CN109777980B - 一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法 - Google Patents
一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,包括以下步骤:步骤1,以0级海绵钛、Al‑V‑Fe、Ti‑Fe、铝豆、TiO2为原料,按照钛合金的组份比例,称取所需原料重量;步骤2,将0级海绵钛、Al‑V‑Fe、铝豆和TiO2混合均匀,得到初步混合物,将Ti‑Fe组分使用铝箔包裹成合金包条;随后采用边缘反偏析布料法进行布料;步骤3,油压机压制,得到单个电极块;步骤4,将单个电极块焊接,得到整体自耗电极;步骤5,将整体自耗电极烘干,熔化铸锭。本发明一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法通过将易偏析合金用边缘反偏析布料方式,有效的解决了含易偏析元素钛合金熔炼成分不均匀、易偏析等问题,在熔炼时,采用大磁场小电流的方式,保证铸锭的冶金质量。
Description
技术领域
本发明属于钛合金加工方法技术领域,具体涉及一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法。
背景技术
高铁成分近β型钛合金,比强度高,断裂韧性、蠕变性能及抗腐蚀性能好,已广泛应用于航空航天,生物医学等领域。
在钛合金铸造领域中,元素偏析严重导致合金化学成分不均的问题日益严重。高铁成分钛合金在熔炼过程中容易因偏析而形成β斑点,而真空自耗电弧熔炼的特点是边熔化边凝固,因此,电极中合金料的均匀性对铸锭的品质起着重要的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,解决了现有钛合金在熔炼过程中因偏析易形成β斑点的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,包括以下步骤:
步骤1,准备原料
以0级海绵钛、Al-V-Fe、Ti-Fe、铝豆、TiO2为原料,按照钛合金的组份比例,称取所需原料重量;
步骤2,布料
将步骤1中称取的0级海绵钛、Al-V-Fe、铝豆和TiO2置于自动混料机中并混合均匀,得到初步混合物,将步骤1中的Ti-Fe组分使用铝箔包裹成合金包条;随后采用边缘反偏析布料法进行布料;
步骤3,压制单个电极块
将步骤2布料后的原料置于油压机模具中压制,得到单个电极块;
步骤4,重复步骤3的操作,得到若干个电极块,根据需求,将单个电极块焊接,得到整体自耗电极;
步骤5,将步骤4得到的整体自耗电极烘干后,采用真空自耗电弧熔炼炉熔化铸锭,完成操作。
本发明的特征还在于,
步骤1中钛合金具体为铁元素含量为1.8-3.0%的高铁成分钛合金。
步骤2中合金包条的包裹操作为:
将步骤1中的Ti-Fe组分按照重量均分成四份,每份使用铝箔包裹成圆柱状合金包条,合金包条的长度小于步骤3模具长度的20-30mm。
步骤2中的边缘反偏析布料法具体为:
将初步混合物按照重量均分为四等份,将四等份的初步混合物依次铺设在步骤3的模具中,从模具底部到顶部依次形成第一、二、三、四层铺设物;
其中,第一层铺设物与第二层铺设物之间放置有一个Ti-Fe合金包条,此Ti-Fe合金包条置于第一层铺设物的中间位置;
第二层铺设物与第三层铺设物之间放置有两个Ti-Fe合金包条,上述两个Ti-Fe合金包条对称放置于第二层铺设物两侧,且任意一个Ti-Fe合金包条距模具均为10-20mm;
第三层铺设物与第四层铺设物之间放置有一个Ti-Fe合金包条,此Ti-Fe合金包条置于第三层铺设物的中间位置。
步骤5具体操作为:
步骤5.1,将步骤4得到的整体自耗电极,在空气氛围中,于温度90-100℃下烘干,备用;
步骤5.2,将烘干的整体自耗电极置于一次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到一次铸锭;
步骤5.3,将一次铸锭置于二次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到二次铸锭;
步骤5.4,将二次铸锭置于三次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到三次铸锭。
一次铸锭为Φ320,二次铸锭为Φ380,三次铸锭为Φ460。
步骤5.2-5.4中起弧电流均为3KA;
步骤5.2-5.3中熔炼电流均为6A、步骤5.4中熔炼电流为12A。
步骤5.2-5.4中直流搅拌电流均为7A。
步骤5.1中水冷时间不大于1h,步骤5.2中水冷时间不大于2h,步骤5.3中水冷时间不大于3h。
