CN109694968B

CN109694968B - Ta19钛合金及其熔炼方法

Info

Publication number: CN109694968B
Application number: CN201910024015.4A
Authority: CN
Inventors: 韵海鹰; 张志斌; 唐增辉; 王龙; 陈生; 杜彬; 樊晓东
Original assignee: Qinghai Supower Titanium Metal Material Technology Research Co ltd
Current assignee: Qinghai Supower Titanium Metal Material Technology Research Co ltd
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: CN109694968A

Abstract

本发明涉及钛合金技术领域，具体涉及TA19钛合金及其熔炼方法，包括将金属物料加入电子束冷床炉中进行熔炼，包括以下步骤：(1)将含有钛、铝、锡、钼、硅和锆的金属物料分别压制成头排块料、正常块料和尾排块料；(2)将头排块料、正常块料和尾排块料依次放入在电子束冷床炉中进行熔炼；所述头排块料中铝的含量为7.13～7.74wt％，锡的含量为2.13～2.4wt％；所述正常块料中铝的含量为6.92～7.21wt％，锡的含量为2.13～2.33wt％；所述尾排块料中铝的含量为7.13～7.74wt％，锡的含量为2.13～2.4wt％。本发明采用一次熔融法制备TA19钛合金，降低了生产成本，且得到的TA19钛合金中铝元素和锡元素分布均匀性好，杂质含量低，满足国标GB/T 5193‑2007的要求。

Description

TA19钛合金及其熔炼方法

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，具体涉及TA19钛合金及其熔炼方法。

背景技术

TA19钛合金的名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，它具有高强度、高韧性和良好的抗蠕变性能，主要工作温度为470℃～550℃，用于制作航空发动机以及航空发动机的风扇圆盘、压气机盘、叶片、机匣。

传统的钛合金熔炼方法是通过真空自耗电弧炉(VAR)进行熔炼，钛合金的熔炼电流小，熔池浅，且熔液的保留时间短，从而难以除去铸锭中的高、低密度夹杂，影响铸锭成分的均匀性，导致产品的稳定一致性较差；此外，由于真空自耗电弧炉在熔炼多元复杂合金方面的固有劣势，很难制备出完全纯净、均匀的高品质铸锭，所以为了提高合金最终的性能和探伤水平，在钛合金铸锭的后续加工工艺上也较为复杂，需要进行2～4次熔炼，过程控制相对严格，以最大限度的弱化和调节原始铸锭熔炼的不足，但是目前生产的航空用TA19钛合金依然存在内部元素分布稳定性差的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种TA19钛合金及其熔炼方法，通过该制备方法制备得到的TA19钛合金具有元素分布均匀、产品稳定一致性好的优点。

为解决上述技术问题，本发明提供一种TA19钛合金的熔炼方法，包括将金属物料加入电子束冷床炉中进行熔炼，包括以下步骤：

(1)将含有钛、铝、锡、钼、硅和锆的金属物料分别压制成头排块料、正常块料和尾排块料；

(2)将头排块料、正常块料和尾排块料依次放入在电子束冷床炉中进行熔炼；

所述头排块料中铝的含量为7.13～7.74wt％，锡的含量为2.13～2.4wt％；

所述正常块料中铝的含量为6.92～7.21wt％，锡的含量为2.13～2.33wt％；

所述尾排块料中铝的含量为7.13～7.74wt％，锡的含量为2.13～2.4wt％。

本发明还提供一种根据上述熔炼方法熔炼得到的TA19钛合金。

通过上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明提供的制备方法中，采用只进行一步熔融就能制备得到TA19钛合金，工艺简单；

(2)本发明得到的TA19钛合金中铝元素和锡元素分布均匀性好，杂质含量低。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中采用的电子束冷床炉的结构示意图；

图2是本发明实施例中采用的电子束冷床炉的熔炼区域的结构示意图；

图3是本发明实施例中采用的电子束冷床炉的电子枪的照射位置示意图；

图4是本发明实施例1中1～7#电子枪在熔炼过程中的电流加总值与电子束冷床炉中真空度的拟合曲线；

图5是本发明实施例1中1～4#电子枪在熔炼过程中的电流加总值占总电流的比例图；

图6是本发明实施例1中5#电子枪在熔炼过程中的电流值占总电流的比例图；

图7是本发明实施例1中6～7#电子枪在熔炼过程中的电流加总值占总电流的比例图；

图8是本发明实施例1中左右两侧物料的进料速度曲线图；

图9是本发明实施例1中铸锭的平均拉锭速度变化曲线图；

图10是本发明中铸锭A面和B面取样点的位置图。

附图标记说明

1结晶器 2冷床

3进料器 4块料

5挡板 6电子枪

7第一检测器 8第二检测器

9铸锭 10熔化区

20精炼区 30结晶区

601第一电子枪 602第二电子枪

603第三电子枪

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种TA19钛合金的熔炼方法，包括将金属物料加入电子束冷床炉中进行熔炼，包括以下步骤：

