CN110863119A - 一种提高tc17钛合金铸锭质量的熔炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，通过配料及电极压制、电极焊接、电极熔炼来实现，其中电极熔炼是采用真空自耗电弧熔炼法进行三次熔炼的，并控制第三次熔炼时的熔炼电流低于前两次的熔炼电流。本发明满足目前国内对成分均匀性良好，成本低廉的TC17钛合金铸锭的迫切需要。

Description

一种提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法

技术领域

本发明涉及钛合金制备技术领域，具体涉及一种提高TC17钛合金Φ500～Φ800mm规格铸锭成分均匀性及表面质量的熔炼方法。

背景技术

TC17钛合金名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，具有优良的综合性能，是制作航空发动机盘件的关键材料，对其成分均匀性要求极高。但TC17钛合金由于含有4%的Cr元素，在传统熔炼工艺中存在较高的成分偏析风险，对该合金的广泛应用带来了一定的质量隐患。同时，随着我过航空军工的发展，TC17合金用量的急剧增加，对该合金的生产成本越来越敏感，改善铸锭表面质量提高成材率已经势在必行。

在真空自耗电弧熔炼过程中，减低熔炼电流、控制熔池深度是控制成分偏析比较有效的方法，但熔炼电流的大小会影响钛合金溶液熔池边沿到达坩埚壁的效果，直接决定了铸锭的表面质量，熔炼电流越小，铸锭表面质量越差。本项目针对航空发动机盘件的应用需求，开发出了一种提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法。以解决传统熔炼工艺带来的成分偏析风险，提高铸锭成材率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，通过配料及电极压制、电极焊接、电极熔炼来实现，其特征在于，所述电极熔炼是采用真空自耗电弧熔炼法进行三次熔炼的，并控制第三次熔炼时的熔炼电流低于前两次的熔炼电流。

进一步，上述三次熔炼中，前两次的熔炼电流控制在12~25KA，第三次的熔炼电流控制在8~15KA。

进一步，上述第三次熔炼过程中，在其电弧区域施加旋转的水平电流感应磁场。

进一步，上述施加的旋转水平电流感应磁场的电流大小为1~20A。

进一步，在电极熔炼剩余重量为200~300kg时开始进入补缩，第三次熔炼电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。

进一步，上述提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，具体包括如下步骤：

步骤1、混配料及电极压制：

将符合国家标准要求的海绵钛、铝钼中间合金、Al豆、海绵锆、铝铬中间合金、钛锡中间合金和TiO₂按照GB/T3620.1要求的制备TC17钛合金配比进行配料，将上述原材料混合均匀，完成后使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强达到40~120Mpa；

步骤2、电极焊接：

将步骤1得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；

步骤3、电极熔炼：

将步骤2得到的自耗电极进行真空自耗电弧熔炼三次，熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流8~25KA，熔炼电压27~38V，稳弧电流6~25A，熔炼后冷却时间不小于4小时，在最后一次熔炼后期进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，最终保证熔末完整预留。

进一步，三次真空自耗电弧熔炼具体为：

第一次和第二次真空自耗电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流12~25KA，熔炼电压27~38V，稳弧电流6~22A，熔炼后冷却时间不小于4小时；

第三次真空自耗电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在1.33Pa以下，熔炼电流8~15KA，熔炼电压27~35V，稳弧电流6~22A。同时对熔炼过程中的电弧区域施加旋转的水平电流感应磁场，电流大小控制在1~20A，促使受稳弧电流磁场约束的电弧弧柱熔池端适当向熔池边沿偏移，较好的控制熔池到达坩埚壁的效果，达到改善铸锭表面质量的目的，在自耗电极熔炼剩余重量为200~300kg时开始进入补缩，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于8小时。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：

区别于现有常规技术中三次熔炼法（随着熔炼次数增加，铸锭规格加大，熔炼电流也随之加大），本申请通过控制第三次的熔炼电流低于前两次的熔炼电流，（常规熔炼中，随着熔炼次数的增加，规格增大，电流和电压相应增加，特别是在第一次熔炼采用的是海绵钛电极，熔炼电流低可以改善成分均匀性，第三次熔炼电流常规为24～33KA左右，而本发明中第三次熔炼电流8~15KA，相比之下，第三次的熔炼电流要减小很多），并控制减小到一定程度，同时对熔炼过程中的电弧区域施加旋转的水平电流感应磁场，促使受稳弧电流磁场约束的电弧弧柱熔池端适当向熔池边沿偏移，较好的控制熔池到达坩埚壁的效果，从而实现在减少合金元素偏析的基础上，更好得控制熔池深度，保证熔池边沿到达坩埚壁，最终大幅度提高铸锭表面质量，实现提高成材率的目的。本发明满足目前国内对成分均匀性良好，成本低廉的TC17钛合金铸锭的迫切需要。

附图说明

图1为本发明实施例一的Φ680mm规格铸锭的外观质量照片；

图2为本发明实施例二的Φ780mm规格铸锭的外观质量照片；

图3为本发明实施例一、实施例二中的取样图（铸锭头部横向截面）。

具体实施方式

现结合附图及具体实施例，来进一步阐述本发明。

实施例一

本实施例用以提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，具体通过如下步骤实现：

（一）混配料及电极压制：

按照TC17钛合金的配比为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（wt%），选用0级海绵钛、AlMo中间合金、Al豆、海绵锆、AlCr中间合金、TiSn中间合金和TiO₂进行电极块压制，压制之前对海绵钛和中间合金进行挑选，保证原材料的质量，将挑选好的原材料混合均匀后在油压机上压制成Φ420×180mm尺寸的电极块。

（二）电极焊接：

将压制好的电极块组合成为Φ420×5400mm的电极，然后在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极。

