CN104513914A - 一种超低间隙相高韧性铸造钛合金及熔铸方法 - Google Patents
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Abstract
一种超低间隙相高韧性铸造钛合金，其特征在于：合金组分以重量百分比为：铝占4.5~5.5%，锡占2~3%，碳≤0.03%，氮≤0.03%，氢≤0.010%，氧≤0.05%，铁≤0.3%，硅≤0.15%，余量为钛。本发明的铸造钛合金纯净度高，一致性好，性能稳定，且具有良好的抗拉强度和延伸率。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料和铸造技术，具体地是一种铸造用钛合金及其熔铸工艺技术。
背景技术
铸造钛合金比强度高且耐腐蚀，目前已成为装备制造领域的重要结构材料。近年来，航空、航天、舰船等高端装备制造技术的发展对钛合金部件的性能提出更高的要求，不仅要求钛合金铸件具有较高的强度，同时需要具备较好的韧性。常规铸造钛合金由于含有较高含量的C、N、H、O等间隙元素，虽然提高了力学强度，但却损伤了铸件的塑性和韧性，对航空、航天等苛刻工况条件下整体装备的安全性、可靠性造成很大的事故隐患。因此，发明低间隙元素含量的高韧性铸造钛合金对于上述领域的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低间隙相高韧性铸造钛合金，该合金具有良好的抗拉强度和延伸率，且组织、性能稳定。
本发明的另一目的，是提供一种该铸造钛合金的熔铸方法。
采用的技术方案是：
一种超低间隙相高韧性铸造钛合金，其特征在于：该合金主要由Ti、Al、Sn元素组成，并且杂质元素C、N、H、O含量较低，其中：铝占4.5~5.5%，锡占2~3%，碳≤0.03%，氮≤0.03%，氢≤0.010%，氧≤0.05%，铁≤0.3%，硅≤0.15%，余量为钛。
一种超低间隙相高韧性铸造钛合金的熔铸方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
（1）、取铸造钛合金，制成母合金电极。该铸造钛合金中各元素所占重量百分比具体为：铝占4.5~5.5%，锡占2~3%，碳≤0.03%，氮≤0.03%，氢≤0.010%，氧≤0.05%，铁≤0.3%，硅≤0.15%，余量为钛；
（2）、石墨铸型制备：根据铸造工艺图将石墨电极块采用机械加工和手工打磨的方法加工成石墨铸型；
（3）、石墨铸型预热：将石墨铸型放入真空高温除气炉中进行除气处理，真空度≤2×10-2 Pa，温度控制在800 ℃～1000 ℃，保温2～4小时，待冷却后转移至真空容器中待用；
（4）、合金熔炼：采用真空自耗电极凝壳炉熔炼浇注，将钛合金电极安装到真空自耗电极凝壳炉电极杆上，装卡铸型，关闭炉门后将炉体抽真空，当真空度≤3×10-2 Pa时，开始熔化电极，熔炼电流控制在10000A~20000A，电压控制在38~40V；
（5）、合金浇注：所述合金原料熔化到浇注重量后，转动铸型离心盘，离心盘转速控制在100~250r/min，翻转坩埚将合金液到入铸型中，获得钛合金铸件。
本发明优点是：
1.本发明中提供的铸造钛合金与GB6614和GJB2896中规定的ZTA7合金相比，成分波动小，间隙杂质元素C、N、H、O含量低，采用真空自耗电极电弧凝壳熔炼技术浇注成钛合金铸件后，合金成分的纯净度更高，一致性更好，组织、性能稳定。
2.本发明中提供的新型铸造钛合金的力学性能与GJB2896中规定的ZTA7相比，同样具有良好的抗拉强度，并具有更高的延伸率。
具体实施方式
实施例1，生产一种尺寸约为 500mm×250mm的钛合金叶轮铸件，步骤如下：
（1）制备母合金电极原料：钛合金电极成分如表1所示；
表1 钛合金电极成分 wt.%
| 元素 | Ti | Al | Sn | C | N | H | O | Fe | Si |
| 含量 | 余量 | 5.1 | 2.7 | 0.015 | 0.024 | 0.006 | 0.027 | 0.035 | 0.01 |
（2）石墨铸型制备：根据铸造工艺图将石墨电极块采用机械加工和手工打磨的方法加工成石墨铸型；
（3）石墨铸型预热：将石墨铸型放入真空高温除气炉中进行除气处理，真空度为1×10-2 Pa，温度控制在900 ℃，保温4小时，待冷却后转移至真空容器中待用；
（4）合金熔炼：将钛合金电极安装到真空自耗电极凝壳炉电极杆上，装卡铸型，关闭炉门后将炉体抽真空，当真空度为1×10-2 Pa时，开始熔化电极，熔炼电流控制在18000A，电压控制在40V；
（5）合金浇注：所述合金原料熔化到浇注重量后，转动铸型离心盘，离心盘转速控制在150r/min，翻转坩埚将合金液到入铸型中，获得钛合金铸件。
钛合金铸件的化学成分如表2所示，热等静压后力学性能如表3所示。
表2 钛合金铸件成分 wt.%
