CN105018789A - 一种铸造合金钛及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造合金钛及其制备方法，铸造合金钛包括氮化铝，铸造合金钛中氮的重量含量为0.01％-0.04％，其制备方法包括以下步骤：(1)配方确定计算及原材料的选用；(2)合金包包制；(3)海绵钛电极压制；(4)电极组焊和真空自耗电弧铸锭熔炼。本发明通过氮含量的调整来增加合金材料强度，在成分要求范围内，进一步提高强度富裕程度，更好的满足标准要求；本发明调整氮含量的添加物质为氮化铝，合金氮成分可以得到有效调整和控制，达到预期配方成分；本发明确定了氮含量合理的工作成分范围，该方法适用于所有已知牌号的铸造钛合金中，不影响铸造钛合金的流动性性能。

Description

一种铸造合金钛及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金及其制备方法，尤其是一种铸造合金钛及其制备方法。

背景技术

钛作为铁、铝之后的第三金属，是五十年代兴起的一种重要的结构金属材料。钛具有许多宝贵的特性：密度低(4.5g/cm³,为低碳钢的57％)，比强度高，耐蚀性好，膨胀系数低，导热率低，无磁无毒，生物相容性好，表面可装饰性强，具有储氢，超导形状记忆，超弹和高阻尼等特殊功能，广泛运用于航空航天、航海、兵器、石油化工、汽车、体育运动器材和医疗器材当中，是十分重要的结构材料和功能材料，对中国和世界军事、经济及社会发展均具有重要的战略作用和影响。

钛合金零件主要通过热变形和铸造这两种加工方法实现，而其中铸造，尤其是精密铸造具有复杂形状零件成型的优势而得到广泛应用，但是铸件无法像热变形件一样可以通过热变形和热处理工艺方式对合金材料组织和力学性能进行调整和改善，因此铸造钛合金的化学成分成为决定铸件最终力学性能的重要因素，而铸造钛合金的材料制备过程(产品是钛合金铸锭)正是确定形成预先制定合金化学成分的关键步骤，是决定钛产品合金质量的重要阶段。

1.常用铸造钛合金牌号的成分和性能标准

铸造钛合金常用合金元素一般为Al、V、Mo、Zr、Sn等，通过添加各种不同种类和成分的合金元素，获得不同侧重点如耐蚀、高强、高温的良好综合性能。国内外常用的铸造钛合金(表1)牌号代号有工业纯钛C2、C3(CPTi)、ZTC4(Ti-6Al-4V)、ZTA15(Ti-6Al-2Zr-2Mo-2V，前苏联BT20)、ZTA5(Ti-5Al)、ZTA7(Ti-5Al-2.5Sn)等。

表1常用铸造钛合金化学成分要求

表2常用铸造钛合金附铸试棒力学性能要求

铸造钛合金材料主要通过添加合金元素以固溶强化方式使合金提高强度。C2、C3为未合金化含有杂质的工业纯钛，其强度较低，大约300～500MPa，一般用于耐腐蚀泵阀类的化工行业中。ZTC4(Ti-6Al-4V)是目前国内外应用最为广泛的一种铸造钛合金，以Al、V为主要强化元素，获得比未合金化的纯钛更高的强度，具有800～900MPa左右室温拉伸强度和良好的铸造性能和焊接性能，该合金在退火或热等静压状态下使用。ZTA15由于合金化程度更高，强度可达到900～1000MPa，大量运用于航空航天铸件中。

以上各种牌号铸造钛合金材料，需通过一整套钛合金(铸锭)制备工艺过程实现，其中应用最为广泛的技术加工路线如下：确定合金成分配方→选择合适原材料(海绵钛和中间合金)→合金配方计算→合金配料(形成合金包)→大吨位油压机压制成海绵钛电极→在真空电弧自耗熔炼炉的水冷铜坩埚中经过一次或以上次数的熔炼成为铸锭→化学成分检验→成品合格铸锭，以此铸锭作为真空铸造凝壳炉的电极进行再次重熔浇注铸型中形成最终铸件。