如图1至图2所示(图1是本发明采用的电子束冷床炉的结构示意图；图2是本发明实施例中采用的电子束冷床炉的熔炼区域的结构示意图；图3是本发明实施例中采用的电子束冷床炉的的电子枪的照射位置示意图)；本发明中电子冷床炉的工作过程为：首先将块料4放置在进料器3中，进料器3上的推料器将块料4推送至熔化区10，此时，四个第一电子枪601照射物料4，使物料4熔化产生钛合金熔液，第一监控器7对熔化过程进行监控，接着钛合金熔液从熔化区10流入冷床2，通过在熔化区10和冷床2之间设置的挡板5控制流入冷床2的钛合金熔液的液面高度，冷床中的钛合金熔液在第二电子枪602的照射下进行精炼，精炼后的钛合金熔液由冷床2流入结晶器1中，并在第三电子枪603的照射下进行结晶，结晶后的钛合金熔液在铸锭9中进行拉锭，通过第二监控器8检测结晶器的液位。

本发明中，熔炼包括启枪阶段、铸锭制底阶段和稳定熔融阶段。启枪阶段是对第一电子枪、第二电子枪和第三电子枪进行预热的阶段。

铸锭制底阶段是从钛液第一次流入结晶器至铸锭第一次下拉的阶段。

稳定熔炼阶段是从铸锭第一次下拉至物料熔化完毕的阶段。

由于在启枪阶段以及稳定熔融阶段，第一电子枪的电流稳定性较差，存在较大差异，导致铝元素和锡元素的挥发烧损率也差异，因此，本发明中，在熔炼过程中，采用三种元素含量不同的块料。在启枪阶段，由于电子枪的电流较小，使得块料部分熔化，而熔化后的合金熔液长期处于熔融状态，导致铝元素和锡元素的挥发变大，因此，在启枪阶段所添加的块料(即头排块料)中铝元素和锡元素的含量较高；而在稳定熔炼阶段后期，由于熔炼速度较低，也导致了铝元素和锡元素的挥发变大，因此，在稳定熔炼阶段后期(即尾排块料)所添加的块料中铝元素和锡元素的含量较高。优选条件下，所述头排块料中铝的含量为7.13～7.74wt％(例如可以为7.13wt％、7.21wt％、7.28wt％、7.35wt％、7.4wt％、7.4wt％、7.44wt％及以上数值之间的范围)，优选为7.35～7.4wt％，更优选为7.4wt％。

所述头排块料中锡的含量为2.13～2.4wt％(例如可以为2.13wt％、2.18wt％、2.25wt％、2.3wt％、2.35wt％、2.38wt％、2.4wt％及以上数值之间的范围)，优选为2.3～2.4wt％，更优选为2.35wt％。

熔炼过程中，锆元素、硅元素和钼元素的挥发烧损量较小，因此，可以按照TA19合金中锆元素、硅元素和钼元素的含量对头排块料中锆、硅和钼的含量进行配比，优选条件下，所述头排块料中锆元素的含量为3.63～3.97wt％(例如可以为3.63wt％、3.77wt％、3.82wt％、3.78wt％、3.85wt％、3.9wt％、3.97wt％及以上数值之间的范围)，更优选为3.85wt％。

所述头排块料中钼元素的含量为1.39～2.02wt％(例如可以为1.39wt％、1.43wt％、1.58wt％、1.66wt％、1.85wt％、1.96wt％、2.02wt％及以上数值之间的范围)，更优选为1.85wt％。

所述头排块料中硅元素的含量为0.055～0.099wt％(例如可以为0.055wt％、0.063wt％、0.074wt％、0.084wt％、0.09wt％、0.099wt％及以上数值之间的范围)，更优选为0.09wt％。

所述正常块料中铝的含量为6.92～7.21wt％(例如可以为6.92wt％、6.98wt％、7.05wt％、7.1wt％、7.2wt％、7.21wt％及以上数值之间的范围)，优选为7.05～7.2wt％，更优选为7.1wt％。

所述正常块料中锡的含量为2.13～2.33wt％(例如可以为2.13wt％、2.19wt％、2.25wt％、2.3wt％、2.32wt％、2.33wt％及以上数值之间的范围)，优选为2.25～2.32wt％，更优选为2.3wt％。

