CN110527843B - 一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法 - Google Patents

一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，包括以下步骤：一、将铌车屑进行破碎处理得到铌碎屑，进行真空退火；二、将经真空退火后的铌碎屑和海绵钛进行混合，得到混合料；三、将混合料和海绵钛在模具中依次进行布料和压制，得到电极块；四、将电极块进行电极组焊，得到电极棒；五、将电极棒进行真空自耗电弧熔炼，得到高铌钛合金均质铸锭。本发明制备的高铌钛合金均质铸锭中铌的质量百分数不小于40％，实现了具有高含量难熔金属铌的铌钛合金的有效制备，制备出的高铌钛合金均质铸锭中各合金成分分布均匀、波动较小，并且无铌夹杂等缺陷，满足了工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。

Description

一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法
技术领域
本发明属于金属冶金技术领域，具体涉及一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法。
背景技术
铌是钛合金的同晶型β稳定元素，可以与钛无限固溶。由于铌元素的熔点比钛要高得多，且密度大，目前高铌钛合金普遍存在铸锭冶金质量问题。
对含量较多难熔金属铌的特殊钛合金，铸锭中难熔金属元素铌的均匀化分布是保证铸锭质量的关键。现有技术中有用铌棒与海绵钛压制电极，或者用铌棒作为自耗电极的心部，将海绵钛电极焊接到铌棒上，通过多次真空自耗电弧熔炼制备合金铸锭的工艺，这种制备的合金铸锭容易存在铌不熔块。另外，也有使用铌金属粉末作为原料与海绵钛混合后进行真空自耗电弧熔炼工艺，但大量粉末加入海绵钛中，使电极强度显著下降，而熔炼电流又高于常规钛合金，容易造成电极熔炼过程中发生断裂，直接影响铸锭质量。如果通过凝壳熔炼制备铌钛金属，不仅制备工艺复杂、价格较高，而且破碎困难。因此，需要一种更好的制备方法来提高铌钛合金均质铸锭的冶金质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法。该方法将铌车屑破碎得到的铌碎屑作为铌的来源，通过控制铌碎屑的粒度、真空退火处理的参数、混合料中铌碎屑和海绵钛的质量比和布料方法，避免熔炼处理过程中发生铌的掉落，有利于制备的高铌钛合金均质铸锭中铌的均匀分布，本发明制备出的高铌钛合金均质铸锭中铌的质量百分数不小于40％，各合金成分分布均匀、波动较小，并且无铌夹杂等缺陷，满足工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将铌车屑进行破碎处理得到铌碎屑，然后对铌碎屑进行真空退火处理；
步骤二、将步骤一中经真空退火处理后的铌碎屑和海绵钛进行混合处理，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料作为中间层，海绵钛分别作为上层和下层在压制模具中进行布料，然后进行压制处理，得到电极块；
步骤四、将步骤三中得到的电极块进行电极组焊处理，得到电极棒；
步骤五、将步骤四中得到的电极棒进行真空自耗电弧熔炼处理，得到高铌钛合金均质铸锭；所述高铌钛合金均质铸锭中铌的质量百分数不小于40％。
上述的一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述铌车屑为铌车加工时产生的车屑，所述铌碎屑的粒度小于3mm，所述真空退火处理的条件为：真空度小于5×10-2MPa，温度为800℃～850℃，时间不少于30min。本发明采用铌车加工时产生的车屑作为本发明铌的来源，具有成本低和便于获得的优点，采用粒度小于3mm的铌碎屑，在混合处理过程中铌碎屑不会发生团聚，实现了混合料中铌的均匀分布，避免造成熔炼处理过程中产生夹杂和成分偏析，本发明采用真空退火处理的条件为：在真空度小于5×10-2MPa条件下，温度为800℃～850℃、时间不少于30min，使铌碎屑软化并具有更高的延展性，在压制处理后实现铌碎屑均匀粘连在海绵钛表层，保证了熔炼处理过程中不会发生铌的掉落，所述真空退火处理还能有效去除破碎过程中铌碎屑沾染的切屑液或油污。
上述的一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，步骤二中所述混合料由质量比为(2～3)：1的铌碎屑和海绵钛组成，所述海绵钛为粒度3mm～12.7mm的0级海绵钛，所述混合处理的时间为5min～8min。本发明采用质量比为(2～3)：1的铌碎屑和海绵钛组成混合料，使混合料中铌碎屑和海绵钛具有合适的体积比，在压制处理后使电极块中所有的铌碎屑均匀粘连在海绵钛表层，避免了熔炼处理过程中发生铌的掉落，保证了铸锭中铌的均匀分布，本发明采用混合处理的时间为5min～8min，使混合料中的铌碎屑与海绵钛完全混合均匀，有利于制备的高铌钛合金均质铸锭中铌的均匀分布，本发明采用粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛，具有海绵状的孔隙结构和较小的体积，在压制处理后保证铌碎屑完全粘连在其表面，避免了熔炼处理过程中发生铌的掉落。
上述的一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，步骤三中所述上层的海绵钛和下层的海绵钛的质量相同，所述海绵钛为粒度3mm～12.7mm的0级海绵钛。本发明采用上层的海绵钛和下层的海绵钛的质量相同，在压制处理后实现海绵钛均匀包裹在混合料表层，避免了在熔炼处理过程中由于高熔点铌碎屑裸露在外导致的起边弧现象，保证了熔炼处理过程的安全进行。