2.铸造钛合金铸锭材料制备过程：

钛合金铸锭主要采用的真空自耗电弧熔炼方法获得，由于真空自耗电弧熔炼是一个始终局部范围内熔化、凝固、结晶的过程，因此要获得具有良好成分均匀性钛合金铸锭的先决条件，首先是对电极材料如海绵钛以及合金元素精心挑选和严格控制。

海绵钛：选择使用的海绵钛必须符合相应的国家产品标准(GB2524-2002，见表3)，产品按化学成分及布氏硬度分为6个牌号：MHT-100、110、125、140、160、200，相应等级由0级到5级,铁、碳、氮、氧等杂质含量逐渐升高，布氏硬度增大(硬度-杂质经验公式HB＝196√％N+158√％O+45√％C+20√％Fe+57)，从经验公式可见氮的强化作用大于氧碳铁。氮、氧、铁、碳作为杂质元素会提高材料强度，降低塑性，因此必须控制在允许范围内。根据具体铸件产品的技术要求可选择合适等级的海绵钛，一般航空航天产品选择0～1级，普通民用铸件可选用1～2级。其他产品要求指标还包括粒度、外观质量等。

表3海绵钛等级牌号和成分

合金元素：钛合金材料制备中添加的合金元素与选择海绵钛一样重要，必须控制特别是可能在钛基体中形成难熔或高密度夹杂的杂质元素。对于合金元素的添加方式上，必须考虑其熔点和溶解度。对于Al、Zr、Fe、Cu、Cr等熔点相比钛较低或略高的元素，可以以纯金属的形式加入，对于真空高温熔炼条件下易挥发的元素，如Al等，需要适量增加合金配比；而像V、Mo、Si等熔点较高的难熔金属，必须以中间合金AlV、AlMo及AlSi的形式添加，氧可以以化学纯二氧化钛细粉方式加入。纯金属、中间合金的粒度大小也必须严格控制，过大的颗粒容易造成合金成分偏析和产生夹杂。另外，作为铸造钛合金还需考虑添加合金元素对铸造性能影响程度，生产实践中发现当铁含量超过0.15％后，会使薄壁铸件的铸造性能包括流动性、铸型填充能力有所降低。

合金主要原材料海绵钛生产制备过程中，从钛化合物(TiCl₄)中制取的过程都在低于钛熔点(1668℃)的温度下通过还原反应和真空蒸馏进行，只能得到含有少量氯化物(残留蒸馏产物)的多孔海绵状疏松金属。为获得一定成分、性能的钛合金产品，必须按预先制定各元素化学成分的计算配方，将海绵钛和合金元素(合金包方式)混合后经大吨位油压机压制成海绵钛电极，并经过焊接成较长电极组装炉经真空电弧自耗炉熔炼成致密铸锭。由于钛在高温下活性强，在熔炼温度下钛液几乎能与所有的耐火材料以及氧、氮、氢起反应，因此钛合金的熔炼必须在真空中的水冷铜坩埚下进行，海绵钛电极组作为负极在大电流电弧下逐步熔化滴落到水冷坩埚(正极)中凝固，得到致密的钛合金铸锭，根据产品使用要求可以进行二次及以上熔炼，以进一步去除挥发物以及合金元素的均匀化。这种在真空高温电弧熔炼下特殊冶金工艺制备的钛合金铸锭，经过化学成分的检验，合金元素和杂质元素应符合相应的材料标准，然后下一步在真空铸造凝壳炉中作为自耗电极，进行重熔、浇注，形成最终铸件。

通过以上材料加工工艺制备的钛合金铸锭，基本最终确定了浇注铸件用铸造钛合金的各项化学成分，也就最大程度上决定了合金最终的各项力学性能基本水平。

3、现有技术的缺点

在上述的合金制备工艺下生产的合金材料，铝Al、钒V等合金元素控制较为稳定，气体元素氧O和氮N、氢H、其他杂质元素铁Fe、硅Si、碳C等符合标准要求。

其中，气体元素氧O、氮N和氢H对材料强度有较大影响。由于它们存在于钛的八面体间隙中,所以称之为间隙元素,可以使钛的晶格扭曲增加,晶格常数增大,具有明显的强化作用。在大量使用的钛合金中，普遍将氧作为一个辅助增加合金强度的重要手段，同时不明显损失塑性，而氮强化作用大于氧，和氢一样在合金中作为杂质元素予以控制。

