CN107217163A - 一种tb13钛合金熔炼及开坯锻造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，以0级海绵钛、AlV中间合金、工业纯铝为原料，按照TB13钛合金的成分配比进行称料、混料，并倒入模具型腔内；启动压机，对模具型腔内的混合原料进行压制，得出电极块；重复执行上述步骤得到多个电极块，并组焊为自耗电极；将自耗电极进行至少4次自耗重熔，得到TB13钛合金铸锭；将TB13钛合金铸锭于800‑850℃装炉，加温度至950‑980℃，到温后保温3‑3.5h，采用自由锻造的方式，进行开坯锻造；本发明对于合金元素含量较多的β钛合金，通过多次熔炼实现充分熔合，洁净，均匀的小型铸锭，并实施低温锻造工艺，减少铸锭发生高温脆性的风险，提高了材料的强度及塑性，为后续加工奠定了良好的基础。

Description

一种TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法
【技术领域】
本发明属于钛合金熔炼和锻造技术领域，具体涉及一种TB13钛合金熔炼及 开坯锻造方法。
【背景技术】
钛合金TB13(Ti-4Al-22V)是一种β型钛合金，具有优良的超弹性，冷加工性。 主要应用于电子、机械、家电、医疗卫生及眼镜架等生活日用品等各个领域。
TB13合金含有较高含量的β稳定元素V，使合金在室温下可得到单相的β 组织，也使其获得了良好的冷加工性。生产实践中，熔炼原材料通常以AlV中间 合金的方式添加Al、V元素。TB13合金需要V含量较高的AlV85合金，但其V 含量处于83-86％之间，若出现V含量较低的情况就很难满足TB13合金中Al、 V元素的配比。同时，该合金由于合金元素含量较高，对杂质元素的含量非常敏 感，必须严格控制杂质元素的含量。
在钛合金分类中，为实现β化或者近β化，需添加大量的合金元素，降低合 金的β转化温度。常用β-Ti合金的相转变温度处于700-800℃之间，热加工时温 度过高，保温时间过长会导致材料脆性增强。因此，该合金的热加工工艺参数中， 对温度的窗口要求较高。尤其是不能过高，易产生高温脆性，发生脆断。
为实现TB13合金良好的力学性能，熔炼方法与开坯锻造工艺是研究该合金 的重要方向。β-Ti合金是对热加工参数非常敏感的一类钛合金。如采用较大锭型， 势必提高开坯锻造的加热温度，并需要较长的保温时间。同时加工的火次也会增 加，又增加了合金的高温受热时间。例如Φ460-1200Kg的钛合金锭型，开坯锻造 的温度处于1050-1150℃，保温时间4-5h。至少需要2火次才能变形至□110mm (即截面边长为110mm的方形坯料)。这些因素都将对合金的性能产生不良的影 响。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，以减少能耗， 减少铸锭过程中发生高温脆性的风险，提高了材料的强度及塑性。
本发明采用以下技术方案，一种TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，具体包 括以下步骤：
步骤1、以0级海绵钛、AlV中间合金、工业纯铝为原料，按照TB13钛合 金的成分配比进行称料、混料，并倒入模具型腔内；所述AlV中间合金中各元素 重量百分比为V＝86.5％-88.5％，O≤0.30％，C≤0.05％；
步骤2、启动压机，对模具型腔内的混合原料进行压制，得出电极块，所述 电极块的尺寸为Φ100mm；
步骤3、重复执行步骤1至步骤2得到多个电极块，并组焊为自耗电极；
步骤4、将自耗电极进行至少4次自耗重熔，得到TB13钛合金铸锭，所述 TB13钛合金铸锭尺寸为Φ380mm，重量为500-800Kg。
步骤5、将TB13钛合金铸锭于800-850℃装炉，加温度至950-980℃，到温 后保温3-3.5h，一次性实现将Φ380mm的TB13钛合金铸锭锻造为截面边长为 110mm的方形坯料。
进一步地，所述0级海绵钛为小颗粒海绵钛，其粒径为3-12.7mm；所述AlV 中间合金的颗粒粒径小于等于8mm。
进一步地，步骤2中得到的电极块单重为10Kg。
进一步地，所述压机为2000T液压机。
进一步地，步骤4中首次重熔时，真空自耗熔炼炉内真空度大于等于100Pa， 后续自耗炉熔炼真空度大于等于10-1Pa。
进一步地，所述真空熔炼炉为1.5T真空自耗熔炼炉。
进一步地，步骤5中锻造设备选用1600T快锻机。
本发明的有益效果是：本发明适合于近β或β型钛合金的熔炼与开坯锻造的 工艺制度，β钛合金采用小锭型、低温锻造工艺，减少铸锭在开坯锻造过程中高 温区的停留时间，提高了材料的强度及塑性，为后续加工奠定了良好的基础，这 类钛合金的β相转变点基本处于700-800℃的范围，材料的性能受热加工工艺的 影响很大，本发明对于合金元素含量较多的β钛合金，通过多次熔炼实现充分熔 合，洁净，均匀的小型铸锭，并实施低温锻造工艺，减少铸锭发生高温脆性的风 险，提高了材料的强度及塑性，为后续加工奠定了良好的基础。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，该方法研究一种小锭 型低温锻造工艺。采用至少4次的真空自耗熔炼方法制备600Kg左右的TB13合 金小型铸锭，然后在较低的温度下进行大变形量开坯锻造，实现该合金的良好性 能。
TB13钛合金属于β钛合金，本发明采用小锭型、低温锻造工艺，减少铸锭 在开坯锻造过程中高温区的停留时间，提高了材料的强度及塑性，为后续加工奠 定了良好的基础。
具体包括以下步骤：
步骤1、以0级海绵钛、AlV中间合金、工业纯铝豆为原料，按照TB13钛 合金的成分配比进行称料、混料，并倒入模具型腔内；
合金力学性能与铸锭成分的对比分析得出：C、O含量的增大会恶化材料力 性，AlV中间合金理想的控制含量：C≤0.02％、O≤0.15％。因此，对原材料0 级海绵钛、AlV合金的杂质含量要严格控制。
本发明中原材料采用0级海绵钛、工业纯铝豆、AlV中间合金。其中AlV中 间合金的颗粒尺寸≤8mm，即其粒径小于等于8mm，同时要适当提高V的含量， 则AlV中间合金中各元素重量百分比为具体要求为：V＝86.5-88.5％，O≤0.30％， C≤0.05％。海绵钛选为小颗粒，其粒径为3-12.7mm。
步骤2、启动压机，对模具型腔内的混合原料进行压制，得出电极块；电极 块单重为10Kg，尺寸为Φ100，长度为400mm。
根据TB13钛合金的成分配比，分别称料、混料后，压制得出电极块尺寸为 Φ100-10Kg，长约400mm。选用设备为2000T液压机。
步骤3、重复执行步骤1至步骤2得到多个电极块，并组焊为自耗电极；
步骤4、将自耗电极进行至少4次自耗重熔，得到TB13钛合金铸锭，铸锭 重量为500-800Kg，TB13钛合金铸锭尺寸为Φ380(即铸锭截面直径为380mm)。
首次重熔时，选用Φ160mm水冷铜坩埚，且真空度不低于100Pa，即真空自 耗熔炼炉内真空度大于等于100Pa，后续真空自耗炉熔炼真空度不低于10-1Pa， 选用设备为1.5T真空自耗熔炼炉。
步骤5、将TB钛合金铸锭于800-850℃装炉，加温度至950-980℃，到温后 保温3-3.5h，采用自由锻造的方式，进行开坯锻造。一次性实现Φ380→□110的 变形(即一次性将Φ380mm的TB13钛合金铸锭锻造为截面边长为110mm的方 形坯料)，一火次变形量达到89％，即一火次变形量大于85％，中间可适当回火。 锻造设备选用设备为1600T快锻机。
实施例1TB13(Ti-4Al-22V)合金的Φ380-600Kg铸锭熔炼及开坯锻造方法： 先将原材料0级海绵钛、工业纯铝豆、AlV中间合金按照Ti-4.2Al-21V(wt％)配 比，进行称料，混料。电极块压制选用2000T液压机，电极块单重10Kg，尺寸 为Φ100×400mm。
共制备60个电极块，组焊为12个自耗电极。后续经过真空自耗熔炼4次， 获得Φ380-600Kg铸锭。铸锭上部、中部、下部元素含量的检测结果为： V％＝21.05％、21.10％、20.96％；Al％＝4.20％、4.25％、4.24％；C％＝0.015％、0.018％、 0.017％；O％＝0.14％、0.13％、0.14％。该锭号材料在后续加工过程中，未发现内 部存在组织与成分偏析的现象。
开坯锻造的设备为1600T快锻机，加热温度950-980℃，铸锭于800-850℃ 装炉，到温后保温3-3.5h。采用自由锻造的方式，一次性实现Φ380→□110的变 形，中间回火一次。锻后方坯外观平整，无较大较深的表面裂纹。经后续加工， TB13合金两种规格丝材的室温力学性能见表1。相对于大锭型，高温锻造工艺， 本发明方案制备的TB13合金丝材的强度与塑性指标均有所提高。尤其是，延伸 率A达到22％-28％，旧工艺丝材的延伸率A处于13％-20％之间。断面收缩率Z 达到70％以上，旧工艺丝材的Z值一般不超过65％。表明，本发明方案制备的 TB13合金丝材具有更优良的室温力学性能。
表1 TB13合金室温力学性能