（三）一次熔炼

一次熔炼采用Φ500mm的坩埚，熔炼电流为12~19KA，熔炼电压为28~37V，稳弧电流为直流6~12A，熔炼后冷却4小时。

（四）二次熔炼

二次熔炼采用Φ580mm的坩埚，熔炼电流为15~23KA，熔炼电压为28~38V，稳弧电流为交流6~16A，熔炼后冷却7小时。

（五）三次熔炼

三次熔炼采用Φ680mm的坩埚，熔炼电流为8~15KA，熔炼电压为27~35V，稳弧电流为交流8~22A，同时对熔炼过程中的电弧区域施加旋转的水平电流感应磁场，电流大小控制在直流3~8A。在自耗电极熔炼剩余重量为200~230kg时开始进入补缩，熔炼后冷却8小时。

图1为本实施例熔炼的Φ680mm规格TC17合金铸锭的外观质量照片，可以看出铸锭表面质量非常好，无明显的疏松、气孔、裂纹等缺陷。表1、表2分别为对该铸锭头部横向截面九点和表面纵向五点取样分析铸锭整体成分均匀性的结果，由表1可以看出，所得的TC17合金铸锭冒口部位横向九点成分均匀性良好，主元素偏差在2000ppm以内。由表2可以看出，所得的TC17铸锭纵向成分均匀性良好：

表1 Φ680mm规格铸锭头部横向截面九点成分分析结果

表2 Φ680mm规格铸锭表面纵向五点成分分析结果

实施例二

本实施例用以提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，具体通过如下步骤实现：

（一）混配料及电极压制：

按照TC17钛合金的配比为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（wt%），选用0级海绵钛、AlMo中间合金、Al豆、海绵锆、AlCr中间合金、TiSn中间合金和TiO₂进行电极块压制，压制之前对海绵钛和中间合金进行挑选，保证原材料的质量，将挑选好的原材料混合均匀后在油压机上压制成Φ480×170mm尺寸的电极块。

（二）电极焊接：

将压制好的电极块组合成为Φ480×5100mm的电极，然后在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极。

（三）一次熔炼

一次熔炼采用Φ580mm的坩埚，熔炼电流为14~21KA，熔炼电压为28~37V，稳弧电流为直流8~14A，熔炼后冷却5小时。

（四）二次熔炼

二次熔炼采用Φ680mm的坩埚，熔炼电流为15~25KA，熔炼电压为28~38V，稳弧电流为交流9~18A，熔炼后冷却8小时。

（五）三次熔炼

三次熔炼采用Φ780mm的坩埚，熔炼电流为8~15KA，熔炼电压为27~35V，稳弧电流为交流10~22A，同时对熔炼过程中的电弧区域施加旋转的水平电流感应磁场，电流大小控制在直流3~10A。在自耗电极熔炼剩余重量为210~260kg时开始进入补缩，熔炼后冷却9小时。

图2为本实施例熔炼的Φ780mm规格TC17合金铸锭的外观质量照片，可以看出铸锭表面质量非常好，无明显的疏松、气孔、裂纹等缺陷。表3、表4分别为对该铸锭头部横向截面九点和表面纵向五点取样分析铸锭整体成分均匀性的结果，由表3可以看出，所得的TC17合金铸锭冒口部位横向九点成分均匀性良好，主元素偏差在2000ppm以内。由表4可以看出，所得的TC17铸锭纵向成分均匀性良好：

表3 Φ780mm规格铸锭头部横向截面九点成分分析结果

表4 Φ780mm规格铸锭表面纵向五点成分分析结果

Claims (7)

1.一种提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，通过配料及电极压制、电极焊接、电极熔炼来实现，其特征在于，所述电极熔炼是采用真空自耗电弧熔炼法进行三次熔炼的，并控制第三次熔炼时的熔炼电流低于前两次的熔炼电流。

2.根据权利要求1所述的提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，其特征在于，上述三次熔炼中，前两次的熔炼电流控制在12~25KA，第三次的熔炼电流控制在8~15KA。

3.根据权利要求2所述的提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，其特征在于，上述第三次熔炼过程中，在其电弧区域施加旋转的水平电流感应磁场。

4.根据权利要求3所述的提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，其特征在于，上述施加的旋转水平电流感应磁场的电流大小为1~20A。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，其特征在于，在电极熔炼剩余重量为200~300kg时开始进入补缩，熔炼后冷却时间不小于8小时。

6.根据权利要求5所述的提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，其特征在于，上述提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，具体包括如下步骤：

步骤1、混配料及电极压制：

将符合国家标准要求的海绵钛、铝钼中间合金、Al豆、海绵锆、铝铬中间合金、钛锡中间合金和TiO₂按照GB/T3620.1要求的制备TC17钛合金配比进行配料，将上述原材料混合均匀，完成后使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制的压强达到40~120Mpa；

步骤2、电极焊接：

将步骤1得到的电极块进行真空等离子焊接，得到自耗电极；

步骤3、电极熔炼：

将步骤2得到的自耗电极进行真空自耗电弧熔炼三次，熔炼过程控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流8~25KA，熔炼电压27~38V，稳弧电流6~25A，熔炼后冷却时间不小于4小时，在最后一次熔炼后期进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，最终保证熔末完整预留。

7.根据权利要求6所述的提高TC17钛合金铸锭质量的熔炼方法，其特征在于，三次真空自耗电弧熔炼具体为：

第一次和第二次真空自耗电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在5.0Pa以下，熔炼电流12~25KA，熔炼电压27~38V，稳弧电流6~22A，熔炼后冷却时间不小于4小时；

第三次真空自耗电弧熔炼，在熔炼过程中控制真空度在1.33Pa以下，熔炼电流8~15KA，熔炼电压27~35V，稳弧电流6~22A。

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