由表4统计显示，ZTC4同一牌号下，其他元素基本保持同一水平，而0.12％较低氧含量到0.16％高氧含量，氧含量平均增幅0.04％后，抗拉强度增加近30MPa，屈服强度增加20MPa。所以，在一般常用牌号的钛合金中，都会在海绵钛基体氧含量(0.05％～0.07％)的基础上，通过合金配料过程中加入预定重量TiO₂粉末，经真空自耗熔炼后以增加合金氧含量的方式来提高合金强度。生产实践中，ZTC4合金(Ti-6Al-4V)氧含量必须大于0.15％方可达到标准要求的890MPa以上合金强度，同理，C2、C3合金不同强度等级要求主要由不同分别在0.10％、0.20％左右的氧含量带来，ZTA15合金的氧含量应大于0.10％。

表4 ZTC4同一牌号不同氧含量下的材料力学性能

同时，如果氧含量低于上述范围的下限，可能会造成合金强度性能偏低甚至不合格现象，而含量若较高向上稍有波动则容易超出成分规范上限(ZTC4≤0.20％、ZTA15≤0.16％)造成化学成分不合格，因此氧含量还需要比标准规定上限稍低，以保证不超过上限。在生产实践中，ZTC4合金的氧含量实际使用范围一般分布在0.15～0.18％，ZTA15为0.10～0.14％，只有这样合金材料的成分和性能方可均满足标准规范要求。由此可见，氧含量稳定分布在一定规定范围之内极为重要，即确保合金强度满足要求，而成分又不能超过标准上限。但是，在现有的海绵钛原材料和钛合金铸锭制备生产工艺条件下，由于受制于海绵钛基体的氧含量均值的代表性和波动范围的不确定性，合金制备过程中配料、焊接和真空熔炼的增氧，铸锭不同部位的分布差异和成分偏析，气体成分测试偏差，最终造成铸造钛合金中氧含量最终含量是否达到配方目标值以及成分波动范围的控制难度较大，长期数据统计显示氧含量波动范围可以达到±0.020％，不容易稳定地分布在要求的使用范围之间，进而影响材料强度水平以及相应的合格率指标，稳定控制氧含量并处于合理使用区间是一个影响因素较多的技术难题。而值得注意的是表4中显示，同为气体元素的氮含量，作为杂质含量控制，离标准规定上限距离尚远。

表5 ZTC4不同时间阶段化学成分-力学性能平均水平(均值)统计

表5为不同时间阶段的成分性能统计，可以看出，Al、V、O成分(配方确定并过程控制)含量在两个时间阶段基本保持同一水平，而N含量平均值由原来0.016％明显下降到近年平均0.008％甚至更低水平，这是因为随着海绵钛及其上游原料产品纯度越来越高，海绵钛各杂质元素尤其是氮含量逐年显著降低。同时可以看出，合金的抗拉强度Rm平均值由920MPa降低到908MPa，减少大约20MPa，并已经趋近标准合格限890MPa，富裕度变小。从以上变化，参考根据海绵钛硬度-杂质经验公式HB＝196√％N+158√％O+45√％C+20√％Fe+57可以看出，其中氮的强化作用大于氧，并远大于碳、铁，可以初步判定海绵钛中氮含量的明显降低是影响以钛为基体的钛合金强度降低的最主要因素。近年的生产实践显示，由于氮含量的明显下降，加上氧含量控制不好低于0.15％以下，屡屡出现了铸件合金强度降低甚至不合格的现象。

由于近年铸造钛合金材料强度明显呈现偏低的趋势，则必须考虑通过成分调整提高来改善合金强度。从表4和5见，目前的常规合金元素的强化技术主要以Al、V、O元素为主，但是它们的含量已接近标准上限，尤其是ZTC4铸锭氧含量波动范围0.15～0.18％，成分波动上限已接近标准上限0.20％，考虑到避免成分波动水平不超过成分标准上限，可以调控的余地很小，而其他元素如Fe、Si、C元素考虑其成分含量的提高会造成铸造性能变差而控制原材料水平不予调整。以上表明：目前工艺技术条件下，采用常规合金强化元素Al、V、O，因缺乏调整提高的余地和空间，无法进一步提高合金强度来保证满足合金性能标准。

