CN110983079A - 一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，根据含Al和Mn的钛合金合金名义成分确定各元素配比值，Al元素配比值高于名义成分值0.2％，Mn元素配比值高于名义成分值0.5％，根据各元素配比值成分计算海绵钛、中间合金质量与铝豆的质量比，将中间合金、海绵钛与铝豆按照质量比混合均匀后压制成电极块；将电极块在等离子冷床炉中进行熔炼，获得一次锭；将一次锭进行二次熔炼，获得含易挥发元素的钛合金铸锭。本发明成本低，可操作性强，采取本发明的方法可获得成分均匀、无偏析的工业规模化钛合金铸锭。

Description

一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法
技术领域
本发明属于钛合金制备技术领域，涉及一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法。
背景技术
合金成分的精确控制是获得性能优良合金的先决条件之一，而合金成分的变化主要由于在熔炼过程中易挥发组元的损失。在高温条件下，熔体中一些主要组成元素在真空条件下的挥发会造成熔炼后合金成分偏离指定成分，对合金的组织性能产生影响。
由于Al、Mn元素在钛合金中的饱和蒸汽压远大于基体元素。铝、锰属于易挥发组元，在真空熔炼条件下大量挥发，除相当部分被真空机组抽出外，大部分在铸锭周边和顶部富集，尤其是Mn元素更为严重，铸锭表层的含锰量可高达中心部位的15倍，这会造成铸锭化学成分不均匀，产生严重锰偏析，影响产品的力学性能和质量。目前消除这类偏析的主要措施是采用充氩熔炼来抑制易挥发组元的挥发。
但是充氩熔炼也有弊端，①氩气电离，电弧易产生偏弧，使电弧稳定性降低；②充氩的压力不易控制，压力太小时起不到抑制元素挥发的作用，而高热环境充氩压力太大易引起不安全事故；③充氩压力大，不利于杂质元素的去除。④为了得到合适的充氩压力，往往要进行多次试验，氩气损耗量大，增加了熔炼成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，针对钛合金铸锭中铝、锰等易挥发元素不易控制的技术难点，提供一种经济、稳定、可靠的含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：
1)电极块制备
根据含Al和Mn的钛合金合金名义成分确定各元素配比值，Al元素配比值高于名义成分值0.2％，Mn元素配比值高于名义成分值0.5％，根据各元素配比值成分计算海绵钛、中间合金质量与铝豆的质量比，将中间合金、海绵钛与铝豆按照质量比混合均匀后压制成电极块；
2)一次熔炼
将步骤1)制得的电极块在等离子冷床炉中进行熔炼，获得一次锭；
3)二次熔炼
将步骤2)制得的一次锭进行二次熔炼，获得含易挥发元素的钛合金铸锭。
本发明进一步的改进在于，中间合金为AlMn二元合金、TiMn2二元合金或AlMnTi三元合金。
本发明进一步的改进在于，等离子冷床炉中的等离子枪气体采用氦气。
本发明进一步的改进在于，熔炼时等离子枪的设定功率为400～1000KW。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中二次熔炼在真空自耗电弧炉中进行。
本发明进一步的改进在于，二次熔炼的熔炼电流为8.0～18.0KA，稳弧电流为AC7.0～15.0A，搅拌周期为15～60s。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明选用二元或三元中间合可以改善合金化条件、提高合金成分均匀性，克服偏析并减少金属烧损率；熔炼时采用等离子束冷床熔炼和真空自耗熔炼相结合，等离子束冷床熔炼对现有的各种钛合金的所有合金成分，炉内压力均不超过其蒸发压力点，能有效减少易挥发元素的烧损，真空自耗熔炼能够有效去除杂质元素，熔炼时通过减少熔炼电流来减小熔池深度，来保证易挥发元素均匀分布及铸锭组织的细小。本发明成本低，可操作性强，采取本发明的方法可获得成分均匀、无偏析的工业规模化钛合金铸锭。
附图说明
图1为取样位置示意图。
