CN104498770A - 一种WSTi2815SC阻燃钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种WSTi2815SC阻燃钛合金,按照质量百分比由以下组份组成:V 24~32%,Cr 12~18%,Si 0.1~0.6%,C 0.05~0.14%,余量为Ti和不可避免的杂质;制备方法为:将钒铬合金、钛硅合金、碳粉和小颗粒海绵钛压制成电机块,并将电极块焊接成电极,最后对电极进行多次熔炼即得。本发明通过改变合金元素的添加方式来提高大型铸锭的成分均匀性,在熔炼过程中通过提高熔炼电流和增加熔炼次数,以达到均匀化成分的目的,解决了现有方法熔炼WSTi2815SC合金无法保证合金成分的均匀性,避免高熔点元素钒、铬和硅形成宏观偏析和不熔块等冶金缺陷的问题,适用于工业化生产。

Description

一种WSTi2815SC阻燃钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属技术领域,本发明涉及一种WSTi2815SC阻燃钛合金,本发明还涉及该钛合金的制备方法。
背景技术
WSTi2815SC名义成分为Ti-28V-15Cr-0.4Si-0.1C,是一种高稳定β型阻燃钛合金,与Alloy C合金同属于Ti-V-Cr系列阻燃钛合金。WSTi2815SC合金具有良好的室温塑性、蠕变强度、高温强度和比屈服强度,以及具有良好的抗燃烧性能,是重要的航空发动机用功能材料。
由于WSTi2815SC合金中含有超过40%的合金元素,混布料难均匀,电极强度也难以保证,而且钒、铬和硅的熔点都比钛高,合金元素的配入方式和熔炼工艺是WSTi2815SC合金制备的关键。采用常规纯金属加海绵钛和合金包配料再采用2次真空自耗熔炼的工艺无法保证WSTi2815SC合金成分的均匀性,极易形成钒、铬偏析和钒、铬不熔块等冶金缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种WSTi2815SC阻燃钛合金。
本发明的另一个目的是提供一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,解决了现有方法熔炼WSTi2815SC合金无法保证合金成分的均匀性,易产生偏析和不熔块缺陷的问题。
本发明所采用的技术方案是:一种WSTi2815SC阻燃钛合金,按照质量百分比由以下组份组成:V 24%~32%,Cr 12%~18%,Si 0.1%~0.6%,C 0.05%~0.14%,余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明所采用的另一个技术方案是:一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:采用钒含量为37.5%±0.5%的钒铬合金、硅含量为50%±0.5%的钛硅合金、碳粉和小颗粒海绵钛进行单块电极混料,并用液压机压制成电极块;
步骤2:用夹具夹紧步骤1得到的电极块,采用非钨极氩气保护等离子箱将多个电极块焊接成一个电极;
步骤3:采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的电极进行多次真空熔炼,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压30~41V,熔炼电流12~24kA,稳弧电流6.0~16.0A,冷却时间4~10h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金。
本发明的特点还在于,
步骤1中压制的压强为20~35MPa,压制时间4~10秒。
步骤1中四种原材料按照钒铬合金、钛硅合金、碳粉、海绵钛四种原材料按照V 24%~32%,Cr 12%~18%,Si 0.1%~0.6%,C 0.05%~0.14%的成分配比配料并混合均匀。
步骤1中小颗粒海绵钛的粒径为0.83~12.7mm。
步骤2中电极优选为圆柱形。
步骤3中真空熔炼的次数为3~5次。
真空熔炼依次为:
一次熔炼:坩埚规格Φ280~Φ440mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压33~41V,熔炼电流13~20kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间4~6h;
二次熔炼:坩埚规格Φ440~Φ560mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流12~20kA,稳弧电流交流6.0~12.0A,冷却时间4~6h;
三次熔炼:坩埚规格Φ520~Φ620mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流14~20kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间4~7h。
在第三次真空熔炼后增加第四次真空熔炼:坩埚规格Φ560~Φ640mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流15~24kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间5~8h。
在第四次真空熔炼后增加第五次真空熔炼:坩埚规格Φ640~Φ720mm,熔前真空度≤0.5Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流22~30kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间7~10h。
本发明的有益效果是:本发明一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,通过改变合金元素的添加方式来提高大型铸锭的成分均匀性,在熔炼过程中,通过提高熔炼电流和增加熔炼次数,以达到均匀化成分的目的,解决了现有方法熔炼WSTi2815SC合金无法保证合金成分的均匀性,避免高熔点元素钒、铬和硅形成宏观偏析和不熔块等冶金缺陷的问题,适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例3得到的铸锭头部切片显微组织图;
图2是本发明实施例3得到的铸锭头部、底部横向三点和侧面纵向5点成分分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种WSTi2815SC阻燃钛合金,按照质量百分比由以下组份组成:V 24%~32%,Cr 12%~18%,Si 0.1%~0.6%,C 0.05%~0.14%,余量为Ti和不可避免的杂质。