鉴于目前海绵钛中氮含量降低是影响合金强度下降的主要原因，则一个解决思路即是改变以前将氮作为杂质元素的观点，寻找在合金材料中的添加氮元素方法，并将氮含量提高和控制在一定合理使用范围以满足合金强度性能标准要求。国外资料报道，在高强度钛合金的研制过程中，气体间隙元素可以被作为一种有利的合金元素而加以利用，间隙元素的合理应用是目前高强度钛合金发展方向之一。国外的低成本合金开发中，采用的Ti-N-Fe系合金，即是采用氮N间隙元素强化效果的优点。目前国内生产的海绵钛和铸造钛合金(未人工有意添加氮)中气体元素氮N含量稳定保持在0.008％以下水平，距标准上限(≤0.050％)还有较大富裕区间，本发明已通过先期的试验和大量生产实践过程验证，在铸造钛合金铸锭材料制备过程中，通过添加一种氮化物的方式，提高海绵钛中较低的氮含量水平，将合金中氮含量工作成分提高调整到一定合理区间，可以达到增加进一步合金材料强度性能的目的，同时满足成分的要求。

发明内容

本发明提供了一种铸造合金钛及其制备方法，通过添加氮化铝粉末，增加合金氮N含量的工艺，解决了现有钛合金中由于氮含量低导致合金强度下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种铸造合金钛，包括氮化铝。

进一步，本发明的一种优选方案为：铸造合金钛中氮的重量含量为0.01％-0.04％。

进一步，本发明的一种优选方案为：铸造合金钛中氮的重量含量为0.02％-0.03％。

本发明也提供了一种铸造合金钛的制备方法，通过增加氮化铝的方法使造合金钛中氮的重量含量为0.01％-0.04％。

进一步，本发明的一种优选方案为：通过增加氮化铝的方法使造合金钛中氮的重量含量为0.02％-0.03％。

进一步，本发明的一种优选方案为：包括以下步骤：

(1)配方确定计算及原材料的选用：首先确定合金配方中Al、V、O、N各元素的质量百分含量，根据确定的元素配方含量，计算需添加主要元素和原材料重量，包括需要氮质量以及相应的氮化铝AlN重量，编制合金配料卡，经校验、审核批准后，下达至合金配料工序；

(2)合金包包制：根据合金配料卡中规定的氮化铝AlN及其他合金原材料的重量，分别进行称量，然后沿合金包长度方向均匀布置包括氮化铝AlN粉末在内的所有合金元素材料，进行合金包包制，形成合金包，完成后进行重量检验，合格后转向下道海绵钛电极压制工序；

(3)海绵钛电极压制：按配料卡中海绵钛规定重量进行称量所需海绵钛2份，先将一份海绵钛倒入油压机压模内，把2根合金包水平对称放置海绵钛中间部位上，然后倒入另外一份海绵钛按照油压机操作规程进行电极压制，电极压制完成后进行电极重量检查；

(4)电极组焊和真空自耗电弧铸锭熔炼：将所需数量海绵钛电极水平摆放在焊接工作台上，保证平直和接触良好，使用氩弧焊机进行电极组焊，连接制成一定长度的电极组，将焊好的电极组装入真空自耗电极电弧炉内，调整电极处于铜坩埚的中心位置，提升电极，封闭炉门抽真空，当满足规定的真空度工艺参数后，下降电极起弧熔炼，电极逐渐消耗熔化滴落在水冷紫铜坩埚中，进行一边熔化一边凝固的铸锭熔炼过程，熔炼结束后铸锭在炉内冷却一定时间后出炉，海绵钛电极分别通过两次真空自耗熔炼，最终得到铸造钛合金铸锭，铸造钛合金铸锭经过车床的车去冒口后，在铸锭头部侧端面进行化学成分试样的取样，测试Al、V、Fe、Si、C、N、H、O的含量，满足相关标准要求合格后作为电极，投入铸造钛合金重熔浇注铸造工序。