所述正常块料中锆的含量为3.64～4.04wt％(例如可以为3.64wt％、3.77wt％、3.84wt％、3.95wt％、3.99wt％、4.04wt％及以上数值之间的范围)，优选为3.95wt％。

所述正常块料中硅的含量为0.058～0.1wt％(例如可以为0.058wt％、0.063wt％、0.074wt％、0.084wt％、0.09wt％、0.1wt％及以上数值之间的范围)，优选为0.1wt％。

所述正常块料中钼的含量为1.39～2.02wt％(例如可以为1.39wt％、1.48wt％、1.52wt％、1.65wt％、1.74wt％、1.9wt％、1.96wt％、2.02wt％及以上数值之间的范围)，优选为1.9wt％。

所述尾排块料中铝的含量为7.13～7.74wt％(例如可以为7.13wt％、7.21wt％、7.28wt％、7.35wt％、7.4wt％、7.4wt％、7.44wt％及以上数值之间的范围)，优选为7.35～7.4wt％，更优选为7.4wt％。

所述尾排块料中锡的含量为2.13～2.4wt％(例如可以为2.13wt％、2.18wt％、2.25wt％、2.3wt％、2.35wt％、2.38wt％、2.4wt％及以上数值之间的范围)，优选为2.3～2.4wt％，更优选为2.35wt％。

所述尾排块料中锆元素的含量为3.63～3.97wt％(例如可以为3.63wt％、3.77wt％、3.82wt％、3.78wt％、3.85wt％、3.9wt％、3.97wt％及以上数值之间的范围)，更优选为3.85wt％。

所述尾排块料中钼元素的含量为1.39～2.02wt％(例如可以为1.39wt％、1.43wt％、1.58wt％、1.66wt％、1.85wt％、1.96wt％、2.02wt％及以上数值之间的范围)，更优选为1.85wt％。

所述尾排块料中硅元素的含量为0.055～0.099wt％(例如可以为0.055wt％、0.063wt％、0.074wt％、0.084wt％、0.09wt％、0.099wt％及以上数值之间的范围)，更优选为0.09wt％。

根据本发明，以所述头排块料的总重量为基准，组成头排块料的金属物料包括：海绵钛83.82～85.6wt％、Al豆0.45～0.58wt％、AlSn50中间合金4.35～4.89wt％、AlZr50中间合金7.13～7.79wt％、AlMo70中间合金1.44～2.55wt％和AlMo40Si10中间合金0.5～0.9wt％；更优选为海绵钛84.45wt％、Al豆0.5wt％、AlSn50中间合金4.6wt％、AlZr50中间合金7.55wt％、AlMo70中间合金2.2wt％和AlMo40Si10中间合金0.7wt％。

以所述正常块料的总重量为基准，组成正常块料的金属物料包括：海绵钛84.53～85.6wt％、Al豆0.12～0.16wt％、AlSn50中间合金4.35～4.77wt％、AlZr50中间合金7.13～7.92wt％、AlMo70中间合金1.44～2.55wt％和AlMo40Si10中间合金0.53～0.9wt％，更优选为海绵钛84.66wt％、Al豆0.15wt％、AlSn50中间合金4.5wt％、AlZr50中间合金7.74wt％、AlMo70中间合金2.25wt％和AlMo40Si10中间合金0.7wt％。

以所述尾排块料的总重量为基准，组成尾排块料的金属物料包括：海绵钛83.82～85.6wt％、Al豆0.45～0.58wt％、AlSn50中间合金4.35～4.89wt％、AlZr50中间合金7.13～7.79wt％、AlMo70中间合金1.44～2.55wt％和AlMo40Si10中间合金0.5～0.9wt％；更优选为海绵钛84.45wt％、Al豆0.5wt％、AlSn50中间合金4.6wt％、AlZr50中间合金7.55wt％、AlMo70中间合金2.2wt％和AlMo40Si10中间合金0.7wt％。

块料的大小是影响块料熔化速度和金属元素挥发率的因素之一，为了控制Al元素和Sn元素的挥发率。优选条件下，头排块料、尾排块料和正常块料的大小和重量相等，所述块料的重量为10～25kg，优选为20kg，所述块料的长度为200～210mm，厚度为170～200mm。

本发明对块料的进料方式没有特殊的要求，可以为单侧进料也可以为双侧进料，在本发明的一个优选的实施方式中，所述块料采用双侧进料的方式进入电子束冷床炉，优选条件下，所述块料的进料速度为13～16mm/min，在稳定熔炼阶段，所述块料的进料速度为15～16mm/min；此外，在进料过程中，应当保持左右进料速度一致，保证两侧的物料同时熔化。