步骤5.2-5.4中水冷温度24-28℃。
步骤5.2-5.4中出炉时铸锭温度均不大于400℃。
本发明的有益效果是:一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,通过将易偏析合金用边缘反偏析布料方式,有效的解决了含易偏析元素钛合金熔炼成分不均匀、易偏析等问题,在熔炼时,采用大磁场小电流的方式,保证铸锭的冶金质量,有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法中真空自耗熔炼电极横截面示意图;
图2是本发明方法中整体自耗电极排布图;
图3是本发明实施例中二次铸锭的化学成分取样图,其中,图3(a)为二次铸锭的主视图,图3(b)为二次铸锭的俯视图;
图4是本发明实施例中三次铸锭的化学成分取样图,图4(a)为三次铸锭的主视图,图4(b)为三次铸锭的俯视图。
图中,1.Ti-Fe合金包条,2.单个电极块,3.整体自耗电极,4.初步混合物。
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。
高铁元素钛合金易发生正偏析,导致铸锭中心部位铁元素含量升高,易产生β斑,从而降低材料性能。为了避免铸锭成分不均,发生局部偏析现象,布料时采用反偏析布料方式,熔炼过程采用低温熔炼,快速冷却,并通过大磁场、直流小电流搅拌以获得成分均匀的铸锭。
本发明一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,包括以下步骤:
步骤1,准备原料
以0级海绵钛、Al-V-Fe、Ti-Fe、铝豆、TiO2为原料,按照钛合金的组份比例,称取所需原料重量;钛合金具体为铁元素含量为1.8-3.0%的高铁成分钛合金。
步骤2,布料
将步骤1中称取的0级海绵钛、Al-V-Fe、铝豆和TiO2置于自动混料机中并混合均匀,得到初步混合物4,将步骤1中的Ti-Fe组分使用铝箔包裹成合金包条以减少偏析状况发生;随后采用边缘反偏析布料法进行布料,有利于减少β共析元素偏析,提高合金化学成分均匀性。
合金包条的包裹操作为:将步骤1中的Ti-Fe组分按照重量均分成四份,每份使用铝箔包裹成圆柱状合金包条,所述Ti-Fe合金包条1的长度小于步骤3模具长度的20-30mm。
边缘反偏析布料法具体操作为:如图1所示,将初步混合物按照重量均分为四等份,将四等份的初步混合物依次铺设在步骤3的模具中,从模具底部到顶部依次形成第一、二、三、四层铺设物;其中,第一层铺设物与第二层铺设物之间放置有一个Ti-Fe合金包条,此Ti-Fe合金包条置于第一层铺设物的中间位置;第二层铺设物与第三层铺设物之间放置有两个Ti-Fe合金包条,上述两个Ti-Fe合金包条对称放置于第二层铺设物两侧,且任意一个Ti-Fe合金包条距模具均为10-20mm;第三层铺设物与第四层铺设物之间放置有一个Ti-Fe合金包条,此Ti-Fe合金包条置于第三层铺设物的中间位置。
步骤3,将步骤2布料后的原料置于油压机模具中压制,得到单个电极块2。
步骤4,重复步骤3的操作,得到若干个电极块,根据需求,将单个电极块焊接,如图2所示,得到整体自耗电极3。
步骤5,将步骤4得到的整体自耗电极烘干后,采用真空自耗电弧熔炼炉熔化铸锭,完成操作。熔炼时采用低温熔炼,快速冷却,并采用小的直流搅拌电流。具体为:
步骤5.1,将步骤4得到的整体自耗电极,在空气氛围中,于温度90-100℃下烘干,备用;
步骤5.2,将烘干的整体自耗电极置于一次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到一次铸锭;
步骤5.3,将一次铸锭置于二次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到二次铸锭;
步骤5.4,将二次铸锭置于三次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到三次铸锭。
其中,一次铸锭为Φ320,二次铸锭为Φ380,三次铸锭为Φ460。
步骤5.2-5.4中起弧电流均为3KA;
步骤5.2-5.3中熔炼电流均为6A、步骤5.4中熔炼电流为12A。
步骤5.2-5.4中直流搅拌电流均为7A。
步骤5.1中水冷时间不大于1h,步骤5.2中水冷时间不大于2h,步骤5.3中水冷时间不大于3h。
步骤5.2-5.4中水冷温度24-28℃。
步骤5.2-5.4中出炉时铸锭温度均不大于400℃。
为减少铸锭冷却时间,三次锭熔炼时不补缩。
实施例1
本实例以制备Φ460TB6-550Kg钛合金铸锭为例,具体的制备方法如下。