本发明中的铸造合金钛为工业纯钛C2、C3(CPTi)、ZTC4(Ti-6Al-4V)、ZTA15(Ti-6Al-2Zr-2Mo-2V，前苏联BT20)、ZTA5(Ti-5Al)、ZTA7(Ti-5Al-2.5Sn)等。

本发明的有益效果：

本发明通过氮含量的调整来增加合金材料强度，在成分要求范围内，进一步提高强度富裕程度，更好的满足标准要求；

本发明调整氮含量的添加物质为氮化铝，合金氮成分可以得到有效调整和控制，达到预期配方成分；

本发明确定了氮含量合理的工作成分范围，该方法适用于所有已知牌号的铸造钛合金中，不影响铸造钛合金的流动性性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的铸造合金钛的工艺流程图；

图2为实施例1中的合金配料卡。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

以生产合金牌号为ZTC4(Ti-6Al-4V)为例，氮含量为0.018％，其它类型的合金如ZTA15(Ti-6Al-2Zr-2Mo-2V，前苏联BT20)、ZTA5(Ti-5Al)、ZTA7(Ti-5Al-2.5Sn)可以参考本实施例的工艺，不再叙述。

如图1所示，一种铸造钛合金中的制备方法，包括以下步骤：

(1)配方确定计算及原材料的选用：首先确定合金配方中Al、V、O、N各元素的质量百分含量，根据确定的元素配方含量，计算需添加主要元素和原材料重量，包括需要氮质量以及相应的氮化铝AlN重量，编制合金配料卡(图1)，经校验、审核批准后，下达至合金配料工序；

如下：铝含量Al＝6.7％，钒含量V％＝4.25％，氧含量O＝0.15％，根据先期的高氧ZTC4(Ti-6Al-4V)合金不同氮含量成分和拉伸性能试验数据统计总结分析，确定氮配方含量N＝0.018％。

钛为基体，原材料中一般采用1级海绵钛，海绵钛的氧、氮含量平均水平为0.05％、0.006％，其他元素Fe、C、Si、H为杂质，元素钒V以铝钒中间合金颗粒方式加入(牌号为AV55)，元素铝Al由铝钒中间合金以及铝条铝箔形式加入，元素氧O以二氧化钛粉末(TiO₂分析纯)方式加入，元素氮N配方含量相比一级海绵钛原材料中的氮含量水平范围0.006％高出近3倍，其中的差距由配料过程中额外添加氮化铝AlN来提供补足，过程选用的氮化铝AlN粉末，为耐高温人工合成材料，分子量40.99，密度3.23g/cm³，氮百分含量(N/wt％)37％，粒度3～7μm。

根据确定的元素配方含量，计算需添加主要元素和原材料重量，包括需要氮质量以及相应的氮化铝AlN重量(克/g)，编制合金配料卡(图2)，经校验、审核批准后，下达至合金配料工序。

合金配方计算计算重量步骤如下，以高氧ZTC4(Ti-6Al-4V)为例，合金配制的海绵钛电极重量为计算基准：

1.配方：

确定合金配方中铝含量Al＝6.7％，V％＝4.25％，氧含量O_T＝0.15％，氮含量为N_T＝0.018％，

2.原材料：

选用海绵钛氧含量O＝0.045％、氮含量为N＝0.004％，铝钒AlV中间合金V含量＝58.46％、Al含量＝41.49％，二氧化钛TiO₂氧含量＝38％，氮化铝AlN中氮含量＝35.5％，