在启枪前，还需要对头排料、尾排料和正常料进行烘烤，优选条件下，所述烘烤的温度为120℃，烘烤的时间为4h。

由于在启枪阶段，头排料还没有进入熔化区10内，但此时，第一电子枪的电流较大，会对熔化区的底部产生损害，因此，在启枪前，还向电子束冷床炉内加入建壳块料，使得在启枪阶段，第一电子枪的直接照射在建壳块料上，从而避免对熔化区底部的损害，由于建壳块料熔化后，也会对产物TA19钛合金的元素组成产生影响，因此，在本发明中，所述建壳块料的组成为：海绵钛83.5～83.9wt％、Al豆1.05～1.25wt％、AlSn50中间合金4.3～4.8wt％、AlZr50中间合金7.2～7.65wt％、AlMo70中间合金2.1～2.4wt％和AlMo40Si10中间合金0.6～0.8wt％；更优选为海绵钛83.75wt％、Al豆1.2wt％、AlSn50中间合金4.6wt％、AlZr50中间合金7.55wt％、AlMo70中间合金2.3wt％和AlMo40Si10中间合金0.6wt％。

由于过高的启枪电流(高于2A)时，会导致块料在启枪阶段开始熔化，而在启枪阶段，电子束冷床炉内的真空度为达到熔炼要求，从而导致块料长期处于液态而造成铝元素和锡元素过量挥发，影响TA19钛合金中元素含量的稳定性，优选的，在启枪阶段，所述第一电子枪的电流不大于2A(例如可以为0.2A、0.5A、0.8A、1A、1.3A、1.5A、1.8A或2A及以上数值之间的范围)，优选为1～2A；所述第二电子枪的电流不大于2A(例如可以为0.2A、0.5A、0.8A、1A、1.3A、1.5A、1.8A或2A及以上数值之间的范围)；所述第三电子枪的电流为1～1.5A(例如可以为1A、1.2A或1.5A及以上数值之间的范围)。

在所述启枪阶段，电子束冷床炉内的真空度为1.5×10^-2torr；所述启枪阶段的时间不大于2h。

优选的，在铸锭制底阶段：所述第一电子枪的电流为6～7A，第二电子枪的电流为5.5～6A，第三电子枪的电流为5～6A；电子束冷床炉内的真空度不大于1.2×10^-2torr；所述铸锭制底阶段的时间不大于50min。

为了降低铝元素和锡元素的过量挥发，在稳定熔融阶段，本发明一方面通过提高电子束冷床炉内的真空度降低铝元素和锡元素的烧损挥发，优选的，在稳定熔融阶段，所述电子束冷床炉内的真空度不大于9×10^-3torr；另一方面通过提高电子枪的电流，从而降低块料熔化时间，避免液态时间过长而导致的铝元素和锡元素的过量挥发，优选条件下，所述第一电子枪的电流为6.8～7A；熔融后的钛合金熔液从熔化区10流入冷床2在第二电子枪的照射下进行精炼，优选条件下，所述第二电子枪的电流为6.3～6.7A；精炼后的钛合金熔液由冷床2流入结晶器1中，并在第三电子枪603的照射下进行结晶，优选条件下，所述第三电子枪的电流为6～6.5A。

在本发明中，在稳定熔融阶段，1～7#电子枪的加总电流是固定的，因此，第一电子枪、第二电子枪和第三电子枪的电流比例决定了钛合金熔液熔化、精炼和结晶所需要的时间，如果第一电子枪的总电流过高，则会使第二电子枪和第三电子枪的电流相应降低，从而导致块料的熔炼速度过快，而铸锭的拉锭速度变慢，从而导合金在液态的时间过长，使铝元素和锡元素过量挥发，影响钛合金铸锭中各元素含量的均匀性和稳定性。优选条件下，在本发明中，所述第一电子枪的加总电流占总电流的57～63％，第二电子枪的电流占总电流的12～18％，第三电子枪的加总电流占总电流的23～30％；更优选的，所述第一电子枪的加总电流占总电流的60％，第二电子枪的电流占总电流的15％，第三电子枪的加总电流占总电流的25％。

在稳定熔融阶段，影响钛合金内部元素稳定性的另一个重要因素就是块料的熔炼速度V，熔炼速度V＝用于稳定熔融阶段的块料总重量/稳定熔融时间，熔炼速度过慢，则熔化块料的时间变长，铝元素和锡元素在熔液中停留的时间也相应变长，从而增大了铝元素和锡元素的挥发烧损量；而熔炼速度过快，钛合金熔液单位时间吸收的热量增多，也会加快铝元素和锡元素的挥发烧损量，从而影响钛合金铸锭中铝元素和锡元素的分布稳定性和均匀性。优选条件下，在本发明中，所述熔炼速度为400～500kg/h，更优选为450kg/h。