上述的一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，步骤四中所述电极组焊处理的过程为：通过等离子弧焊的方法将20块以上的电极块焊接为电极棒。本发明采用等离子弧焊将电极块焊接为电极棒，具有焊接热影响区小、焊接形变小和焊接质量高等优点。
上述的一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，步骤五中所述真空自耗电弧熔炼处理的次数为三次。本发明将电极棒进行三次真空自耗电弧熔炼，有效保证了制备的高铌钛合金均质铸锭的均匀性，本发明采用真空自耗电弧熔炼，具有工艺简单、熔炼均匀化效果好等优点。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明制备的高铌钛合金均质铸锭中铌的质量百分数不小于40％，实现了具有高含量难熔金属铌的铌钛合金的有效制备，制备出的高铌钛合金均质铸锭中各合金成分分布均匀、波动较小，且无铌夹杂等缺陷，满足工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。
2、本发明采用铌加工时产生的车屑作为高铌钛合金均质铸锭中铌的来源，具有成本低和便于获得的优点，通过控制铌碎屑的粒度，使混料处理过程中不会发生铌碎屑的团聚，实现了混合料中铌的均匀分布，保证了高铌钛合金均质铸锭中铌的均匀分布，本发明通过将铌碎屑进行真空退火处理，使铌碎屑具有更高的延展性，有利于压制处理后铌碎屑均匀粘连在海绵钛表层，避免了熔炼处理过程中发生铌的掉落。
3、本发明通过采用一定质量比的铌碎屑和海绵钛作为混合料，利用海绵钛的海绵状的孔隙结构和较小的体积的优点，在压制处理后使电极块中所有的铌碎屑均匀粘连在海绵钛表面，避免了熔炼处理过程中发生铌的掉落，实现了高铌钛合金均质铸锭中铌的均匀分布。
4、本发明通过三层的布料方法，将混合料包裹在海绵钛中间，避免了在熔炼处理过程中由于高熔点铌碎屑裸露在导致的起边弧现象，保证了熔炼处理过程的安全进行。
5、本发明生产工艺简单、成本低、易于实现工业化生产。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Ti-47Nb合金均质铸锭冒口的低倍组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将9.4kg铌车屑进行破碎处理得到粒度小于3mm的铌碎屑，然后放入真空退火炉，在真空度小于5×10-2MPa条件下，加热至800℃后保温30min进行真空退火处理；
步骤二、将步骤一中经真空退火处理后的铌碎屑和3.13kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛进行机械混合5min，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料作为中间层，3.735kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为下层，3.735kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为上层在模具中进行布料，然后进行压制处理，得到电极块；
步骤四、将25块步骤三中得到的电极块进行等离子弧焊处理，得到电极棒；
步骤五、将步骤四中得到的电极棒进行三次真空自耗电弧熔炼处理，得到370mm×760mm(横截面直径×高)的圆柱体Ti-47Nb合金均质铸锭。
将本实施例制备的Ti-47Nb合金均质铸锭中距顶面70mm处的侧面、侧面正中处和距底面70mm处的侧面，分别视为Ti-47Nb合金均质铸锭的上部、中部和下部，然后对上部、中部和下部分别取样进行化学成分检测，结果显示，本实施例制备的高铌钛合金均质铸锭的上部、中部和下部的铌含量分别为47.02％、46.07％和46.08％，成分波动偏差绝对值小于1％，各合金成分均匀性良好。
图1为本实施例制备的Ti-47Nb合金均质铸锭冒口的低倍组织图，从图1可以看出，本实施例制备的Ti-47Nb合金均质铸锭无铌夹杂等缺陷，满足了大规模工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将25kg铌车屑进行破碎处理得到粒度小于3mm的铌碎屑，然后放入真空退火炉，在真空度小于5×10-2MPa条件下，加热至850℃后保温40min进行真空退火处理；
步骤二、将步骤一中经真空退火处理后的铌碎屑和8.34kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛进行机械混合8min，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料作为中间层，8.33kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为下层，8.33kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为上层在模具中进行布料，然后进行压制处理，得到电极块；
步骤四、将20块步骤三中得到的电极块进行等离子弧焊处理，得到电极棒；
步骤五、将步骤四中得到的电极棒进行三次真空自耗电弧熔炼处理，得到460mm×1000mm(横截面直径×高)的圆柱体Ti-50Nb合金均质铸锭。
将本实施例制备的Ti-50Nb合金均质铸锭中距顶面70mm处的侧面、侧面正中处和距底面70mm处的侧面，分别视为Ti-50Nb合金均质铸锭的上部、中部和下部，然后对上部、中部和下部分别取样进行化学成分检测，结果显示，本实施例制备的高铌钛合金均质铸锭的上部、中部和下部的铌含量分别为50.04％、49.98％、49.97％，成分波动偏差绝对值小于1％，各合金成分均匀性良好。
