CN107177753A - 一种控制大规格tc4‑dt钛合金铸锭凝固组织的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制大规格TC4‑DT钛合金铸锭凝固组织的方法，具体为：将海绵钛及中间合金按照GB/T3620.1要求的配比进行配料，混料后压制成电极块，将电极块进行真空等离子焊接后进行真空电弧炉熔炼，熔炼过程中第三次熔炼时严格控制稳弧电流和稳弧周期，最后进行表面机加工后得到成品铸锭。本发明通过VAR三次熔炼，在第三次熔炼时采用合适的稳弧参数工艺使得TC4‑DT钛合金铸锭的凝固组织均匀，解决了现有大规格Φ720mm～Φ1000mmTC4‑DT钛合金铸锭凝固组织粗大，锻造过程晶粒破碎困难的问题。

Description

一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法
技术领域
本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法。
背景技术
TC4-DT损伤容限钛合金是在Ti-6Al-4V基础上开发的低间隙元素含量的钛合金，其成分特征为合金元素波动范围窄，杂质含量低，具有较高的塑性和韧性、较好的可焊接性能及较长的使用寿命，已在新型飞机上得到了广泛的应用。随着航空钛合金结构件的整体化和大型化发展，模锻件需要棒材直径达600mm以上，棒材直径的增大需要更大规格的铸锭，铸锭规格的增大使得其成分均匀性以及凝固组织均受到影响，常规TC4-DT钛合金铸锭成品规格直径一般不大于720mm，铸锭成品率不高，无法满足大型锻件的用料需求。因此需要开发大规格铸锭的熔炼工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，解决了现有大规格Φ720mm～Φ1000mmTC4-DT钛合金铸锭凝固组织粗大，锻造过程晶粒破碎困难的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、Al豆和TiO2按照GB/T3620.1要求的制备TC4-DT钛合金配比进行配料；
步骤2，将上述原料充分混合均匀，并压制成电极块；
步骤3，将步骤2得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤4，将步骤3得到的自耗电极进行真空电弧炉熔炼，熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流12～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5小时，在最后一次熔炼后期进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，最终保证熔末完整预留；
步骤5，将步骤4经过真空电弧炉熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4-DT钛合金成品铸锭。
本发明的特点还在于，
步骤2中压制的压强为65～72MPa。
步骤4的真空电弧炉熔炼次数为三次。
三次真空电弧炉熔炼具体为：第一次和第二次真空电弧炉熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流12～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5.0小时；第三次真空电弧炉熔炼，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20～35kA，熔炼电压32～38V，稳弧电流18～22A，稳弧周期5～10s。在自耗电极熔炼剩余重量300～500kg时开始进入补缩，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。
第三次熔炼过程稳弧电流为18～22A。
第三次熔炼过程稳弧周期为5～10s。
本发明的有益效果是，本发明一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，采用真空自耗电弧熔炼(VAR)方法进行三次熔炼，熔炼过程中严格控制真空度、漏气率、熔炼电流、稳弧电流和周期，提高铸锭成分和组织均匀性、降低杂质含量，在第三次熔炼过程中，通过选择合适的稳弧电流和稳弧周期，解决了现有大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织粗大、锻造火次偏多的问题，铸锭成分均匀，组织均匀。
附图说明
图1是实施例1制得的Φ720mmTC4-DT钛合金铸锭凝固组织图，其中a为铸锭头部横向取样凝固组织图，b为铸锭中部横向取样凝固组织图，c为铸锭尾部横向取样凝固组织图；
图2是实施例2制得的Φ850mmTC4-DT钛合金铸锭凝固组织图，其中a为铸锭头部横向取样凝固组织图，b为铸锭中部横向取样凝固组织图，c为铸锭尾部横向取样凝固组织图；
图3是实施例3制得的Φ920mmTC4-DT钛合金铸锭凝固组织图，其中a为铸锭头部横向取样凝固组织图，b为铸锭中部横向取样凝固组织图，c为铸锭尾部横向取样凝固组织图。
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。
本发明一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、Al豆和TiO2按照GB/T3620.1要求的制备TC4-DT钛合金配比进行配料；
步骤2：将上述原料充分混合均匀，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强为65～72MPa；
步骤3：将步骤2得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤4：将步骤3得到的自耗电极进行真空电弧炉熔炼，熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流12～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5小时，在最后一次熔炼后期进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，最终保证熔末完整预留；