结晶后的钛合金熔液在铸锭9中进行拉锭，通过第二监控器检测结晶器的液位，拉锭速度应当根据进料速度和合金熔液流入结晶器的速度进行实时调整；优选条件下，所述拉锭的速度为0.8～9mm/min(例如可以为0.8mm/min、1mm/min、2mm/min、3mm/min、4mm/min、5mm/min、6mm/min、7mm/min、8mm/min、9mm/min及以上数值之间的范围)。

本发明还提供一种TA19钛合金，根据所述的制备方法制备得到。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

以下实施例中，海绵钛购自朝阳金达，生产批号为JD1703-215-C；AlSn50中间合金购自忠世高新材料股份有限公司，生产批号为ZP1610-1；AlMo40Si10中间合金购自承德天大钒业有限责任公司，生产批号为JAMS20170401；AlMo70中间合金购自承德天大钒业有限责任公司，生产批号为M20170403；AlZr50中间合金购自承德天大钒业有限责任公司，生产批号为JAZ20170401；Al豆购自承德天大钒业有限责任公司，生产批号为DA20170307。

以下实施例中，电子束冷床炉为青海聚能钛业股份有限公司的BMO-01型号的电子束冷床炉，其工作电压为30kV。

以下实施例中，所采用的结晶器的规格为1350×250mm。

以下实施例中，所述块料的压制方法为：

(1)使用5000g电子天平对每块料块所需中间合金及铝豆称重并包入自封袋中，电子天平使用前必须使用试重块检查测量精度；

(2)使用100Kg电子称对每块料块所需海绵钛称重，电子称使用前必须使用试重块检查测量精度；

(3)经称重的海绵钛倒入V型混料机中，中间合金与铝豆经5000g电子天平称重复检无误后倒入V型混料机中；

(4)确认入料口与出料口封闭无误后开始混料，混料机正反各转1分钟，经2分钟混料后出料，出料时确认混料机内无原料遗留；

(5)经混料的原料手动加入压机模具，压制成块。

以下实施例中，4个第一电子枪分别标记为1#电子枪、2#电子枪、3#电子枪、4#电子枪；第二电子枪标记为5#电子枪，2个第三电子枪分别标记为6#电子枪、7#电子枪。

以下实施例中，建壳块料的由以下重量份的金属物料组成：海绵钛33500g、Al豆480g、AlSn50中间合金1840g、AlZr50中间合金3020g、AlMo70中间合金920g和AlMo40Si10中间合金240g。

按照上述块料的压制方法将金属物料压制成两个重量、形状完全一致的建壳块料，其中每个建壳块料的重量为20kg。

以下实施例中，头排料和尾排料的组成和配比完全相同，均用A料表示，正常料用B料表示。

实验例1

一种TA19钛合金的熔炼方法，步骤如下：

(1)A料的制备：将Al豆、AlSn50中间合金、AlZr50中间合金、AlMo70中间合金、AlMo40Si10中间合金和海绵钛按重量配比(如表1所示，元素配比如表2所示)压制成20个重量和体积均相同的块料，每个块料的重量为20kg，厚度为180mm，长度为200mm；

B料的制备：将Al豆、AlSn50中间合金、AlZr50中间合金、AlMo70中间合金、AlMo40Si10中间合金和海绵钛按重量配比(如表1所示，元素配比如表2所示)压制成20个重量和体积均相同的块料，每个块料的重量为20kg，厚度为180mm，长度为200mm；

(2)装料：

将A料和B料在120℃下烘焙3h；接着将烘焙后的A料和B料按照表3所示的摆放方法摆放入左右两侧料箱内，每排5块，两侧各有4排，共计40块熔炼料，确认装料无误后封闭电子束冷床炉炉膛；

接着调整电子束冷床炉内真空度高于1.5×10^-2torr，然后使用氦质谱检漏仪对炉体检漏确认无漏点，测炉体漏气率应当低于3.3torr*L/s；

(3)熔炼：

31)启枪阶段：从13:35时电源柜启动，启动第一电子枪(1～4#电子枪)和第二电子枪(5#电子枪)，随后逐渐提升1～5#电子枪电流至1.5A进行烘炉；

当炉内真空稳定高于1.5×10^-2torr时(14:35时)，启动第三电子枪(6#电子枪和7#电子枪)预热底托，每个第三电子枪的电流值分别为1.5A；启枪阶段的时间约为80min；