| 元素 | Ti | Al | Sn | C | N | H | O | Fe | Si |
| 含量 | 余量 | 5.05 | 2.7 | 0.015 | 0.022 | 0.007 | 0.031 | 0.038 | 0.01 |
表3 钛合金铸件力学性能wt.%
实施例2，生产一种尺寸约为800mm×150mm的钛合金壳体铸件，步骤如下：
（1）制备母合金电极原料：钛合金电极成分如表4所示；
表4 钛合金电极成分 wt.%
| 元素 | Ti | Al | Sn | C | N | H | O | Fe | Si |
| 含量 | 余量 | 4.9 | 2.45 | 0.01 | 0.018 | 0.005 | 0.03 | 0.03 | 0.02 |
（2）石墨铸型制备：根据铸造工艺图将石墨电极块采用机械加工和手工打磨的方法加工成石墨铸型；
（3）石墨铸型预热：将石墨铸型放入真空高温除气炉中进行除气处理，真空度为1.5×10-2 Pa，温度控制在1000 ℃，保温4小时，待冷却后转移至真空容器中待用；
（4）合金熔炼：将钛合金电极安装到真空自耗电极凝壳炉电极杆上，装卡铸型，关闭炉门后将炉体抽真空，当真空度为2×10-2 Pa时，开始熔化电极，熔炼电流控制在15000A，电压控制在40V；
（5）合金浇注：所述合金原料熔化到浇注重量后，转动铸型离心盘，离心盘转速控制在200r/min，翻转坩埚将合金液到入铸型中，获得钛合金铸件。
钛合金铸件的化学成分如表5所示，热等静压后力学性能如表6所示。
表5 钛合金铸件成分 wt.%
| 元素 | Ti | Al | Sn | C | N | H | O | Fe | Si |
| 含量 | 余量 | 4.82 | 2.46 | 0.01 | 0.022 | 0.006 | 0.036 | 0.04 | 0.03 |
表6 钛合金铸件力学性能wt.%
反例1，生产一种尺寸约为320mm×220mm×150mm的钛合金框架铸件，步骤如下：
（1）合金原料：钛合金电极成分如表7所示；
表7 钛合金电极成分 wt.%
| 元素 | Ti | Al | Sn | C | N | H | O | Fe | Si |
| 含量 | 余量 | 5.23 | 2.82 | 0.032 | 0.041 | 0.015 | 0.089 | 0.05 | 0.01 |
（2）石墨铸型制备：根据铸造工艺图将石墨电极块采用机械加工和手工打磨的方法加工成石墨铸型；
（3）石墨铸型预热：将石墨铸型放入真空高温除气炉中进行除气处理，真空度为2×10-2 Pa，温度控制在900 ℃，保温4小时，待冷却后转移至真空容器中待用；
（4）合金熔炼：将钛合金电极安装到真空自耗电极凝壳炉电极杆上，装卡铸型，关闭炉门后将炉体抽真空，当真空度为2×10-2 Pa时，开始熔化电极，熔炼电流控制在16000A，电压控制在40V；
（5）合金浇注：所述合金原料熔化到浇注重量后，转动铸型离心盘，离心盘转速控制在150r/min，翻转坩埚将合金液到入铸型中，获得钛合金铸件。
钛合金铸件的化学成分如表8所示，热等静压后力学性能如表9所示。
表8 钛合金铸件成分 wt.%
| 元素 | Ti | Al | Sn | C | N | H | O | Fe | Si |
| 含量 | 余量 | 5.13 | 2.7 | 0.03 | 0.043 | 0.011 | 0.074 | 0.055 | 0.015 |
表9 钛合金铸件力学性能wt.%
铸件化学成分中杂质元素含量提高后，铸件塑性明显下降。
Claims (2)
1.一种超低间隙相高韧性铸造钛合金，其特征在于：该钛合金组分以重量百分比为：铝占4.5~5.5%，锡占2~3%，碳≤0.03%，氮≤0.03%，氢≤0.010%，氧≤0.05%，铁≤0.3%，硅≤0.15%，余量为钛。
2.一种超低间隙相高韧性铸造钛合金熔铸方法，其特征在于：包括下述步骤：
（1）、采用钛合金制成母合金电极；钛合金组分以重量百分比计为：铝占4.5~5.5%，锡占2~3%，碳≤0.03%，氮≤0.03%，氢≤0.010%，氧≤0.05%，铁≤0.3%，硅≤0.15%，余量为钛；
（2）石墨铸型制备：将石墨电极块采用机械加工和手工打磨的方法加工成石墨铸型；
（3）石墨铸型预热：将石墨铸型放入真空高温除气炉中进行除气处理，真空度≤2×10-2 Pa，温度控制在800 ℃～1000 ℃，保温2～4小时；
（4）合金熔炼：将钛合金电极安装到真空自耗电极凝壳炉电极杆上，装卡铸型，关闭炉门后将炉体抽真空，当真空度≤3×10-2 Pa时，开始熔化电极，熔炼电流控制在10000A~20000A，电压控制在38~40V；
（5）合金浇注：离心盘转速控制在100~250r/min，翻转坩埚将合金液到入铸型中，获得钛合金铸件。
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