CN110317967A - 一种改善大规格tc4钛合金铸锭凝固组织的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，尤其适用于改善Φ720～Φ1020mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织成分均匀性差的问题。该方法包括：将海绵钛及中间合金按照GB/T3620.1要求的配比进行配料，混料后压制成电极块，将电极块进行真空等离子焊接后进行真空电弧炉熔炼，熔炼过程中第三次熔炼时在坩埚内放置80～200mm厚度的底垫，最后进行表面机加工后得到TC4钛合金成品铸锭。本发明提供的技术方案，解决了现有大规格TC4钛合金铸锭尾部柱状晶尺寸大、铸锭尾部由于凝固组织差异造成的铸锭下部成分差异大、锻制棒材性能的各向异性突出的问题。
Description
技术领域
本发明属于钛合金加工技术领域，涉及一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法。
背景技术
TC4钛合金作为成熟应用的钛合金，不论是在军机还是民机上都有广泛的应用。随着航空钛合金结构件的整体化和大型化发展，以及大型整体锻造设备的出现，大型铸锭直接进行开坯锻造工艺逐渐开始应用。
由于钛合金采用真空自耗电弧熔炼的特点，熔炼过程边熔化边凝固，整个过程中熔液的冷却边界随时间变化，因此铸锭的宏观凝固组织体现典型的“三晶区”特征，即边部细晶区、向内柱状晶区、心部等轴晶区。现有的Φ720mm规格TC4铸锭的尾部凝固组织，铸锭边部细晶区，向内为柱状晶区，铸锭心部有等轴晶区，尾部柱状晶最大高度约为500mm。不同的凝固组织对应不同的宏观成分。因此目前随着TC4钛合金的铸锭尺寸增大，受熔炼凝固过程传热影响，大型铸锭的凝固组织表现为铸锭尾部柱状晶更加粗大，造成铸锭尾部成分不均匀性增加，材料各向异性问题突出，影响材料后续性能的一致性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，解决现有大规格TC4钛合金铸锭尾部柱状晶尺寸大、铸锭尾部由于凝固组织差异造成的铸锭下部成分差异大、锻制棒材性能的各向异性突出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，具体包括以下步骤：
1)将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、铝铁中间合金、Al豆和TiO2按照GB/T 3620.1要求的配比进行配料；
2)将上述原料充分混合均匀，并压制成电极块；
3)将步骤2)得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
4)将步骤3)得到的自耗电极进行三次真空电弧炉熔炼，第三次熔炼前在坩埚内放置一底垫，整个熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
5)将步骤4)经过真空电弧炉熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4钛合金成品铸锭。
进一步地，所述步骤2)中的压制采用8000吨的油压机，其压强为68-75MPa。
进一步地，所述步骤4)中底垫的厚度为80-200mm，且底垫的材质与所熔铸锭的材质相同。
进一步地，所述步骤4)中的三次真空电弧熔炼具体为：
第一次真空电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
第二次真空电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5-25s，熔炼后冷却时间不小于7小时；
第三次真空电弧熔炼，装炉时在坩埚内放置厚度为200mm的TC4底垫，熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5-35s，熔炼后冷却时间不小于8小时。
进一步地，所述步骤1)中的海绵钛为国家标准的0级/1级海绵钛。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：为保证铸锭的成分均匀性，通过混料实现原材料在电极块中均匀分布，提高成分均匀性；采用真空等离子焊接的方式进行电极的焊接是为了防止焊接自耗电极时外界气氛对电极造成氧化的影响；采用真空自耗电弧熔炼(VAR)方法进行三次熔炼，通过在第三次真空自耗电弧熔熔炼时放置同牌号底垫，解决了现有大规格TC4钛合金铸锭尾部柱状晶尺寸大、铸锭尾部由于凝固组织差异造成的铸锭下部成分差异大、锻制棒材性能的各向异性突出的问题。
附图说明
图1为现有的Φ720mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织图；
图2为实施例2利用本发明提供的技术方案制得的Φ720mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织图；
图3、图4均为实施例2利用本发明提供的技术方案制得的Φ720mm规格TC4钛合金铸锭的纵剖30点取样结果图；
图5为实施例3利用本发明提供的技术方案制得的Φ920mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织图；
图6、图7均为实施例3利用本发明提供的技术方案制得的Φ920mm规格TC4钛合金铸锭的纵剖24点取样结果图；
图8为实施例4利用本发明提供的技术方案制得的Φ1020mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织图；
图9、图10均为实施例4利用本发明提供的技术方案制得的Φ1020mm规格TC4钛合金铸锭的纵剖21点取样结果图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本发明提供了一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，尤其适用于改善Φ720～Φ1020mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织成分均匀性差的问题，具体包括以下步骤：
1)将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、铝铁中间合金、Al豆和TiO2按照GB/T 3620.1要求的配比进行配料；
2)将上述原料充分混合均匀，并压制成电极块；
3)将步骤2)得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