3.单个海绵钛电极按重量为9000g/根(代号D)计算，每个电极中含有一个合金包，余量为海绵钛，单个电极中各元素的重量按合金配方含量进行计算：

铝重量＝D×6.7％＝9000×6.7％＝603.0克

钒重量＝D×4.25％＝9000×4.25％＝382.5克

氧重量＝D×0.15％＝9000×0.15％＝13.5克

氮含量＝D×0.018％＝9000×0.018％＝1.62克

余量海绵钛重量T＝D-铝重量-钒重量-氧重量-氮含量＝9000-603.0-382.5-13.5-1.62＝7987克

4.以上元素重量由合金包中原材料带入，原材料重量计算如下：

铝钒中间合金重量＝钒重量÷铝钒AlV中间合金V含＝382.5÷58.46％＝654.3克；

铝条铝箔重量＝铝重量-铝钒中间合金重量铝钒AlV中间合金Al含量＝603.0-654.3×41.49％＝331.5克；

二氧化钛TiO₂重量＝(氧重量-余量海绵钛重量T×海绵钛氧含量)÷二氧化钛TiO₂氧含量＝(13.5-7987×0.045％)÷41％＝24.1克；

氮化铝AlN重量＝(氮重量-余量海绵钛重量T×海绵钛氮含量)÷氮化铝AlN氧含量＝(1.62-7987×0.004％)÷37％＝3.5克；

(2)合金包包制：根据合金配料卡中规定的氮化铝AlN及其他合金原材料的重量，分别进行称量，然后沿合金包长度方向均匀布置包括氮化铝AlN粉末在内的所有合金元素材料(铝钒AlV中间合金、铝箔、铝条以及二氧化钛TiO₂粉末)，进行合金包包制，形成合金包，完成后进行重量检验，合格后转向下道海绵钛电极压制工序；

(3)海绵钛电极压制：按配料卡中海绵钛规定重量进行称量所需海绵钛2份，先将一份海绵钛倒入油压机压模内，把2根合金包水平对称放置海绵钛中间部位上，然后倒入另外一份海绵钛按照油压机操作规程进行电极压制，电极压制完成后进行电极重量检查；

(4)电极组焊和真空自耗电弧铸锭熔炼：将所需数量海绵钛电极水平摆放在焊接工作台上，保证平直和接触良好，使用氩弧焊机进行电极组焊，连接制成一定长度的电极组，将焊好的电极组装入真空自耗电极电弧炉内，调整电极处于铜坩埚的中心位置，提升电极，封闭炉门抽真空，当满足规定的真空度工艺参数后，下降电极起弧熔炼，电极逐渐消耗熔化滴落在水冷紫铜坩埚中，进行一边熔化一边凝固的铸锭熔炼过程，熔炼结束后铸锭在炉内冷却一定时间后出炉，海绵钛电极分别通过两次真空自耗熔炼，最终得到铸造钛合金铸锭，铸造钛合金铸锭经过车床的车去冒口后，在铸锭头部侧端面进行化学成分试样的取样，测试Al、V、Fe、Si、C、N、H、O的含量，满足相关标准要求合格后作为电极，投入铸造钛合金重熔浇注铸造工序。

对比例1

制备方法与实施例1相同，不同点在于，不通过添加氮化铝来调整氮含量。

实施例1和对比例1所制备的ZTC4合金的氮含量成分和拉伸性能见下表6。此表的数据为500批次生产的平均数据。

表6实施例1和对比例1所制备的氮含量成分和拉伸性能

在生产实践中，原来的不调整氮成分的合金铸锭氮含量均值小于0.008％水平，调整氮含量合金至0.018％的合金铸锭后，进行的精铸型铸件的浇注，统计大量两种不同氮含量水平的附铸试样成分和性能，得到分析结果：在其他成分水平保持不变的情况下，铸造钛合金氮含量平均增加了0.01％左右，附铸试棒的抗拉强度大约由原来不调整氮含量的900MPa增加到937MPa，进一步提高了拉伸强度的富裕程度，更好的满足标准要求，生产实践证明效果理想，和设计的预期一致。

对比例2

制备方法与实施例1类似，不同点在于，采用氮含量为0.008％的海绵钛为原料，不通过添加氮化铝来调整氮含量。

实施例2-4

与对比例2类似，采用氮含量为0.008％的海绵钛为原料，通过添加氮化铝来调整氮含量，实施例2的氮含量为0.01％，实施例3的氮含量为0.02％，实施例4的氮含量为0.03％。