对本实施例制备的Ti-50Nb合金均质铸锭进行冒口低倍组织观察，发现本实施例制备的Ti-50Nb合金均质铸锭无铌夹杂等缺陷，满足了大规模工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将8kg铌车屑进行破碎处理得到粒度小于3mm的铌碎屑，然后放入真空退火炉，在真空度小于5×10-2MPa条件下，加热至830℃后保温35min进行真空退火处理；
步骤二、将步骤一中经真空退火处理后的铌碎屑和4kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛进行机械混合8min，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料作为中间层，4kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为下层，4kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为上层在模具中进行布料，然后进行压制处理，得到电极块；
步骤四、将20块步骤三中得到的电极块进行等离子弧焊处理，得到电极棒；
步骤五、将步骤四中得到的电极棒进行三次真空自耗电弧熔炼处理，得到370mm×700mm(横截面直径×高)的圆柱体Ti-40Nb合金均质铸锭。
将本实施例制备的Ti-40Nb合金均质铸锭中距顶面70mm处的侧面、侧面正中处和距底面70mm处的侧面，分别视为Ti-40Nb合金均质铸锭的上部、中部和下部，然后对上部、中部和下部分别取样进行化学成分检测，结果显示，本实施例制备的高铌钛合金均质铸锭的上部、中部和下部的铌含量分别为40.01％、40.08％、40.08％，成分波动偏差绝对值小于1％，各合金成分均匀性良好。
对本实施例制备的Ti-40Nb合金均质铸锭进行冒口低倍组织观察，发现本实施例制备的Ti-40Nb合金均质铸锭无铌夹杂等缺陷，满足了大规模工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将4.5kg铌车屑进行破碎处理得到粒度小于3mm的铌碎屑，然后放入真空退火炉，在真空度小于5×10-2MPa条件下，加热至840℃后保温50min进行真空退火处理；
步骤二、将步骤一中经真空退火处理后的铌碎屑和1.6kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛进行机械混合6min，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料作为中间层，1.95kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为下层，1.95kg粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛作为上层在模具中进行布料，然后进行压制处理，得到电极块；
步骤四、将25块步骤三中得到的电极块进行等离子弧焊处理，得到电极棒；
步骤五、将步骤四中得到的电极棒进行三次真空自耗电弧熔炼处理，得到280mm×540mm(横截面直径×高)的圆柱体Ti-45Nb合金均质铸锭。
将本实施例制备的Ti-45Nb合金均质铸锭中距顶面70mm处的侧面、侧面正中处和距底面70mm处的侧面，分别视为Ti-45Nb合金均质铸锭的上部、中部和下部，然后对上部、中部和下部分别取样进行化学成分检测，结果显示，本实施例制备的高铌钛合金均质铸锭的上部、中部和下部的铌含量分别为45.04％、45.02％、45.02％，成分波动偏差绝对值小于1％，各合金成分均匀性良好。
对本实施例制备的Ti-45Nb合金均质铸锭进行冒口低倍组织观察，发现本实施例制备的Ti-45Nb合金均质铸锭无铌夹杂等缺陷，满足了大规模工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将铌车屑进行破碎处理得到铌碎屑，然后对铌碎屑进行真空退火处理；
步骤二、将步骤一中经真空退火处理后的铌碎屑和海绵钛进行混合处理，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料作为中间层，海绵钛分别作为上层和下层在压制模具中进行布料，然后进行压制处理，得到电极块；
步骤四、将步骤三中得到的电极块进行电极组焊处理，得到电极棒；
步骤五、将步骤四中得到的电极棒进行真空自耗电弧熔炼处理，得到高铌钛合金均质铸锭；所述高铌钛合金均质铸锭中铌的质量百分数不小于40％；
步骤一中所述铌车屑为铌车加工时产生的车屑，所述铌碎屑的粒度小于3mm，所述真空退火处理的条件为：真空度小于5×10-2MPa，温度为800℃～850℃，时间不少于30min；
步骤二中所述混合料由质量比为(2～3)：1的铌碎屑和海绵钛组成，所述海绵钛为粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛，所述混合处理的时间为5min～8min；
步骤三中所述上层的海绵钛和下层的海绵钛的质量相同，所述海绵钛为粒度为3mm～12.7mm的0级海绵钛。
2.根据权利要求1所述的一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，步骤四中所述电极组焊处理的过程为：通过等离子弧焊的方法将20块以上的电极块焊接为电极棒。
3.根据权利要求1所述的一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，其特征在于，步骤五中所述真空自耗电弧熔炼处理的次数为三次。
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