上述阻燃钛合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:采用钒含量为37.5%±0.5%的颗粒状钒铬合金、硅含量为50%±0.5%的粉末状钛硅合金、碳粉和粒径为0.83~12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料,并用液压机压制成电极块,压制的压强为20~35MPa,压制时间4~10秒;钒铬合金、钛硅合金、碳粉、海绵钛四种原材料按照V24%~32%,Cr 12%~18%,Si 0.1%~0.6%,C 0.05%~0.14%的成分配比配料并混合均匀;
步骤2:用夹具夹紧步骤1得到的电极块,采用非钨极氩气保护等离子箱将多个电极块焊接成一个电极,由于坩埚形状为圆柱形,为了保证电极与坩埚间隙的一致性,电极最好为圆柱形;焊接的焊点要求为银灰色或淡黄色,防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷;电极块尺寸由模具确定,电极块数量根据坩埚长度而定;
步骤3:采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的电极进行多次真空熔炼,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压30~41V,熔炼电流12~24kA,稳弧电流6.0~16.0A,冷却时间4~10h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金;得到的WSTi2815SC阻燃钛合金按照质量百分比由以下组份组成:V24%~32%,Cr 12%~18%,Si 0.1%~0.6%,C 0.05%~0.14%,余量为Ti和不可避免的杂质。
其中,真空熔炼的次数优选为3~5次,具体为:
一次熔炼:坩埚规格Φ280~Φ440mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压33~41V,熔炼电流13~20kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间4~6h;
二次熔炼:坩埚规格Φ440~Φ560mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流12~20kA,稳弧电流交流6.0~12.0A,冷却时间4~6h;
三次熔炼:坩埚规格Φ520~Φ620mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流14~20kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间4~7h。
在上述三次真空熔炼后增加第四次真空熔炼:坩埚规格Φ560~Φ640mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流15~24kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间5~8h。
在上述四次真空熔炼后增加第五次真空熔炼:坩埚规格Φ640~Φ720mm,熔前真空度≤0.5Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流22~30kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间7~10h。
本发明的技术思想在于:为了避免因合金元素含量较高,电极压制不实,导致强度不够,在熔炼过程中发生掉块的现象,以及添加元素分布不均匀,产生钒、铬偏析和钒、铬不熔块等冶金缺陷,采取的措施:主元素的添加方式采用颗粒状钒铬合金取代树枝状纯钒屑,采用粉末状钛硅合金取代纯硅,选用高品位0.83~12.7mm小颗粒海绵钛,严格控制原材料中的氧含量和铁含量及其它杂质元素含量,电极压制前采用单块电极混料,充分混合均匀;电极在非钨极真空等离子焊箱中完成整个电极焊接过程,避免了钨或其他杂质的污染以及电极氧化;采用真空自耗电弧炉进行3~5次熔炼,熔炼过程对真空度、漏气率等参数进行严格控制,使整个铸锭成分横向和纵向均匀性均得到提高、杂质含量降低。
实施例1:铸锭成品规格为φ520mm
步骤1:采用钒含量为37.5%的颗粒状钒铬合金、硅含量为50%的粉末状钛硅合金和碳粉与粒径为0.83mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料,钒铬合金、钛硅合金、碳粉、海绵钛四种原材料按照V 24%,Cr 18%,Si 0.1%,C 0.14%的成分配比配料并混合均匀,余量为Ti和不可避免的杂质,并用大型液压机压制成电极块,压制压力为20MPa,压制时间10秒;
步骤2:用夹具夹紧步骤1得到的电极块,采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接成一个圆柱形的电极;焊点要求为银灰色或淡黄色,防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷;电极块尺寸由模具确定,电极块数量根据坩埚长度而定;
步骤3:采用真空自耗电弧炉进行3次真空熔炼,为了获得内部组织和成分均匀的铸锭,还应在熔池形成后,适当控制和调节熔炼电流,具体熔炼工艺参数如下:
一次熔炼:坩埚规格Φ280mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压33~38V,熔炼电流13~17kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间4h;
二次熔炼:坩埚规格Φ440mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压30~37V,熔炼电流12~17kA,稳弧电流交流6.0~12.0A,冷却时间4h;
三次熔炼:坩埚规格Φ520mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~38V,熔炼电流14~17kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间6h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金。
实施例2:铸锭成品规格为φ560mm
步骤1:采用钒含量为38%的颗粒状钒铬合金、硅含量为50.5%的粉末状钛硅合金和碳粉与粒径为12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料,钒铬合金、钛硅合金、碳粉、海绵钛四种原材料按照V 32%,Cr 15%,Si 0.6%,C 0.05%的成分配比配料并混合均匀,余量为Ti和不可避免的杂质,并用大型液压机压制成电极块,压制压力为28MPa,压制时间7秒;