32)铸锭制底阶段：

逐渐提升第一电子枪(1～4#电子枪)的电流为6.5A，逐渐提升第二电子枪(5#电子枪)的电流为5.5A，逐渐提升第三电子枪(6～7#电子枪)的电流为6A，调整电子束冷床炉内的真空度不大于1.2×10^-2torr，14:55时建壳表面基本完全化开，开始进料(左右两侧的进料速度如表4)；15:05时，3、4#枪区域A料完全熔化；15:25时，1、2#枪区域A料完全熔化；15:40时提升电流；15:47时合金液第一次流入结晶器；16:12时制底完成，冷却10min；16:22时铸锭第一次下拉；并保持第一电子枪和第二电子枪的电流为2.5A，第三电子枪的电流为1.7A；铸锭制底阶段的时间约为32min；

33)稳定熔融阶段：

16:39时合金液第二次流入结晶器，逐渐提升第一电子枪(1～4#电子枪)的电流至6.9A，提升第二电子枪(5#电子枪)的电流至6.7A，提升每个第三电子枪(6#电子枪和7#电子枪)的电流至5.7A；控制电子束冷床炉内的真空度不大于9×10^-3torr；同时调节第三电子枪的扫描轨迹，使其在结晶器中心部位不重叠，稳定熔融阶段的工艺参数如表5所示，18:00时熔炼结束，稳定熔融阶段的时间约为80min，熔炼速度V＝450kg/h；

在稳定熔融阶段，以熔炼的总电流为1为基准，所述第一电子枪、第二电子枪和第三电子枪的电流占比约为60％、15％及25％；

(4)拉锭，根据进料速度和合金熔液流入结晶器的速度调节拉锭的速度，所述拉锭的速度变化如表4和图9所示(表4中所示平均拉锭速度是根据电脑自动记录数据计算所得)；

(5)冷却：将铸锭冷却4小时后，放气，安全出锭。

表1：实施例1中金属物料的用量配比

表2：实施例1中块料中各金属元素的重量配比

	Al(wt％)	Sn(wt％)	Mo(wt％)	Zr(wt％)	Si(wt％)	Ti(wt％)
							A料	7.38	2.35	1.85	3.84	0.09	84.45
B料	7.09	2.29	1.88	3.94	0.09	84.66

表3：实施例1中块料摆放示意图

表4实施例1中稳定熔炼阶段的工艺参数

其中，υ_左侧进料为左侧物料的进料速度，υ_右侧进料为右侧侧物料的进料速度，Δt为5min；ΔL为对应Δt时间段内铸锭长度的增量；

为左右两侧物料的平均进料速度。

实验测试

1、铸锭中金属元素含量的测定

图10是本发明测试例中铸锭取样点的位置图，将铸锭的最大面标识为A面，相对的最大面标识为C面，与最大面相邻的两个侧面分别标识为B面和D面。

在本发明中，硅元素的主要作用是改善TA19合金的高温蠕变性能，其含量相对较小且在熔炼过程中不易挥发，对制备得到的TA19钛合金铸锭的性能影响较小，因此，本发明在此处不对硅的含量进行进一步分析。

具体采样步骤如下：

(1)在A面上沿中心线做轴向标线，在此标线上自铸锭头部50mm处取一点标记为A1点，依此向下分别标记为A2、A3、A4、A5、A6点(如图10所示)；

铸锭C面与A面取样方法一致，取样点分别表示为(C1～C6)；

在B面的轴心轴上取样，具体取样点如图10所示，取样点分别表示为(B1～B6)；

铸锭D面与B面取样方法一致，取样点分别表示为(D1～D6)。

使用立铣刀在每个取样点上钻铣屑样0.1g，将铣屑样与硫酸(浓度为98.0wt％)按照1:2比例混合，待铣屑样完全溶解后，用美国PE公司的ICP-7300V电感耦合等离子发射光谱仪分析铝、锡、锆、钼铁的化学成分，实验结果表5所示。

表5：实施例1中TA19钛合金铸锭的化学成分分析表

2、铸锭中O、N含量的测定

取样方法：从距铸锭头部起每隔400mm取环样，取样位置为AD和BC棱边，在试样口袋上按AD1～ADn、BC1～BCn做好标识。用ONH2000氧氮仪检测O、N含量，具体结果如表6所示。

表6：实施例1中TA19钛合金铸锭中O、N含量分析表

由表6可知，实施例1所得到的铸锭中O、N元素含量远低于国标要求，O％标准偏差为0.01％。

实施例2

按照实施例1的方法，不同的是，所述A料和B料金属物料的用量配比如表7所示，A料和B料中各金属元素的重量配比如表8所示。

表7：实施例2中金属物料的用量配比

表8：实施例2中块料中各金属元素的重量配比

	Al(wt％)	Sn(wt％)	Mo(wt％)	Zr(wt％)	Si(wt％)	Ti(wt％)
							A料	7.74	2.40	2.02	3.97	0.06	83.82
B料	7.21	2.13	2.03	4.04	0.06	84.53