真空电弧炉熔炼次数为三次，具体为：
第一次和第二次真空电弧炉熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流12～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5.0小时；
第三次真空电弧炉熔炼，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20～35kA，熔炼电压32～38V，稳弧电流18～22A，稳弧周期5～10s。在自耗电极熔炼剩余重量300～500kg时开始进入补缩，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。
步骤5：将步骤4经过真空电弧炉熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4-DT钛合金成品铸锭。
本发明为保证铸锭的成分均匀性，选用优质海绵钛为基本成分及铝-钒中间合金进行配混料，铸锭的主要成分范围控制在GB/T3620.1范围内。
通过混料实现原材料在电极块中均匀分布，提高成分均匀性；压制压强控制在65-72Mpa，保证了电极块的致密度；
采用真空等离子焊接的方式进行电极的焊接是为了防止焊接自耗电极时外界气氛对电极造成氧化的影响。
采用真空自耗电弧熔炼(VAR)方法进行三次熔炼，熔炼过程中严格控制真空度、漏气率、熔炼电流、稳弧电流和周期，提高铸锭成分和组织均匀性、降低杂质含量，在第三次熔炼过程中，通过选择合适的稳弧电流和稳弧周期，解决了现有大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织粗大、锻造火次偏多的问题，铸锭成分均匀，组织均匀。制得的大规格TC4-DT钛合金铸锭的凝固组织均匀，表现为整锭柱状晶生长，晶粒生长角度相差不超过5°。
实施例1
步骤1：将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、Al豆和TiO2按照按Ti-5.8Al-3.6V-0.05Si-0.08O配比进行配料；
步骤2：将上述原料充分混合均匀，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强为65MPa；
步骤3：将步骤2得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤4：将步骤3得到的自耗电极进行真空三次电弧炉熔炼，具体为：
第一次熔炼采用直径560mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～25kA，熔炼电压30～35V，稳弧电流12A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5.0小时；
第二次熔炼采用直径640mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流24～40kA，熔炼电压33～40V，稳弧电流15A，稳弧周期10s，熔炼后冷却时间不小于7.0小时；
第三次真空电弧炉熔炼采用Φ720mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20～35kA，熔炼电压32～38V，稳弧电流18A，稳弧周期5s。在自耗电极熔炼剩余重量300～500kg时开始进入补缩，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。
步骤5：将步骤4经过三次熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4-DT钛合金成品铸锭。
将本实施例熔炼的Φ720mm铸锭，对其铸锭头部、中部和尾部三个位置锯切横向试样片，腐蚀试样片观察铸锭凝固组织，如图1所示。铸锭的头、上、中、下、尾五个位置纵向成分结果见表1。
表1实施例1制得的TC4-DT铸锭表面纵向五点取样结果
由图1可以看出：所得的TC4-DT铸锭头部到尾部的横向凝固组织均匀，从边部到心部均为柱状晶，晶粒生长方向一致。
由表1可以看出：所得的TC4-DT铸锭纵向成分均匀性良好，主元素和杂质元素均符合标准要求。
实施例2
步骤1：将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、Al豆和TiO2按照按Ti-6.0Al-4.0V-0.06Si-0.10O配比进行配料；
步骤2：将上述原料充分混合均匀，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强为70MPa；
步骤3：将步骤2得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤4：将步骤3得到的自耗电极进行真空三次电弧炉熔炼，具体为：
第一次熔炼采用直径640mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～25kA，熔炼电压30～35V，稳弧电流15A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5.0小时；
第二次熔炼采用直径720mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流24～40kA，熔炼电压33～40V，稳弧电流22A，稳弧周期18s，熔炼后冷却时间不小于7.0小时；
第三次真空电弧炉熔炼采用Φ850mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20～35kA，熔炼电压32～38V，稳弧电流20A，稳弧周期8s。在自耗电极熔炼剩余重量300-500kg时开始进入补缩，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。