对比例2和实施例2-4所制备的ZTC4合金的氮含量成分和拉伸性能见下表7。

表7实施例2-4和对比例2所制备的氮含量成分和拉伸性能

制备的合金铸锭和浇注后的附铸试样的氮含量均达到试验要求的4个氮含量等级，氮含量可以得到有效的提高调整和控制，达到设计含量，试验中拉伸测试结果表6显示：不添加氮含量合金抗拉强度为920MPa，屈服强度831MPa，比较屈服强度合格限825MPa富裕程度较小，稍有成分波动可能屈服强度偏低而造成不合格风险。合金强度随氮含量升高而增加，当氮含量每平均升高约0.010％，合金抗拉和屈服强度增加约10MPa，塑性略有下降，高至0.03％含量，抗拉强度可达到960MPa，比不添加氮含量合金增加40MPa，同时仍可满足塑性指标要求。分析总结试验结果可见：氮含量分布在0.010～0.030％范围区间内时，抗拉和屈服强度比较合格线分别高出40MPa和20MPa以上，提高了强度富裕程度，综合性能较好，可满足标准要求。

实施例5

本发明的方法同样适用于纯钛。

纯钛中添加氮含量的制备方法类似于Ti6Al4V，只是在配料过程中不添加AlV中间合金和Al丝。

牌号为C3(高氧纯钛)铸造钛合金中的制备方法，包括以下步骤：

(1)配方确定计算及原材料的选用：首先确定纯钛C3合金配方中O、N各元素的质量百分含量，根据确定的元素配方含量，计算需添加主要元素和原材料重量，包括需要氮质量以及相应的氮化铝AlN重量，编制合金配料卡，经校验、审核批准后，下达至合金配料工序；

如下：氧含量O＝0.18％，确定氮配方含量N＝0.018％。

钛为基体，原材料中一般采用1级海绵钛，海绵钛的氧、氮含量平均水平为0.05％、0.006％，其他元素Fe、C、Si、H为杂质，元素氧O以二氧化钛粉末(TiO₂分析纯)方式加入，元素氮N配方含量相比一级海绵钛原材料中的氮含量水平范围0.006％高出近3倍，其中的差距由配料过程中额外添加氮化铝AlN来提供补足，过程选用的氮化铝AlN粉末，为耐高温人工合成材料，分子量40.99，密度3.23g/cm³，氮百分含量(N/wt％)37％，粒度3～7μm。

根据确定的元素配方含量，计算需添加主要元素和原材料重量，包括需要氮质量以及相应的氮化铝AlN重量(克/g)，编制合金配料卡，经校验、审核批准后，下达至合金配料工序。

合金配方计算计算重量步骤如下，以C3为例，合金配制的海绵钛电极重量为计算基准：

1.配方：

确定合金配方中氧含量O_T＝0.18％，氮含量为N_T＝0.018％，

2.原材料：

选用海绵钛氧含量O＝0.045％、氮含量为N＝0.004％，二氧化钛TiO₂氧含量＝38％，氮化铝AlN中氮含量＝35.5％，

3.单个海绵钛电极按重量为9000g/根(代号D)计算，每个电极中含有一个合金包，余量为海绵钛，单个电极中各元素的重量按合金配方含量进行计算：

氧重量＝D×0.15％＝9000×0.15％＝13.5克

氮含量＝D×0.018％＝9000×0.018％＝1.62克

余量海绵钛重量T＝D--氧重量-氮含量＝9000-13.5-1.62＝8985克

4.以上元素重量由合金包中原材料带入，原材料重量计算如下：

二氧化钛TiO₂重量＝(氧重量-余量海绵钛重量T×海绵钛氧含量)÷二氧化钛TiO₂氧含量＝(13.5-8985×0.045％)÷41％＝23.1克；

氮化铝AlN重量＝(氮重量-余量海绵钛重量T×海绵钛氮含量)÷氮化铝AlN氧含量＝(1.62-8985×0.004％)÷37％＝3.4克；

(2)合金包包制：根据合金配料卡中规定的二氧化钛TiO₂、氮化铝AlN重量，分别进行称量，然后沿合金包长度方向均匀布置，进行合金包包制，形成合金包，完成后进行重量检验，合格后转向下道海绵钛电极压制工序；

