CN1099807A

CN1099807A - 钛-铝系金属间化合物基合金均匀化熔铸工艺

Info

Publication number: CN1099807A
Application number: CN 93116677
Authority: CN
Inventors: 曹春晓; 高扬; 孙福生; 张鹰; 张荣顺; 马济民; 孙育峰; 李学明
Original assignee: No621 Inst Ministry Of Aviation & Space Industry
Current assignee: No621 Inst Ministry Of Aviation & Space Industry
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1995-03-08
Anticipated expiration: 2013-09-02
Also published as: CN1035560C

Abstract

本发明属于合金熔炼技术领域，涉及对Ti-Al 系金属间化合物熔炼工艺的改进。本发明的基本特征是采用了真空自耗电弧炉与真空铸造凝壳炉相结合的熔铸工艺，既保证了合金成分的均匀性，又解决了大铸锭的熔炼问题。采用本工艺能为变形加工提供成分均匀、冶金质量优良的铸坯或铸锭，使合金具有优良的可锻性进而使热变形产品具有优良的力学性能。

Description

本发明属于合金熔炼技术领域，涉及对Ti-Al系金属间化合物基合金（例如Ti₃Al基合金）的熔铸工艺的改进。

Ti-Al系金属间化合物基合金（例如Ti₃Al、Ti₂AlNb、TiAl、TiAl₃基合金）由于具有较低的密度、较高的比强度、比刚度和抗氧化性，成为提高航空发动机推重比的理想材料。本世纪七十年代以来，国外对Ti-Al系金属间化合物基合金作了大量研究，并开展了对熔铸、锻造工艺的研究，参见文献Harry A.Lipsitt，Conf.on advance high temperature alloy，USA，1985，P.137。但是Ti-Al系合金的室温塑性低，改善其室温塑性的途径除了加入相当量的β稳定元素和通过热加工细化组织外，改善合金成分的均匀性也是十分重要的，而在热加工前首先必须得到成分均匀的合金铸锭。由于Ti和Al的熔点、比重差别很大，加入Nb、Mo等合金元素后差别就更大，因此寻找使合金成分均匀化的熔铸工艺是研制Ti-Al系金属间化合物基合金的关键问题之一。Ti的化学活泼性很强，液态时与常规的坩埚材料能起激烈的化学反应，因此不能使用常规坩埚熔炼。目前国内、外的Ti-Al系金属间化合物基合金的熔炼工艺是采用真空自耗电弧炉水冷铜坩埚熔炼工艺，将原料（海绵钛以及其他合金元素）混合并压制成适于真空自耗电弧炉安装的棒状电极，装入炉中通电熔炼。为使成分均匀性有一定程度的改进，需要进行多次熔炼。真空自耗电弧炉在熔炼时以原料自身为电极避免了使用非自耗电弧炉时钨电极对合金的污染，而且可以熔炼大铸锭，便于工业化生产，这是其优点所在;其缺点是熔炼出的合金成分的均匀性差。其原因是合金液体在水冷铜坩埚的冷却作用下很快结晶，因此熔炼时熔池深度不大，合金中各种元素很难均匀化分布。实践中采用真空自耗电弧炉熔铸的铸锭其成分的均匀性很难控制。真空铸造壳炉，它具有较大的熔池，合金液的成分较易达到均匀化，但一般只在钛合金铸件（指直接铸成零件）生产中使用这种设备，即不采用这种设备熔炼成铸锭，更不熔炼大铸锭。

本发明的目的是提供一种Ti-Al系金属间化合物基合金的均匀化熔铸工艺，使用本发明工艺熔炼合金既可以解决成分均匀化的问题，又便于进行工业化生产，熔铸大铸锭。本发明工艺适用于熔铸提供进行变形加工的铸坯或铸锭。

本发明的技术方案是：一种Ti-Al系金属间化合物基合金的均匀化熔铸工艺，包括配料以及将原料压制成适合于真空熔炼的自耗电极，其特征在于，采用真空自耗电弧炉和真空铸造凝壳炉相结合的熔炼方法，即先使用真空自耗电弧炉熔炼合金，冷却后使用真空铸造凝壳炉再次熔炼合金并直接浇铸出供变形加工（例如锻造、挤压）用的铸坯或铸锭。本发明技术方案的第二种情况是先使用真空自耗电弧炉熔炼合金，冷却后使用真空铸造凝壳炉再次熔炼合金并浇铸出棒状铸锭，冷却后再使用真空自耗电弧炉进行第三次熔炼而获得供变形加工用的铸锭。