实施例3

按照实施例1的方法，不同的是，所述A料和B料金属物料的用量配比如表9所示，A料和B料中各金属元素的重量配比如表10所示。

表9：实施例3中金属物料的用量配比

表10：实施例3中块料中各金属元素的重量配比

	Al(wt％)	Sn(wt％)	Mo(wt％)	Zr(wt％)	Si(wt％)	Ti(wt％)
							A料	7.13	2.13	1.39	3.64	0.10	85.6
B料	6.93	2.34	1.39	3.64	0.10	85.6

实验测试：按照实施例1中所述的测试方法，分别在实施例2和实施例3所得到的铸锭的A面进行取样，并检测各取样点中各元素的含量，实验结果如表11所示。

表11：实施例2～3中TA19钛合金铸锭的化学成分分析表

通过表5和表11对比可以看出，改变原料(A料和B料)中元素的用量配比，也对产物TA19钛合金铸锭中的元素含量产生影响，但是对元素的均匀性以及杂质的含量影响很小。

实施例4

按照实施例1的方法，不同的是，在熔融过程，电子枪的平均电流，炉内真空度、启枪时间和铸锭制底时间如表12所示。

实施例5

表12：实施例4～5中启枪阶段和铸锭制底阶段的工艺参数

实验测试：按照实施例1中所述的测试方法，分别在实施例4～5所得到的铸锭的A面进行取样，并检测各取样点中各元素的含量，实验结果如表13所示。

表13：实施例4～5中TA19钛合金铸锭的化学成分分析表

实施例6

按照实施例1的方法，不同的是，在稳定熔融阶段，熔融速度和电子枪的电流配比如表14所示。

实施例7

实施例8

表14：实施例6～8中启枪阶段和铸锭制底阶段的工艺参数

实验测试：按照实施例1中所述的测试方法，分别在实施例6～9所得到的铸锭的A面进行取样，并检测各取样点中各元素的含量，实验结果如表15所示。

表15：实施例6～9中TA19钛合金铸锭的化学成分分析表

从表5、表11、表13和表15中可以得出，通过本发明的方法制备得到的TA19钛合金铸锭内部Al元素、Sn元素、Zr元素和Mo元素含量较为稳定，产品稳定一致性好，满足国标GB/T 3620.1-2007的要求。

对比例1

按照实施例1的方法，不同的是，在熔融过程，电子枪的平均电流，炉内真空度、启枪时间和铸锭制底时间如表16所示。

对比例2

表16：对比例1～2中启枪阶段和铸锭制底阶段的工艺参数

实验测试：按照实施例1中所述的测试方法，分别在对比例1～2所得到的铸锭的A面进行取样，并检测各取样点中各元素的含量，实验结果如表17所示。

表17：对比例1～2中TA19钛合金铸锭的化学成分分析表

对比例3

按照实施例1的方法，不同的是，在稳定熔融阶段，熔融速度和电子枪的电流配比如表18所示。

对比例4

对比例5

对比例6

表18：对比例3～6中启枪阶段和铸锭制底阶段的工艺参数

实验测试：按照实施例1中所述的测试方法，分别在对比例3～6所得到的铸锭的A面进行取样，并检测各取样点中各元素的含量，实验结果如表19所示。

表19：比例3～6中TA19钛合金铸锭的化学成分分析表

通过对比可以看出：(1)在启枪阶段和铸锭制底阶段，电子束冷床炉内的真空度越好，制得的铸锭中铝元素和锡元素的含量越稳定；启枪阶段和铸锭制底阶段的时间越短，铝元素的挥发率越低，铸锭中铝元素和锡元素的含量越稳定。

(2)块料中各金属元素的含量是影响铸锭中各元素含量的重要因素，在启枪阶段和铸锭拉底阶段，由于电子枪的电流不稳定，使得合金在液态的时间变长，从而导致铝元素和锡元素的烧损挥发增加，因此通过调整原料中各金属元素的含量能够使铸锭中铝元素和锡元素的含量更加稳定。

(3)第一电子枪、第二电子枪和第三电子枪的电流占比也是影响TA19钛合金铸锭均匀性的因素之一。当第二电子枪和第三电子枪的功率过低，则会导致块料的熔炼速度较高，而结晶速度相对较低，从而导致合金在液态的时间过长，使得铝元素和锡元素的烧损挥发增大，从而影响TA19钛合金铸锭中元素的均匀性；另一方面，当熔炼速度较慢时，熔化整个铸锭的时间也变长，从而导致合金在液态的时间过长，使得铝元素和锡元素的烧损挥发增大，影响TA19钛合金铸锭中元素的均匀性。