图2为铸锭头部、中部、尾部横截面低倍组织。其中，(a)为铸锭头部，(b)为铸锭中部，(c)为铸锭底部。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明选取中间合金形式添加Al、Mn等元素，采用等离子束冷床炉熔炼和真空自耗电弧熔炼相结合的方法制备含易挥发元素铸锭。熔炼时通过减少熔炼电流来减小熔池深度，来保证易挥发元素均匀分布及铸锭组织的细小。通过采取以上几方面的措施以获得成分均匀无偏析的钛合金铸锭。等离子冷炉床熔炼可在低真空到近大气压很广的压力范围来完成熔炼，利用氦气等惰性气体电离产生的等离子弧作为热源。在熔炼过程中，可保持不同蒸气压的合金组分，易挥发元素无明显的烧损。
本发明提出该合金的制备方法，具体包括以下步骤：
1)中间合金选取
对含易挥发组元钛合金的主元素进行分析，Al、Mn元素采用二元或三元中间合金的方式加入。根据合金名义成分确定配比值，配比时，Al元素配比值高于名义成分值0.2％，Mn元素配比值高于名义成分值0.5％。根据各元素配比值和原材料成分计算需加入的海绵钛、铝豆和中间合金质量比，将中间合金、铝豆、海绵钛等按照计算的质量比进行称取，混合均匀后进压制成电极块；其中，中间合金采用AlMn(AlMn10)二元合金、TiMn2二元合金或AlMnTi三元合金；
2)电极块制备
将步骤1)的中间合金、海绵钛等按照质量百分比进行称取，混合均匀后进压制成电极块。
3)一次熔炼
将步骤2)制得的电极块在等离子冷床炉进行熔炼，获得一次锭；
4)二次熔炼
将步骤3)制得的一次锭在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭。
5)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试，并观察铸锭横向低倍组织。
进一步，在上述步骤1)中，中间合金采用AlMn、TiMn二元合金或AlMnTi三元合金。
进一步，在上述步骤3)中，等离子枪气体采用氦气。熔炼时等离子枪的设定功率分别为400～1000KW。
进一步，在上述步骤4)中，真空熔炼电流为8.0～18.0KA，稳弧电流为AC 7.0～15.0A，搅拌周期15～60S。
下面为具体实施例。
实施例1
350kg级TC2钛合金(名义成分Ti-4Al-1.5Mn)铸锭制备：
1)中间合金选取
该合金中含有Al、Mn元素为易偏析元素，根据该合金组元比例选取中间合金，Al元素和Mn元素采用Al豆和AlMn中间合金的方式加入，Al元素配比值为4.2％(质量百分比)，Mn元素配比值为2.0％(质量百分比)。
2)电极块制备
将AlMn中间合金、Al豆、海绵钛按照质量百分比进行称取，混合均匀后进压制成Φ110×400电极块。
3)一次熔炼
将步骤2)制得的电极块在等离子冷床炉进行熔炼，获得Φ280mm一次锭，等离子枪气体采用氦气，熔炼时等离子枪的功率为400KW。
4)二次熔炼
将步骤3)制得的一次锭在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得Φ360mm二次锭。真空熔炼电流为8.0KA，稳弧电流为AC 7.0A，搅拌周期为15S；
5)将铸锭表面氧化层去除、探伤、锯切冒口，同时通过纵向3点(检测所有元素)及横向5点取样(只检测主元素)进行化学成分测试(参见图1)，并观察铸锭头、中、尾横向低倍组织。发现铸锭成分均匀，低倍组织中未见偏析(参见图2)。
表1 TC2合金铸锭纵向化学成分
Figure BDA0002324989230000051
表2 TC2合金铸锭横向五点化学成分
Figure BDA0002324989230000052
实施例2
700kg级TC1钛合金(名义成分Ti-2Al-1.5Mn)铸锭制备：
1)中间合金选取
该合金中含有Al、Mn元素为易偏析元素，根据该合金组元比例选取中间合金，Al元素和Mn元素采用Al豆和AlMn中间合金的方式加入，Al元素配比值为2.2％(质量百分比)，Mn元素配比值为2.0％(质量百分比)。
2)电极块制备
将AlMn中间合金、Al豆、海绵钛等按照质量百分比进行称取，混合均匀后进压制成Φ110×400电极块。
3)一次熔炼
将步骤2)制得的电极块在等离子冷床炉进行熔炼，获得Φ360mm一次锭，等离子枪气体采用氦气，熔炼时等离子枪的功率为600KW。
4)二次熔炼
将步骤3)制得的一次锭在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得Φ450mm二次锭。真空熔炼电流为10KA，稳弧电流为AC10A，搅拌周期为30S；
