打开炉门，启开锭模，得到大尺寸铸锭。