2、力学性能测试

钛合金室温力学性能测试标准参照《GBT 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》；

钛合金在550℃下的力学性能测试标准参照《GBT 4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》。

实验结果见表20和表21，其中，Rm为抗拉强度；Rp0.2为总延伸率为0.2％时的应力；A为断后伸长率；ψ为断面收缩率。

表20：实施例1～9中的TA19钛合金的力学性能表

表21：对比例1～6中的钛合金的力学性能表

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种TA19钛合金的熔炼方法，包括将金属物料加入电子束冷床炉中进行熔炼，其特征在于，包括以下步骤：

所述尾排块料中铝的含量为7.13～7.74wt％，锡的含量为2.13～2.4wt％；

所述熔炼包括启枪阶段、铸锭制底阶段和稳定熔融阶段；所述电子束冷床炉包括熔化区、精炼区和结晶区，所述熔化区设置4个第一电子枪，精炼区设置1个第二电子枪，结晶区设置2个第三电子枪；

在启枪阶段：所述第一电子枪的电流为1～2A，第二电子枪的电流不大于2A，第三电子枪的电流为1～1.5A；所述电子束冷床炉内的真空度不大于1.5×10^-2torr；启枪阶段的时间不大于2h；

在铸锭制底阶段：所述第一电子枪的电流为6～7A，第二电子枪的电流为5.5～6A，第三电子枪的电流为5～6A；所述电子束冷床炉内的真空度不大于1.2×10^-2torr；所述铸锭制底阶段的时间不大于50min；

稳定熔融阶段：述第一电子枪的加总电流占总电流的57～63％；第二电子枪的电流占总电流的12～18％；第三电子枪的加总电流占总电流的23～30％；所述电子束冷床炉内的真空度不大于9×10^-3torr；所述正常块料的进料速度为13～16mm/min；所述熔炼速度为400～500kg/h。

2.根据权利要求1所述的熔炼方法，其中，所述头排块料中铝的含量为7.35～7.4wt％，锡的含量为2.3～2.4wt％；和/或

所述正常块料中铝的含量为7.05～7.2wt％，锡的含量为2.25～2.32wt％；和/或

所述尾排块料中铝的含量为7.35～7.4wt％，锡的含量为2.3～2.4wt％。

3.根据权利要求1或2所述的熔炼方法，其中，所述头排块料中钼的含量为1.39～2.02wt％、硅的含量为0.055～0.099wt％、锆的含量为3.63～3.97wt％；和/或

所述正常块料中钼的含量为1.39～2.02wt％、硅的含量为0.058～0.1wt％、锆的含量为3.64～4.04wt％；和/或

所述尾排块料中钼的含量为1.39～2.02wt％、硅的含量为0.055～0.099wt％、锆的含量为3.63～3.97wt％。

4.根据权利要求3所述的熔炼方法，其中，以所述头排块料的总重量为基准，组成头排块料的金属物料包括：海绵钛83.82～85.6wt％、Al豆0.45～0.58wt％、AlSn50中间合金4.35～4.89wt％、AlZr50中间合金7.13～7.79wt％、AlMo70中间合金1.44～2.55wt％和AlMo40Si10中间合金0.5～0.9wt％；和/或

以所述正常块料的总重量为基准，组成正常块料的金属物料包括：海绵钛84.53～85.6wt％、Al豆0.12～0.16wt％、AlSn50中间合金4.35～4.77wt％、AlZr50中间合金7.13～7.92wt％、AlMo70中间合金1.44～2.55wt％和AlMo40Si10中间合金0.53～0.9wt％；和/或

以所述尾排块料的总重量为基准，组成尾排块料的金属物料包括：海绵钛83.82～85.6wt％、Al豆0.45～0.58wt％、AlSn50中间合金4.35～4.89wt％、AlZr50中间合金7.13～7.79wt％、AlMo70中间合金1.44～2.55wt％和AlMo40Si10中间合金0.5～0.9wt％。

5.根据权利要求1所述的熔炼方法，其中，在稳定熔融阶段：

所述第一电子枪的电流为6.8～7A，第二电子枪的电流为6.3～6.7A，第三电子枪的电流为6～6.5A；

电子束冷床炉内的真空度不大于9×10^-3torr。

6.一种TA19钛合金，其特征在于，根据权利要求1～5中任意一项所述的熔炼方法熔炼得到。