Claims (7)

1.一种TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、以0级海绵钛、AlV中间合金、工业纯铝为原料，按照TB13钛合金的成分配比进行称料、混料，并倒入模具型腔内；所述AlV中间合金中各元素重量百分比为V＝86.5％-88.5％，O≤0.30％，C≤0.05％；
步骤2、启动压机，对模具型腔内的混合原料进行压制，得出电极块，所述电极块的尺寸为Φ100mm；
步骤3、重复执行步骤1至步骤2得到多个电极块，并组焊为自耗电极；
步骤4、将自耗电极进行至少4次自耗重熔，得到TB13钛合金铸锭，所述TB13钛合金铸锭尺寸为Φ380mm，重量为500-800Kg。
步骤5、将TB13钛合金铸锭于800-850℃装炉，加温度至950-980℃，到温后保温3-3.5h，一次性实现将Φ380mm的TB13钛合金铸锭锻造为截面边长为110mm的方形坯料。
2.如权利要求1所述的TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，其特征在于，所述0级海绵钛为小颗粒海绵钛，其粒径为3-12.7mm；所述AlV中间合金的颗粒粒径小于等于8mm。
3.如权利要求1或2所述的TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，其特征在于，步骤2中得到的电极块单重为10Kg。
4.如权利要求1或2所述的TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，其特征在于，所述压机为2000T液压机。
5.如权利要求1所述的TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，其特征在于，步骤4中首次重熔时，真空自耗熔炼炉内真空度大于等于100Pa，后续自耗炉熔炼真空度大于等于10-1Pa。
6.如权利要求1或2所述的TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，其特征在于，所述真空熔炼炉为1.5T真空自耗熔炼炉。
7.如权利要求1或2所述的TB13钛合金熔炼及开坯锻造方法，其特征在于，步骤5中锻造设备选用1600T快锻机。
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