本发明的熔炼方法与现有技术相比主要优点是保证了合金成分的宏观和微观的均匀性，从而明显地改善了合金的室温塑性以及各种性能的均匀性和稳定性，使之具有良好的疲劳、蠕变等综合性能。本发明另一个明显的优点是便于进行工业化生产，可以熔铸大型的铸坯或铸锭，满足批量生产和航空大锻件的要求。

下面对本发明工艺作详细说明。本发明工艺的基本特征是采用真空自耗炉与真空凝壳炉相结合的熔铸工艺，由于真空铸造凝壳炉有较大的熔池，可以使合金成分充分扩散，从而保证了合金的均匀性。真空铸造凝壳炉在一般钛合金铸件生产中是直接浇铸零件使用的，在本发明中使用这种工艺的目的是促进合金成分均匀化，生产供变形加工的铸坯或铸锭。本发明方法在使用时其生产条件的控制可以按真空自耗炉和真空凝壳炉的常规要求进行，其具体工艺过程如下：

1、电极制备。采用液压机压制电极，海绵钛的颗粒度小于等于25.4毫米，中间合金用铝箔包装或直接加入海绵钛中间，在液压机上压制成圆形或者多边形截面的电极，其密度为：3.0～3.7g/cm³，压制时的压力为2～5T/cm²，压制后用氩气保护等离子焊或氩弧焊将小块电极焊接成所需要的长度。

2、真空自耗电弧炉熔炼。所用电极的直径d与坩埚直径D之比为0.63～0.88，熔炼电压为23～35伏，熔炼电流密度为5～60A/cm²，熔炼时的真空度为2.5～0.5Pa。

3、真空铸造凝壳炉熔炼浇铸。熔炼电压为25～40伏，熔炼电流密度为40～60A/cm²，熔炼真空度为2.5～0.5Pa。完成熔炼以后，将合金液体浇入经过真空高温除气的优质石墨模具中。浇铸环形铸坯时采用环形模具离心浇铸工艺，模具随底盘旋转，转速为每分钟100～2000转。Ti-Al系金属间化合物基合金的环形铸件可直接轧制成环形零件。浇铸用于变形加工的铸锭时一般采用圆锥形模具，它可以控制合金的凝固顺序，使其由下向上顺序凝固，减缓铸锭上部的凝固速度，使缩孔上移并减少内部气孔。浇铸用于下述工艺过程4所述的自耗电极时一般采用圆柱形模具。

4、真空自耗电弧炉再次熔炼。用时为了进一步保证铸锭内部质量和减少冒口损失，或为了熔炼大型铸锭，可将真空铸造凝壳炉熔铸成的铸锭作为电极（熔铸大型铸锭时，可用焊接等方法将凝壳炉熔铸成的多个铸锭连接成大型电极），在真空自耗电弧炉中再次熔铸成供变形加工用的铸锭。熔炼工艺参数同上述工艺过程2。上述工艺过程2或4中一般只需要熔炼一次，在某些情况下也可以连续熔炼2、3次。试验结果表明：采用本发明工艺熔铸的Ti-24Al-11Nb（at%）、Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo（at%）和Ti-48Al-2Mn（at%）等合金铸锭，其成分均匀性以及杂质元素水平控制取得了令人满意的效果。下面表1是本发明工艺与使用真空自耗炉熔炼工艺对铸锭宏观成分均匀性的影响的对比数据，表2是两种工艺对铸锭微观成分均匀性的影响的对比数据。

表1 铸锭宏观成分均匀性的对比数据

注：表中数据取自铸锭四个横截面（头部、中上部、中下部和底部），每个截面分内、中、外三部位，共取12部位的化学分析结果。

表2 铸锭微观成分均匀性对比数据

注：表中数据取自拉伸试样横截面半径（2.5毫米）上均匀地打10点，电子探针的电子束直径为30微米。

由表1、2中的数据可见，本发明工艺合金成分的波动值远小于现有工艺，使其得到良好的控制。

实施例1

Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo（at%）Ti₃Al基合金环形铸坯的制造。

＊合金配料成分：Ti-14.3Al-19.4Nb-3.2V-2Mo（wt%）。

＊第一次熔炼。使用200公斤真空自耗电弧炉熔炼，电极直径105毫米，坩埚直径160毫米，熔炼电压27～28伏，熔炼电流3.4～3.7千安，熔炼真空度1.5～0.5Pa。铸锭重量50公斤，铸锭尺寸φ160×600毫米。

＊第二次熔炼。使用50公斤真空铸造凝壳炉熔铸，用上述φ160铸锭作为电极，坩埚尺寸φ270×330毫米，熔炼电压27～28伏，熔炼电流11千安，熔炼真空度2.2～1.8Pa，熔炼时间6.5分钟。浇铸时采用环形石墨模具并随离心盘旋转，转速为每分钟300转，浇成的环坯尺寸为φ373×140×69毫米（外径×内径×高）。环形铸坯的化学分析结果见表3。

表3 环坯内外不同部位化学成分波动范围（wt%）.