步骤1、以0级海绵钛、Al-V-Fe、Ti-Fe、铝豆、TiO2为原料,按成分9.8V-1.8Fe-3.1Al-0.07O选取原料,海绵钛采用0级小颗粒海绵钛。
步骤2、将步骤1中称取的0级海绵钛、Al-V-Fe、铝豆和TiO2置于自动混料机中并混合均匀,得到初步混合物,将步骤1中的Ti-Fe组分按重量分为四等分,使用铝箔包裹成四个合金包条;随后采用边缘反偏析布料法进行人工布料,其中,第二层铺设物与第三层铺设物之间放置有两个Ti-Fe合金包条,且两个Ti-Fe合金包条距模具均为10mm。
步骤3、将步骤2布料后的原料置于油压机模具中压制,得到单个电极块。
步骤4、重复步骤3的操作10次,得到10个电极块,焊接电极块,得到整体自耗电极。
步骤5、自耗电极经90℃烘干后,采用真空自耗电弧熔炼炉熔化铸锭。
一次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均6A、熔炼150min后水冷,水温为24℃,至一次铸锭出炉温度为380℃;
二次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均6A、熔炼150min后水冷,水温为24℃,至二次铸锭出炉温度为375℃;
三次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均12A、熔炼150min后水冷,水温为24℃,至三次铸锭出炉温度为380℃。
由上获得Φ460-550Kg铸锭,如图3(a)和图3(b)、图4(a)和图4(b)所示,为测量二次铸锭及三次铸锭铁含量部位,测定二次铸锭、及三次铸锭Fe含量分布情况,如表1、2所示,经测定,铸锭化学成分均匀。
表1 TB6二次铸锭各部位Fe含量分布情况
表2 TB6二次铸锭各部位Fe含量分布情况
实施例2
本实例以制备Φ460TB6-1000Kg钛合金铸锭为例,具体的制备方法如下。
步骤1、以0级海绵钛、Al-V-Fe、Ti-Fe、铝豆、TiO2为原料,按成分10V-1.85Fe-3.1Al-0.07O选取原料,海绵钛采用0级小颗粒海绵钛。
步骤2、将步骤1中称取的0级海绵钛、Al-V-Fe、铝豆和TiO2置于自动混料机中并混合均匀,得到初步混合物,将步骤1中的Ti-Fe组分按重量分为四等分,使用铝箔包裹成四个合金包条;随后采用边缘反偏析布料法进行人工布料,其中,第二层铺设物与第三层铺设物之间放置有两个Ti-Fe合金包条,且两个Ti-Fe合金包条距模具均为20mm。
步骤3、将步骤2布料后的原料置于油压机模具中压制,得到单个电极块。
步骤4、重复步骤3的操作16次,得到16个电极块,焊接电极块,得到整体自耗电极。
步骤5、自耗电极经100℃烘干后,采用真空自耗电弧熔炼炉熔化铸锭。
一次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均6A、熔炼150min后水冷,水温为27℃,至一次铸锭出炉温度为380℃;
二次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均6A、熔炼150min后水冷,水温为28℃,至二次铸锭出炉温度为380℃;
三次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均12A、熔炼150min后水冷,水温为25℃,至三次铸锭出炉温度为370℃。
由上获得Φ460-1000Kg铸锭,测定二次铸锭、及三次铸锭Fe含量分布情况,如表3、4所示,经测定,铸锭化学成分均匀。测试部位和实施例1相同,如图3和图4所示。
表3二次铸锭各部位Fe含量分布情况
表4三次铸锭各部位Fe含量分布情况
实施例3
本实例以制备Φ460TB6-700Kg钛合金铸锭为例,具体的制备方法如下。
步骤1、以0级海绵钛、Al-V-Fe、Ti-Fe、铝豆、TiO2为原料,按成分9.8V-1.8Fe-3.1Al-0.07O选取原料,海绵钛采用0级小颗粒海绵钛。
步骤2、将步骤1中称取的0级海绵钛、Al-V-Fe、铝豆和TiO2置于自动混料机中并混合均匀,得到初步混合物,将步骤1中的Ti-Fe组分按重量分为四等分,使用铝箔包裹成四个合金包条;随后采用边缘反偏析布料法进行人工布料,其中,第二层铺设物与第三层铺设物之间放置有两个Ti-Fe合金包条,且两个Ti-Fe合金包条距模具均为15mm。
步骤3、将步骤2布料后的原料置于油压机模具中压制,得到单个电极块。
步骤4、重复步骤3的操作18次,得到18个电极块,焊接电极块,得到整体自耗电极。
步骤5、自耗电极经95℃烘干后,采用真空自耗电弧熔炼炉熔化铸锭。
一次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均6A、熔炼150min后水冷,水温为24℃,至一次铸锭出炉温度为380℃;
