CN107245606B - 一种钛镍合金大型铸锭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛镍合金大型铸锭的制备方法，该方法中使用模具型腔，模具型腔内放置有可拆卸的辅助支架，辅助支架用于将模具型腔内部空间分成水平排布的N个格挡；以3‑12.7mm的海绵钛、方形块电解镍为原料，按照待制备钛镍合金的成分配比，进行配料，得出N份混合原料；将每份混合原料均倒入对应的每个格挡中；将辅助支架从模具型腔取出；一次性立式压制成钛镍合金熔炼用电极块；重复上述步骤，得到多个钛镍合金熔炼用电极块，并组焊成自耗电极，进行真空熔炼得到钛镍合金大型铸锭；本发明可生产出等原子比、合金成分均匀、杂质含量低的大型钛镍合金铸锭。

Description

一种钛镍合金大型铸锭的制备方法
【技术领域】
本发明属于钛镍合金熔炼技术领域，尤其涉及一种等原子比钛镍合金大型铸锭的制备方法。
【背景技术】
钛镍基形状记忆合金是20世纪六十年代兴起的一种具有形状记忆、超弹性和高阻尼三大特性的新型金属功能材料，同时还具有优良的生物相容性，应用已遍及电子、机械、宇航、能源、医疗卫生及生活日用品等领域。
等原子比Ti-Ni合金材料的主要技术性能是超弹性和形状记忆效应，包括合金相变点、恢复应力和恢复率等参数，化学成分是影响合金性能的最敏感因素。对于等原子比的Ti-Ni合金，Ni含量每变化0.1at％时，合金的相变点改变约10℃；当Ni含量小于50.5at％时，Ti-Ni合金的超弹性较差；Ni含量越高，超弹性性能越好，但Ni含量超过51at％时，合金会变脆。合金的化学成分必须在0.04at％Ni范围内准确控制，熔炼技术是钛镍合金制备的第一大难点。
生产实践中，等原子比钛镍合金铸锭一般采用中频真空感应熔炼的方式获得。虽然这种方法能够得到组织均匀，成分配比合适的铸锭。但是由于熔炼设备本身及熔炼工艺的限制，只能制备20kg左右的小型铸锭。且由于合金的流动性较差，以及浇注条件的限制，不可避免地产生气孔、冷隔等缺陷。最近研究的真空感应与真空自耗熔炼相结合的方法，可以综合两种熔炼方法的优势，制备出100kg以上的铸锭。但要实现成分符合要求的更大的500-1000kg钛镍合金铸锭，并能稳定生产，仍然是一重大课题。
随着钛镍合金应用范围及需求的不断扩大，材料性能的均匀稳定性也有了更高的要求，为提高材料的生产效率及批次稳定性，大型铸锭的研制必然的趋势。真空自耗熔炼是钛合金普遍采用的熔炼方法，通过自耗电极的焊接、多次熔炼可以得到更加洁净的大型铸锭。但对于钛镍合金，原材料的形状、电极块布料方式、熔炼工艺等方面都将影响到真空自耗熔炼获得成分均匀、洁净的大型等原子钛镍铸锭的成败。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种钛镍合金大型铸锭的制备方法，以生产出等原子比、合金成分均匀、杂质含量低的大型钛镍合金铸锭。
本发明采用以下技术方案，一种钛镍合金大型铸锭的制备方法，该方法中使用模具型腔，模具型腔内放置有可拆卸的辅助支架，辅助支架用于将模具型腔内部空间分成水平排布的N个格挡，其中N≥4为正整数；
该制备方法具体包括以下步骤：
步骤1、以3-12.7mm的海绵钛、方形块电解镍为原料，按照待制备钛镍合金的成分配比，进行配料，得出N份混合原料；
步骤2、将每份混合原料均倒入对应的每个格挡中；
步骤3、将辅助支架从模具型腔取出；
步骤4、启动压机，一次性立式压制成钛镍合金熔炼用电极块；
步骤5、重复执行步骤1至步骤4，得到多个钛镍合金熔炼用电极块，并组焊成自耗电极，进行真空熔炼得到钛镍合金大型铸锭。
进一步地，方形块电解镍通过以下方法制得：将电解镍板轧制为6-8mm厚的板材，冲剪成边长8-10mm的方形块，清洗干净并烘干得到方形块电解镍。
进一步地，海绵钛等级为0级海绵钛、电解镍等级为Ni9999电解镍。
进一步地，步骤1中配料时，海绵钛、方形块电解镍称重均保留小数点后3位数字。
进一步地，辅助支架包括多个竖直且相互交叉设置的支板，每个支板的材料均为TiNi50.8at％合金。
进一步地，辅助支架的每个支板的竖直截面为：上部为矩形，且下部的厚度逐渐减小呈楔形。
进一步地，步骤5中真空熔炼次数大于等于4。