步骤2:用夹具夹紧步骤1得到的电极块,采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接成一个圆柱形的电极;焊点要求为银灰色或淡黄色,防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷;电极块尺寸由模具确定,电极块数量根据坩埚长度而定;
步骤3:采用真空自耗电弧炉进行4次真空熔炼,为了获得内部组织和成分均匀的铸锭,还应在熔池形成后,适当控制和调节熔炼电流,具体熔炼工艺参数如下:
一次熔炼:坩埚规格Φ360mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压35~39V,熔炼电流17~20kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间5h;
二次熔炼:坩埚规格Φ480mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压33~38V,熔炼电流14~20kA,稳弧电流交流6.0~12.0A,冷却时间6h;
三次熔炼:坩埚规格Φ540mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压33~39V,熔炼电流17~20kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间4h;
四次熔炼:坩埚规格Φ560mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~38V,熔炼电流15~20A,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间7h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金。
实施例3:铸锭成品规格为φ640mm
步骤1:采用钒含量为37%的颗粒状钒铬合金、硅含量为50%的粉末状钛硅合金和碳粉与粒径为6.5mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料,钒铬合金、钛硅合金、碳粉、海绵钛四种原材料按照V 25%,Cr 15%,Si 0.3%,C 0.1%的成分配比配料并混合均匀,余量为Ti和不可避免的杂质,并用大型液压机压制成电极块,压制压力为35MPa,压制时间4秒;
步骤2:用夹具夹紧步骤1得到的电极块,采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接成一个圆柱形的电极;焊点要求为银灰色或淡黄色,防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷;电极块尺寸由模具确定,电极块数量根据坩埚长度而定;
步骤3:采用真空自耗电弧炉进行5次真空熔炼,为了获得内部组织和成分均匀的铸锭,还应在熔池形成后,适当控制和调节熔炼电流,具体熔炼工艺参数如下:
一次熔炼:坩埚规格Φ440mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压37~41V,熔炼电流16~20kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间6h;
二次熔炼:坩埚规格Φ560mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流15~20kA,稳弧电流交流6.0~12.0A,冷却时间5h;
三次熔炼:坩埚规格Φ580mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流16~20kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间7h;
四次熔炼:坩埚规格Φ620mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压36~40V,熔炼电流18~24kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间8h。
五次熔炼:坩埚规格Φ640mm,熔前真空度≤0.5Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流22~30kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间10h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金。
实施例4:铸锭成品规格为φ680mm
与实施例3不同之处在于熔炼的具体工艺参数,具体如下:
一次熔炼:坩埚规格Φ440mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压35~38V,熔炼电流14~18kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间5h;
二次熔炼:坩埚规格Φ560mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压33~39V,熔炼电流14~20kA,稳弧电流交流6.0~12.0A,冷却时间5h;
三次熔炼:坩埚规格Φ620mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压33~39V,熔炼电流17~20kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间5h;
四次熔炼:坩埚规格Φ640mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压36~40V,熔炼电流18~24kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间6h;
五次熔炼:坩埚规格Φ680mm,熔前真空度≤0.5Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~38V,熔炼电流25~30kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间7h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金。
实施例5:铸锭成品规格为φ720mm
与实施例3不同之处在于熔炼的具体工艺参数,具体如下:
一次熔炼:坩埚规格Φ440mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压35~41V,熔炼电流17~20kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间6h;
二次熔炼:坩埚规格Φ560mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压33~40V,熔炼电流17~20kA,稳弧电流交流8.0~12.0A,冷却时间5h;
三次熔炼:坩埚规格Φ620mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流15~20kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间7h;
四次熔炼:坩埚规格Φ640mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压36~40V,熔炼电流18~24kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间5h;
五次熔炼:坩埚规格Φ720mm,熔前真空度≤0.5Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流24~30kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间8h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金。
本发明实施例1-5生产出的5批工业级大型WSTi2815SC合金铸锭的纵向头、上、中、下、尾5点以及头部和底部横截面边缘、二分之一半径、心部3点取样对主元素和杂质元素进行化学成分检测,数据显示铸锭11个部位各元素成分分布均匀以及批次间的稳定性较好;并对实施例3的铸锭头、中、尾部位切片进行X射线透射,切片低倍组织照片如图1所示(放大倍数为5-6倍),结果显示未发现任何成分偏析和冶金缺陷;实施例3的铸锭纵向头、上、中、下、尾5点以及头部和底部横截面边缘、二分之一半径、心部3点共计11个部位取样,各主元素分布及含量如图2所示,由测试结果可知,采用本发明的熔炼工艺技术生产的WSTi2815SC合金工业级大型铸锭成分均匀,并且批次稳定性良好,适用于工业化生产。

Claims (10)

1.一种WSTi2815SC阻燃钛合金,其特征在于,按照质量百分比由以下组份组成:V24%~32%,Cr12%~18%,Si0.1%~0.6%,C0.05%~0.14%,余量为Ti和不可避免的杂质。
2.一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:采用钒含量为37.5%±0.5%的钒铬合金、硅含量为50%±0.5%的钛硅合金、碳粉和小颗粒海绵钛进行单块电极混料,并用液压机压制成电极块;
步骤2:用夹具夹紧步骤1得到的电极块,采用非钨极氩气保护等离子箱将多个电极块焊接成一个电极;
步骤3:采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的电极进行多次真空熔炼,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压30~41V,熔炼电流12~24kA,稳弧电流6.0~16.0A,冷却时间4~10h,得到WSTi2815SC阻燃钛合金。
3.如权利要求2所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,所述步骤1中压制的压强为20~35MPa,压制时间4~10秒。
4.如权利要求2所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,所述步骤1中四种原材料按照钒铬合金、钛硅合金、碳粉、海绵钛四种原材料按照V24%~32%,Cr12%~18%,Si0.1%~0.6%,C0.05%~0.14%的成分配比配料并混合均匀。
5.如权利要求2所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,所述步骤1中小颗粒海绵钛的粒径为0.83~12.7mm。
6.如权利要求2所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,所述步骤2中电极优选为圆柱形。
7.如权利要求2所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,所述步骤3中真空熔炼的次数为3~5次。
8.如权利要求2或7所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,所述真空熔炼依次为:
一次熔炼:坩埚规格Φ280~Φ440mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压33~41V,熔炼电流13~20kA,稳弧电流直流8.0~12.0A,冷却时间4~6h;
二次熔炼:坩埚规格Φ440~Φ560mm,熔前真空度≤1.5Pa,漏气率≤0.8Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流12~20kA,稳弧电流交流6.0~12.0A,冷却时间4~6h;
三次熔炼:坩埚规格Φ520~Φ620mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流14~20kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间4~7h。
9.如权利要求8所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,在第三次真空熔炼后增加第四次真空熔炼:坩埚规格Φ560~Φ640mm,熔前真空度≤1.0Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压30~40V,熔炼电流15~24kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间5~8h。
10.如权利要求9所述一种WSTi2815SC阻燃钛合金的制备方法,其特征在于,在第四次真空熔炼后增加第五次真空熔炼:坩埚规格Φ640~Φ720mm,熔前真空度≤0.5Pa,漏气率≤0.5Pa/min,熔炼电压35~40V,熔炼电流22~30kA,稳弧电流交流10.0~16.0A,冷却时间7~10h。
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