5)将铸锭表面氧化层去除、探伤、锯切冒口，同时通过纵向3点(检测所有元素)及横向5点取样(只检测主元素)进行化学成分测试(参见图1)，并观察铸锭头、中、尾横向低倍组织。发现铸锭成分均匀，低倍组织中未见偏析。
表3 TC1合金铸锭纵向化学成分
Figure BDA0002324989230000061
表4 TC1合金铸锭横向五点化学成分
Figure BDA0002324989230000062
实施例3
1000kg级TC2钛合金(名义成分Ti-4Al-1.5Mn)铸锭制备：
1)中间合金选取
该合金中含有Al、Mn元素为易偏析元素，根据该合金组元比例选取中间合金，Al元素和Mn元素采用Al豆和AlMn中间合金的方式加入，Al元素配比值为4.2％(质量百分比)，Mn元素配比值为2.0％(质量百分比)。
2)电极块制备
将AlMn中间合金、Al豆、海绵钛等按照质量百分比进行称取，混合均匀后进压制成Φ110×400电极块。
3)一次熔炼
将步骤2)制得的电极块在等离子冷床炉进行熔炼，获得Φ450mm一次圆锭，等离子枪气体采用氦气，熔炼时等离子枪的功率为800KW。
4)二次熔炼
将步骤3)制得的一次锭在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得Φ540mm二次锭。真空熔炼电流为18KA，稳弧电流为AC15A，搅拌周期为60S；
5)将铸锭表面氧化层去除、探伤、锯切冒口，同时通过纵向3点(检测所有元素)及横向5点取样(只检测主元素)进行化学成分测试(参见图1)，并观察铸锭横向低倍组织。发现铸锭成分均匀，低倍组织中未见偏析。
表5 TC2合金铸锭纵向化学成分
Figure BDA0002324989230000071
表6 TC2合金铸锭横向五点化学成分
Figure BDA0002324989230000072
实施例4
与实施例1不同在于，中间合金为TiMn2二元合金，熔炼时等离子枪的功率为1000KW。
实施例5
与实施例不同在于，中间合金为AlMnTi三元合金。
本发明中熔炼时采用等离子束冷床熔炼和真空自耗熔炼相结合，等离子束冷床熔炼能有效减少易挥发元素的烧损，真空自耗熔炼能够有效去除杂质元素，熔炼时通过减少熔炼电流来减小熔池深度，来保证易挥发元素均匀分布及铸锭组织的细小。本发明成本低，可操作性强，采取本发明的方法可获得成分均匀、无偏析的工业规模化钛合金铸锭。

Claims (6)

1.一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)电极块制备
根据含Al和Mn的钛合金合金名义成分确定各元素配比值，Al元素配比值高于名义成分值0.2％，Mn元素配比值高于名义成分值0.5％，根据各元素配比值成分计算海绵钛、中间合金质量与铝豆的质量比，将中间合金、海绵钛与铝豆按照质量比混合均匀后压制成电极块；
2)一次熔炼
将步骤1)制得的电极块在等离子冷床炉中进行熔炼，获得一次锭；
3)二次熔炼
将步骤2)制得的一次锭进行二次熔炼，获得含易挥发元素的钛合金铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，中间合金为AlMn二元合金、TiMn2二元合金或AlMnTi三元合金。
3.根据权利要求1所述的一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，等离子冷床炉中的等离子枪气体采用氦气。
4.根据权利要求3所述的一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，熔炼时等离子枪的设定功率为400～1000KW。
5.根据权利要求1所述的一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤3)中二次熔炼在真空自耗电弧炉中进行。
6.根据权利要求5所述的一种含易挥发元素的钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，二次熔炼的熔炼电流为8.0～18.0KA，稳弧电流为AC 7.0～15.0A，搅拌周期为15～60s。
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