4)将步骤3)得到的自耗电极进行三次真空电弧炉熔炼，第三次熔炼前在坩埚内放置一底垫，熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
5)将步骤4)经过真空电弧炉熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4钛合金成品铸锭。
进一步地，所述步骤2)中压制采用8000吨的油压机，其压强为68-75MPa。
进一步地，所述步骤4)中的底垫厚度为80-200mm，避免出现底垫熔透或者难出炉的问题，且底垫材质与所熔铸锭材质相同，避免铸锭尾部成分出现差异。
进一步地，所述步骤4)中的三次真空电弧熔炼具体为：
第一次真空电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
第二次真空电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5-25s，熔炼后冷却时间不小于7小时；
第三次真空电弧熔炼，装炉时在坩埚内放置厚度为200mm的TC4底垫，熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5-35s，熔炼后冷却时间不小于8小时。
进一步地，所述步骤1)中的海绵钛为国家标准的0级/1级海绵钛。
实施例2
本发明还提供了一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，尤其适用于改善Φ720～Φ1020mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织成分均匀性差的问题，具体包括以下步骤：
步骤一：将国家标准海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、铝铁中间合金、Al豆和TiO2按照按Ti-6.00Al-3.90V-0.10Fe-0.08Si-0.10O配比进行配料，对应单块电极HTi称重103.2kg、铝钒中间合金称重7.6kg、钛硅中间合金称重0.17kg、铝铁中间合金称重0.15kg、Al豆称重3.8kg、TiO2称重0.15kg；
步骤二：将上述原料充分混合均匀，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强为75MPa；
步骤三：将步骤二得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤四：将步骤三得到的自耗电极进行真空三次电弧炉熔炼，具体为：
第一次熔炼采用直径580mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-20kA，熔炼电压30-35V，稳弧电流12A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
第二次熔炼采用直径620mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流20-35kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流20A，稳弧周期8s，熔炼后冷却时间不小于7小时；
第三次真空电弧炉熔炼采用直径720mm的坩埚，装炉时在坩埚内放置厚度为80mm的TC4底垫，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流22-38kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流15A，稳弧周期30s，熔炼后冷却时间不小于8小时。
步骤5：将步骤4经过三次熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4钛合金成品铸锭。
将本实施例熔炼的Φ720mm铸锭，对其铸锭下部1.1m进行纵剖，腐蚀试样片观察铸锭凝固组织，如图2所示。铸锭尾部1.1mm纵剖面上分别在边部、1/2半径和心部等间隔取样，测试铸锭成分见图3、图4。
由图2可以看出：可见施加底垫后铸锭尾部垂直向上生长的柱状晶高度变为300mm，铸锭下部组织为尾部柱状晶向上，边部柱状晶向内生长交汇在铸锭心部，无铸锭中心等轴晶区宽度。
由图3及图4可以看出：所得的TC4铸锭纵剖面共30个点成分均匀性良好，成分极差小。
实施例3
本发明还提供了一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，尤其适用于改善Φ720～Φ1020mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织成分均匀性差的问题，具体包括以下步骤：
步骤一：按照GB/T 3620.1要求的配比，将国家标准的0级或1级的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、铝铁中间合金、Al豆和TiO2按照按Ti-6.4Al-4.0V-0.20Fe-0.05Si-0.15O配比进行配料，对应单块电极HTi称重102.4kg、铝钒中间合金称重7.8kg、钛硅中间合金称重0.10kg、铝铁中间合金称重0.35kg、Al豆称重4.1kg、TiO2称重0.29kg；
步骤二：将上述原料充分混合均匀，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强为72MPa；
步骤三：将步骤二得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤四：将步骤三得到的自耗电极进行真空三次电弧炉熔炼，具体为：
第一次熔炼采用直径680mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-23kA，熔炼电压30-38V，稳弧电流12A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
第二次熔炼采用直径850mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流24-35kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流15A，稳弧周期5s，熔炼后冷却时间不小于7小时；
第三次真空电弧炉熔炼采用直径920mm的坩埚，装炉时在坩埚内放置厚度为150mm的TC4底垫，在熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流22A，稳弧周期15s，熔炼后冷却时间不小于8小时。