该环坯经1200℃热轧成φ656×600×80毫米环形件。也可以从环形件上取料后热轧成棒材。其主要力学性能见表4。

表4 轧环及棒材的主要力学性能。

实施例2

Ti-25Al-10Nb-3V-Mo（at%）Ti₃Al基合金圆柱形铸锭的制造。

＊合金配料成分：Ti-14.3Al-19.5Nb-3.3V-2.1Mo（wt%）。

＊第一次熔炼。使用200公斤真空自耗电弧炉，电极直径105毫米，其他工艺参数同实施例1，熔炼后获得φ160×1300毫米铸锭（重120公斤）。

＊第二次熔铸。使用50公斤真空凝壳炉，以上述φ160毫米铸锭为电极，工艺参数同实施例1，熔炼时间11分钟，熔炼后浇铸到经800℃真空除气处理的底部放置带空腔的供下次熔炼时夹持的电极头的石墨模具中，经过两炉熔炼后得到尺寸为φ165×110毫米的铸锭（重108公斤）。

＊第三次熔炼。使用200公斤真空自耗电弧炉，以上述φ165毫米铸锭为电极，坩埚直径220毫米，熔炼电压24～34伏，熔炼电流5.6千安，熔炼真空度2.4～1.8Pa，熔炼40分钟，得到的铸锭的尺寸为φ220×600毫米。铸锭成分的宏观和微观均匀性见表1、2中本发明工艺部分。使用该铸锭锻造的航空发动机二级涡轮结合环已经进行了发动机地面试车。

实施例3

Ti-24Al-11Nb（at%）Ti₃Al基合金圆锥形铸锭的制造。

＊合金配料成分：Ti-14.3Al-21.5Nb（wt%）。

＊第一次熔炼。使用200公斤真空自耗电弧炉，电极直径75毫米，熔炼电压27～30伏，坩埚直径120毫米，熔炼电流2.8千安，熔炼真空度1.6～0.7Pa，熔炼7分半钟，熔炼后获得φ120×300毫米铸锭。

＊第二次熔炼。使用8公斤真空凝壳炉，用上述铸锭为电极，坩埚尺寸φ200×250毫米，熔炼电压35伏，熔炼电流5.5千安，真空度2.4～1.3Pa，熔炼3分40秒，浇铸到圆锥形模具中。该铸锭的成分分析结果见表5，将铸锭锻成棒材后的主要力学性能见表6。

表5 合金成分分析结果（wt%）。

注：铸锭沿长度方向取上、中、下三个截面，每个截面又分内、中、外取样进行化学分析。

表6 棒材的主要力学性能。

实施例4

Ti-48Al-2Mn（at%）TiAl基合金环形铸件的制造。

＊合金配料成分：Ti-34.5Al-1.55Mn（wt%）。

＊第一次熔炼。使用200公斤真空自耗炉熔炼，电极直径75毫米，坩埚直径120毫米，熔炼电压26～28伏，熔炼电流2.4千安，真空度2.5～1.5Pa。

＊第二次熔炼。使用200公斤真空自耗电弧炉，电极直径120毫米，坩埚直径160毫米，熔炼电压26～29伏，熔炼电流4.1千安，真空度1.8～1.2Pa，熔炼时间27分钟。

＊第三次熔炼。使用50公斤真空凝壳炉，电极直径160毫米，坩埚尺寸φ270×330毫米，熔炼电压30～38伏，熔炼电流11千安，真空度1～0.5Pa，熔炼时间7分25秒。浇铸时铸模离心盘转速每分400转，铸坯尺寸为φ373×70毫米，其化学分析结果见表7。

表7 环件化学成分分析结果（wt%）。

本文中at%是原子百分比，wt%是重量百分比。

Claims

1、一种Ti-Al系金属间化合物基合金的均匀化熔铸工艺，包括配料以及将原料压制成适合于真空熔炼的自耗电极，其特征在于，采用真空自耗电弧炉和真空铸造凝壳炉相结合的熔炼方法，即先使用真空自耗电弧炉熔炼合金，冷却后使用真空铸造凝壳炉再次熔炼合金并直接浇铸出供变形加工用的铸坯或铸锭。

2、根据权利要求1所述的熔铸工艺，其特征在于，采用真空自耗电弧炉和真空铸造凝壳炉相结合的熔炼方法熔炼合金并浇铸成铸锭以后，将该铸锭作为电极在真空自耗电弧炉中进行第三次熔炼，获得供变形加工用的铸锭。