(3)海绵钛电极压制：按配料卡中海绵钛规定重量进行称量所需海绵钛2份，先将一份海绵钛倒入油压机压模内，把2根合金包水平对称放置海绵钛中间部位上，然后倒入另外一份海绵钛按照油压机操作规程进行电极压制，电极压制完成后进行电极重量检查；

(4)电极组焊和真空自耗电弧铸锭熔炼：将所需数量海绵钛电极水平摆放在焊接工作台上，保证平直和接触良好，使用氩弧焊机进行电极组焊，连接制成一定长度的电极组，将焊好的电极组装入真空自耗电极电弧炉内，调整电极处于铜坩埚的中心位置，提升电极，封闭炉门抽真空，当满足规定的真空度工艺参数后，下降电极起弧熔炼，电极逐渐消耗熔化滴落在水冷紫铜坩埚中，进行一边熔化一边凝固的铸锭熔炼过程，熔炼结束后铸锭在炉内冷却一定时间后出炉，海绵钛电极分别通过两次真空自耗熔炼，最终得到铸造钛合金铸锭，铸造钛合金铸锭经过车床的车去冒口后，在铸锭头部侧端面进行化学成分试样的取样，测试Fe、Si、C、N、H、O的含量，满足相关标准要求合格后作为电极，投入铸造钛合金重熔浇注铸造工序。

本发明所制备的纯钛C3符合纯钛的要求。

采用添加氮化铝的方法来调整纯钛的强度，开辟了一种新的调整纯钛强度的方法，比通过调整氧含量更方便、准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铸造合金钛，其特征在于：包括氮化铝。

2.根据权利要求1所述的一种铸造合金钛，其特征在于：铸造合金钛中氮的重量含量为0.01％-0.04％。

3.根据权利要求2所述的一种铸造合金钛，其特征在于：铸造合金钛中氮的重量含量为0.02％-0.03％。

4.一种铸造合金钛的制备方法，其特征在于：通过增加氮化铝的方法使造合金钛中氮的重量含量为0.01％-0.04％。

5.根据权利要求4所述的一种铸造合金钛的制备方法，其特征在于：通过增加氮化铝的方法使造合金钛中氮的重量含量为0.02％-0.03％。

6.根据权利要求4或5所述的一种铸造合金钛的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配方确定计算及原材料的选用：首先确定合金配方中Al、V、O、N各元素的质量百分含量，根据确定的元素配方含量，计算需添加主要元素和原材料重量，包括需要氮质量以及相应的氮化铝AlN重量，编制合金配料卡，下达至合金配料工序；

(2)合金包包制：根据合金配料卡中规定的氮化铝AlN及其他合金原材料的重量，分别进行称量，然后沿合金包长度方向均匀布置包括氮化铝AlN粉末在内的所有合金元素材料，进行合金包包制，形成合金包，完成后进行重量检验，合格后转向下道海绵钛电极压制工序；

(3)海绵钛电极压制：按配料卡中海绵钛规定重量进行称量所需海绵钛2份，先将一份海绵钛倒入油压机压模内，把2根合金包水平对称放置海绵钛中间部位上，然后倒入另外一份海绵钛进行电极压制，电极压制完成后进行电极重量检查；

(4)电极组焊和真空自耗电弧铸锭熔炼：将所需数量海绵钛电极水平摆放在焊接工作台上，保证平直和接触良好，使用氩弧焊机进行电极组焊，连接制成一定长度的电极组，将焊好的电极组装入真空自耗电极电弧炉内，调整电极处于铜坩埚的中心位置，提升电极，封闭炉门抽真空，当满足规定的真空度工艺参数后，下降电极起弧熔炼，电极逐渐消耗熔化滴落在水冷紫铜坩埚中，进行一边熔化一边凝固的铸锭熔炼过程，熔炼结束后铸锭在炉内冷却一定时间后出炉，海绵钛电极分别通过两次真空自耗熔炼，最终得到铸造钛合金铸锭，铸造钛合金铸锭经过车床的车去冒口后，在铸锭头部侧端面进行化学成分试样的取样，测试Al、V、Fe、Si、C、N、H、O的含量，满足相关标准要求合格后作为电极，投入铸造钛合金重熔浇注铸造工序。