二次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均6A、熔炼150min后水冷,水温为24℃,至二次铸锭出炉温度为380℃;
三次铸锭参数:起弧电流3KA、直流搅拌电流7A、熔炼电流均12A、熔炼150min后水冷,水温为24℃,至三次铸锭出炉温度为370℃。
由上获得Φ460-700Kg铸锭,经测定,铸锭化学成分均匀。
本发明通过将易偏析合金用边缘反偏析布料方式,有效的解决了含易偏析元素钛合金熔炼成分不均匀、易偏析等问题,在熔炼时,采用大磁场小电流的方式,保证铸锭的冶金质量。
Claims (8)
1.一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,准备原料
以0级海绵钛、Al-V-Fe、Ti-Fe、铝豆、TiO2为原料,按照钛合金的组份比例,称取所需原料重量;
步骤2,布料
将步骤1中称取的0级海绵钛、Al-V-Fe、铝豆和TiO2置于自动混料机中并混合均匀,得到初步混合物,将步骤1中的Ti-Fe组分使用铝箔包裹成合金包条;
随后采用边缘反偏析布料法进行布料:
将所述初步混合物按照重量均分为四等份,将四等份的初步混合物依次铺设在步骤3的模具中,从模具底部到顶部依次形成第一、二、三、四层铺设物;
其中,第一层铺设物与第二层铺设物之间放置有一个Ti-Fe合金包条,此Ti-Fe合金包条置于第一层铺设物的中间位置;
第二层铺设物与第三层铺设物之间放置有两个Ti-Fe合金包条,上述两个Ti-Fe合金包条对称放置于第二层铺设物两侧,且任意一个Ti-Fe合金包条距模具均为10-20mm;
第三层铺设物与第四层铺设物之间放置有一个Ti-Fe合金包条,此Ti-Fe合金包条置于第三层铺设物的中间位置;
步骤3,压制单个电极块
将步骤2布料后的原料置于油压机模具中压制,得到单个电极块;
步骤4,重复步骤3的操作,得到若干个电极块,根据需求,将单个电极块焊接,得到整体自耗电极;
步骤5,将步骤4得到的整体自耗电极烘干后,采用真空自耗电弧熔炼炉熔化铸锭,完成操作;
步骤5.1,将步骤4得到的整体自耗电极,在空气氛围中,于温度90-100℃下烘干,备用;
步骤5.2,将烘干的整体自耗电极置于一次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到一次铸锭;
步骤5.3,将一次铸锭置于二次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到二次铸锭;
步骤5.4,将二次铸锭置于三次锭坩埚中,起弧,并加以直流搅拌电流,熔炼不少于150min后水冷,出炉后得到三次铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,所述步骤1中钛合金具体为铁元素含量为1.8-3.0%的高铁成分钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,所述步骤2中合金包条的包裹操作为:
将步骤1中的Ti-Fe组分按照重量均分成四份,每份使用铝箔包裹成圆柱状合金包条,所述合金包条的长度小于步骤3模具长度的20-30mm。
4.根据权利要求1所述的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,所述一次铸锭为Φ320,二次铸锭为Φ380,三次铸锭为Φ460。
5.根据权利要求1所述的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,所述步骤5.2-5.4中起弧电流均为3kA;
所述步骤5.2-5.3中熔炼电流均为6A、步骤5.4中熔炼电流为12A;
所述步骤5.2-5.4中直流搅拌电流均为7A。
6.根据权利要求1所述的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,所述步骤5.1中水冷时间不大于1h,步骤5.2中水冷时间不大于2h,步骤5.3中水冷时间不大于3h。
7.根据权利要求1所述的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,所述步骤5.2-5.4中水冷温度24-28℃。
8.根据权利要求1所述的一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法,其特征在于,所述步骤5.2-5.4中出炉时铸锭温度均不大于400℃。
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