步骤五：将步骤4经过三次熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4钛合金成品铸锭。
将本实施例熔炼的Φ920mm铸锭，对其铸锭下部1.2m进行纵剖，腐蚀试样片观察铸锭凝固组织，如图5所示。铸锭尾部1.2mm纵剖面上分别在边部、1/2半径和心部等间隔取样，测试铸锭成分见图5。
由图5可以看出：可见施加底垫后铸锭尾部垂直向上生长的柱状晶高度变为380mm，铸锭下部组织为尾部柱状晶向上，边部柱状晶向内生长交汇在铸锭心部，无铸锭中心等轴晶区宽度。
由图6、图7可以看出：所得的TC4铸锭纵剖面共24个点成分均匀性良好，成分极差小。
实施例4
本发明还提供了一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，尤其适用于改善Φ720～Φ1020mm规格TC4钛合金铸锭凝固组织成分均匀性差的问题，具体包括以下步骤：
步骤一：按照GB/T 3620.1要求的配比，将国家标准0级/1级的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、铝铁中间合金、Al豆和TiO2按照按Ti-6.3Al-4.3V-0.15Fe-0.08Si-0.12O配比进行配料，对应单块电极HTi称重102.2kg、铝钒中间合金称重8.4kg、钛硅中间合金称重0.16kg、铝铁中间合金称重0.25kg、Al豆称重3.7kg、TiO2称重0.21kg；
步骤二：将上述原料充分混合均匀，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强为68MPa；
步骤三：将步骤二得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
步骤四：将步骤三得到的自耗电极进行真空三次电弧炉熔炼，具体为：
第一次熔炼采用直径850mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流25-35kA，熔炼电压30-38V，稳弧电流18A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
第二次熔炼采用直径920mm的坩埚，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流28-40kA，熔炼电压33-40V，稳弧电流18A，稳弧周期20s，熔炼后冷却时间不小于7小时；
第三次真空电弧炉熔炼采用直径1020mm的坩埚，装炉时在坩埚内放置厚度为200mm的TC4底垫，熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流30-40kA，熔炼电压33-40V，稳弧电流20A，稳弧周期15s，熔炼后冷却时间不小于8小时。
步骤五：将步骤四经过三次熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4钛合金成品铸锭。
将本实施例熔炼的Φ1020mm铸锭，铸锭下部1.0m高度纵剖如图8所示，可见施加底垫后铸锭尾部垂直向上生长的柱状晶高度变为320mm，铸锭下部组织为尾部柱状晶向上，边部柱状晶向内生长交汇在铸锭心部，无铸锭中心等轴晶区宽度。
将铸锭下部1.0m进行纵剖，纵剖面分别从边部、1/2半径、心部三个位置等间隔取样，结合图9、10可以看出：所得的TC4铸锭纵向共21点成分均匀性良好，成分极差小。
综上，本发明提供的技术方案，通过混料实现原材料在电极块中均匀分布，提高成分均匀性；采用真空等离子焊接的方式进行电极的焊接是为了防止焊接自耗电极时外界气氛对电极造成氧化的影响；采用真空自耗电弧熔炼(VAR)方法进行三次熔炼，通过在第三次真空自耗电弧熔熔炼时放置同牌号底垫，解决了现有大规格TC4钛合金铸锭尾部柱状晶尺寸大、铸锭尾部由于凝固组织差异造成的铸锭下部成分差异大、锻制棒材性能的各向异性突出的问题。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (7)
1.一种改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将国家标准的海绵钛、铝钒中间合金、钛硅中间合金、铝铁中间合金、Al豆和TiO2按照GB/T 3620.1要求的配比进行配料；
2)将上述原料充分混合均匀，并压制成电极块；
3)将步骤2)得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；
4)将步骤3)得到的自耗电极进行三次真空电弧炉熔炼，第三次熔炼前在坩埚内放置一底垫，整个熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
5)将步骤4)经过真空电弧炉熔炼后的铸锭进行表面机加工后得到TC4钛合金成品铸锭。
2.根据权利要求1所述的改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，所述步骤2)中的压制采用8000吨的油压机。
3.根据权利要求1所述的改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，所述步骤2)中压制的压强为68-75MPa。
4.根据权利要求1所述的改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述步骤4)中底垫的厚度为80-200mm。
5.根据权利要求1所述的改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述步骤4)中底垫的材质与所熔铸锭的材质相同。
6.根据权利要求1所述的改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述步骤4)中的三次真空电弧熔炼具体为：
第一次真空电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期为直流，熔炼后冷却时间不小于5小时；
第二次真空电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5-25s，熔炼后冷却时间不小于7小时；
第三次真空电弧熔炼，装炉时在坩埚内放置厚度为200mm的TC4底垫，熔炼过程中控制真空度在3.0Pa以下，熔炼电流20-40kA，熔炼电压30-40V，稳弧电流12-30A，稳弧周期5-35s，熔炼后冷却时间不小于8小时。
7.根据权利要求1-4任一项所述的改善大规格TC4钛合金铸锭凝固组织的方法，其特征在于，所述步骤1)中的海绵钛为国家标准的0级/1级海绵钛。
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