进一步地，步骤5中首次真空熔炼时，选用Φ220mm水冷铜坩埚，且真空度不高于100Pa，非首次真空熔炼时，真空自耗熔炼炉内真空度不高于10-1Pa。
进一步地，真空熔炼炉为1.5t真空自耗熔炼炉。
本发明的有益效果是：本发明通过电解镍小块料的方法顺利地实现了TiNi合金原料混合均匀，采用辅助支架保证了电极块布料的精确性与均匀性，多次自耗熔炼实现了合金杂质元素的有效控制以及大型铸锭的制备。本发明可以实现镍含量处于49～52at％的钛镍二元合金，或者含有Fe、V、Al、Nb、Cr等元素的三元或多元合金的铸锭。合金成分均匀，杂质含量低，满足了电子、机械、宇航、能源、医疗卫生及生活日用品等领域对钛镍合金的要求。
【附图说明】
图1为本发明实施例中辅助支架将模具型腔划分为四等份及支板横截面的结构示意图。
【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。
本发明公开了一种钛镍合金大型铸锭的制备方法，尤其是一种真空自耗熔炼制备500-1000kg等原子比钛镍合金的制备方法，为了实现电极块的均匀压制，该方法中使用的在模具型腔内预先放置有可拆卸的辅助支架，辅助支架用于将模具型腔内部空间分成N个格挡，其中N≥4为正整数。
辅助支架可以根据电极块的单重与配料元素的具体要求来制得；辅助支架包括多个竖直且相互交叉设置的支板，为适应钛镍合金的工装条件，每个支板的材料均为TiNi50.8at％合金。如图1所示，为了方便从模具型腔内取出，不易粘连物料，辅助支架板材的横截面为上宽下窄的斜面型，即辅助支架的每个支板的竖直截面为：上部为矩形，且下部的厚度逐渐减小呈楔形。
该制备方法具体包括以下步骤：
步骤1、根据钛镍合金的配比与辅助支架将模具型腔分割的份数，以3-12.7mm的海绵钛、方形块电解镍为原料，按照待制备钛镍合金的成分配比，进行称料、配料，得出N份混合原料，混合原料的份数与格挡数相同。
制备钛镍合金的原料主要是海绵钛与电解镍，颗粒状的海绵钛与大块的电解镍板材形状差异较大，很难实现电极块的布料与压制。因此，原料的选用与制备是首要的关键性工作。方形块电解镍通过以下方法制得：预先将电解镍板轧制为6-8mm厚的板材，冲剪成边长8-10mm的方形块，清洗干净并烘干得到方形块电解镍。海绵钛等级选为0级海绵钛、电解镍等级为Ni9999电解镍。在配料时，海绵钛、方形块电解镍称重时均保留小数点后3位数字。
步骤2、将每份混合原料均倒入每个格挡中，混合原料的份数与格挡数相同，每份混合原料均倒入与其对应的一个格挡中。
步骤3、松动辅助支架，在不影响格挡中原有布料的情况下，将辅助支架从模具型腔取出。
步骤4、启动压机，一次性立式压制成钛镍合金熔炼用电极块；压机选为2000t液压机。
步骤5、重复执行步骤1至步骤4，得到多个钛镍合金熔炼用电极块，并组焊成自耗电极，进行真空熔炼得到钛镍合金大型铸锭，真空熔炼次数大于等于4，经过至少4次的自耗重熔，可获得500-1000kg的TiNi合金铸锭。熔炼过程中，严格控制电流梯度，尽量增长原料熔化、化合、结晶的时间。
首次真空熔炼时，坩埚选用Φ220mm水冷铜坩埚，且真空度不高于100Pa，(非首次)后续真空熔炼时，真空自耗熔炼炉内真空度不高于10-1Pa。真空熔炼炉为1.5t真空自耗熔炼炉。
实施例1 TiNi50.8(Ti-Ni50.8at％)合金的Φ460-800kg铸锭熔炼方法：预先将电解镍板轧制为6-8mm厚的板材，冲剪成边长8-10mm的方形块料，清洗干净、烘干后备用。海绵钛选用3-12.7mm的小颗粒。原材料等级为0级海绵钛、Ni9999电解镍。
按照Ti-Ni50.8at％(Ti-Ni55.86wt％)配比，压制Φ160-20kg电极块。辅助支架将模具型腔划分为四等份，每份为5kg。称料海绵钛2.207kg，电解镍2.793kg。人工混合后倒入格挡中。重复操作4次，完成装料。取出辅助支架后，统一立式压制成Φ160-20kg电极块。电极块高约310mm，选用设备为2000t液压机。
将5个电极块组焊成一支自耗电极，重量为100kg。共8支自耗电极，经过4次真空自耗熔炼，获得Φ460-800kg铸锭。选用设备为1.5t真空自耗熔炼炉。
铸锭切除冒口后，按等分长度取8个样检测其相变点Af(奥氏体转变终了温度)。相变点的分布偏差较小，可以达到±5℃的水平。
表1合金相变温度Af(℃)
铸锭 1 2 3 4 5 6 7 8