步骤5：将步骤4经过三次熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4-DT钛合金成品铸锭。
将本实施例熔炼的Φ850mm铸锭，对其铸锭头部、中部和尾部三个位置锯切横向试样片，腐蚀试样片观察铸锭凝固组织，如图2所示。铸锭的头、上、中、下、尾五个位置纵向成分结果见表2。
表2实施例2制得的TC4-DT铸锭表面纵向五点取样结果
由图2可以看出：所得的TC4-DT铸锭头部到尾部的横向凝固组织均匀，从边部到心部均为柱状晶，晶粒生长方向一致。
由表2可以看出：所得的TC4-DT铸锭纵向成分均匀性良好，主元素和杂质元素均符合标准要求。
实施例3
步骤1：将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、Al豆和TiO2按照按Ti-6.36Al-4.40V-0.07Si-0.11O配比进行配料；
步骤2：将上述原料充分混合均匀，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强为72MPa；
步骤3：将步骤2得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤4：将步骤3得到的自耗电极进行真空三次电弧炉熔炼，具体为：
第一次熔炼采用直径680mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～25kA，熔炼电压30～35V，稳弧电流18A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5.0小时；
第二次熔炼采用直径850mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流24～40kA，熔炼电压33～40V，稳弧电流30A，稳弧周期15s，熔炼后冷却时间不小于7.0小时；
第三次真空电弧炉熔炼采用Φ920mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20～35kA，熔炼电压32～38V，稳弧电流22A，稳弧周期10s。在自耗电极熔炼剩余重量300-500kg时开始进入补缩，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。
步骤5：将步骤4经过三次熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4-DT钛合金成品铸锭。
将本实施例熔炼的Φ920mm铸锭，对其铸锭头部、中部和尾部三个位置锯切横向试样片，腐蚀试样片观察铸锭凝固组织，如图3所示。铸锭的头、上、中、下、尾五个位置纵向成分结果见表3。
表3实施例3制得的TC4-DT铸锭表面纵向五点取样结果
由图3可以看出：所得的TC4-DT铸锭头部到尾部的横向凝固组织均匀，从边部到心部均为柱状晶，晶粒生长方向一致。
由表3可以看出：所得的TC4-DT铸锭纵向成分均匀性良好，主元素和杂质元素均符合标准要求。

Claims (6)

1.一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、Al豆和TiO2按照GB/T3620.1要求的制备TC4-DT钛合金配比进行配料；
步骤2，将上述原料充分混合均匀，并压制成电极块；
步骤3，将步骤2得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤4，将步骤3得到的自耗电极进行真空电弧炉熔炼，熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流12～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5小时，在最后一次熔炼后期进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，最终保证熔末完整预留；
步骤5，将步骤4经过真空电弧炉熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4-DT钛合金成品铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述步骤2中压制的压强为65～72MPa。
3.根据权利要求1所述的一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述步骤4的真空电弧炉熔炼次数为三次。
4.根据权利要求3所述的一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述三次真空电弧炉熔炼具体为：第一次和第二次真空电弧炉熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流12～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5.0小时；第三次真空电弧炉熔炼，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20～35kA，熔炼电压32～38V，稳弧电流18～22A，稳弧周期5～10s。在自耗电极熔炼剩余重量300～500kg时开始进入补缩，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。
5.根据权利要求1或3所述的一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述第三次熔炼过程稳弧电流为18～22A。
6.根据权利要求1或3所述的一种控制大规格TC4-DT钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述第三次熔炼过程稳弧周期为5～10s。
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