相变点 3 2 3 2 2 3 2 4
实施例2 TiNiV(Ti-Ni50.8-V0.5at％)合金的Φ460-960kg铸锭熔炼方法：预先将电解镍板轧制为6-8mm厚的板材，冲剪成边长8-10mm的方形块料，清洗干净、烘干后备用。海绵钛选用3-12.7mm的小颗粒。原材料等级为0级海绵钛、Ni9999电解镍，AlV85合金。
按照TiNiV(Ti-Ni55.85-V0.47wt％)配比，压制Φ160-16kg电极块。辅助支架将模具型腔划分为四等份，每份为4kg。称料海绵钛1.744kg，电解镍2.234kg，AlV85合金0.022kg。海绵钛、电解镍人工混合分两次倒入格挡中，AlV85合金置于中间。重复操作4次，完成装料。取出支架后，统一立式压制成Φ160-16kg电极块。电极块高约250mm，选用设备为2000t液压机。
将5个电极块组焊成一支自耗电极，重量为80kg。共12支自耗电极，经过4次真空自耗熔炼，获得Φ460-960kg铸锭。选用设备为1.5t真空自耗熔炼炉。
铸锭切除冒口后，按等分长度取8个样检测其相变点Af(奥氏体转变终了温度)。相变点的分布偏差较小，可以达到±5℃的水平。
表2合金相变温度Af(℃)
铸锭 1 2 3 4 5 6 7 8
相变点 10 12 9 7 12 13 8 14
压料用辅助支架可以根据电极块的单重，原材料及配料的要求，模具型腔的规格等条件设计不同的结构，并不局限于本发明中提到的结构类型。

Claims (9)

1.一种钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，该方法中使用模具型腔，模具型腔内放置有可拆卸的辅助支架，所述辅助支架用于将模具型腔内部空间分成水平排布的N个格挡，其中N≥4为正整数；
该制备方法具体包括以下步骤：
步骤1、以3-12.7mm的海绵钛、方形块电解镍为原料，按照待制备钛镍合金的成分配比，进行配料，得出N份混合原料；
步骤2、将每份混合原料均倒入对应的每个格挡中；
步骤3、将所述辅助支架从模具型腔取出；
步骤4、启动压机，一次性立式压制成钛镍合金熔炼用电极块；
步骤5、重复执行步骤1至步骤4，得到多个钛镍合金熔炼用电极块，并组焊成自耗电极，进行真空熔炼得到钛镍合金大型铸锭。
2.如权利要求1所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，所述方形块电解镍通过以下方法制得：将电解镍板轧制为6-8mm厚的板材，冲剪成边长8-10mm的方形块，清洗干净并烘干得到方形块电解镍。
3.如权利要求1或2所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，所述海绵钛等级为0级海绵钛、电解镍等级为Ni9999电解镍。
4.如权利要求1或2所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，步骤1中配料时，海绵钛、方形块电解镍称重均保留小数点后3位数字。
5.如权利要求1或2所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，所述辅助支架包括多个竖直且相互交叉设置的支板，每个所述支板的材料均为TiNi50.8at％合金。
6.如权利要求5所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，所述辅助支架的每个支板的竖直截面为：上部为矩形，且下部的厚度逐渐减小呈楔形。
7.如权利要求1或2所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，步骤5中真空熔炼次数大于等于4。
8.如权利要求1或2所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，步骤5中首次真空熔炼时，选用Φ220mm水冷铜坩埚，且真空度不高于100Pa，非首次真空熔炼时，真空自耗熔炼炉内真空度不高于10-1Pa。
9.如权利要求1或2所述的钛镍合金大型铸锭的制备方法，其特征在于，真空熔炼炉为1.5t真空自耗熔炼炉。
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