CN111575510A

CN111575510A - Tc25钛合金铸锭制备的方法及其铸锭

Info

Publication number: CN111575510A
Application number: CN202010421854.2A
Authority: CN
Inventors: 华正利; 同朴超; 尚金金; 何永胜; 王凯旋; 刘向宏
Original assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Current assignee: Western Superconducting Technologies Co Ltd
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明的TC25钛合金铸锭制备的方法，属于合金复合材料的技术领域，克服现有技术中的方法在制备TC25钛合金铸锭时易出现的W、Mo元素分布均匀性差，致使成品率较低等技术问题。该方法包括:S1:制作电极块，所述电极块根据钛合金铸锭的原料采用电极压制的方式制成；S2:多个所述电极块组拼后，经真空等离子焊接形成自耗电极；S3:多次熔炼所述自耗电极制备钛合金铸锭；S4:加工处理所述钛合金铸锭形成TC25钛合金铸锭的成品及其产品。本发明用以完善铝TC25钛合金铸锭的工艺流程，满足人们对TC25钛合金铸锭各个元素分布均匀的要求。

Description

TC25钛合金铸锭制备的方法及其铸锭

技术领域

本发明属于有色金属加工的技术领域，尤其涉及一种TC25钛合金铸锭制备的方法及其铸锭。

背景技术

TC25钛合金由俄罗斯的BT25钛合金演变而成，名义成分为 Ti-6.5Al-2Zr-2Sn-2Mo-1W-0.2Si。因合金中添加高熔点的W元素及高熔点Mo元素，使得TC25的热强性和耐热性得到极大提高，适合在500℃～550℃下长期服役。由于其室温性能、高温强度、断裂韧性、疲劳性能等匹配良好，综合性能优异，已作为航空发动机的首选的材料之一，国内主要用于涡扇13发动机高压压气机盘和机匣。为满足航空发动机的使用需求，需要对TC25钛合金的生产过程进行严格控制，其中熔炼过程尤为重要。由于TC25钛合金中W元素的含量达 1％，Mo元素含量为2％，如果熔炼工艺不合理，极易导致出现高熔点W夹杂或 Mo元素偏析导致的铸锭报废或铸锭化学元素偏析等情况，难以满足实际应用要求。如何通过选择合理的原材料类型及制定合理的熔炼工艺参数，实现大锭型 TC25铸锭无HDI缺陷、元素分布均匀，一致性良好，成品率高，是该合金熔炼控制的一大难点。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TC25钛合金铸锭的制备方法，克服现有技术中的方法在制备TC25钛合金铸锭时易出现的W、Mo元素分布均匀性差，致使成品率较低等技术问题。本发明创造有诸多有益效果，详见下文叙述。

为实现上述目的，一方面本发明提供了如下技术方案：一种TC25钛合金铸锭制备的方法，所述方法包括以下步骤：

S1:制作电极块，所述电极块根据钛合金铸锭的原料采用电极压制的方式制成；

S2:多个所述电极块组拼后，经真空等离子焊接形成自耗电极；

S3:多次熔炼所述自耗电极制备钛合金铸锭；

S4:加工处理所述钛合金铸锭形成TC25钛合金铸锭的成品；

在一个优选或可选的实施方式中，S4中所述成品的直径为Φ500mm～Φ920mm。

在一个优选或可选的实施方式中，S1中所述原料包括：HTi、AlMoWTi 合金、AlMo65合金、HZr、TiSn80、TiSi50、Al豆和TiO₂，其中AlMoWTi合金中W的含量为7％～16％，Mo的含量为20％～40％；AlMo65合金中Mo的含量为60％～70％。

在一个优选或可选的实施方式中，S1中所述原料混合均匀后，经油压机压制成所述电极块，所述油压机的压制压强为26～38Mpa；多个所述电极块组拼后经真空等离子焊接，制备所述自耗电极。

在一个优选或可选的实施方式中，S3中多次熔炼所述自耗电极制备钛合金铸锭的方法包括：末次熔炼的所述自耗电极进入补缩阶段及补缩小电流保温阶段均留有预留量，在所述预留量进入补缩阶段且熔速为0kg/min时或接近 0kg/min时，保持2kA～4kA的电流30min～60min后跳闸，停止所述自耗电极的熔炼。

在一个优选或可选的实施方式中，所述自耗电极进入补缩阶段的起始预留重量为所述自耗电极总重量的3％-10％，补缩低电流保温阶段的自耗电极预留量为0.3％-0.9％。

在一个优选或可选的实施方式中，首次熔炼所述自耗电极第的电弧熔炼控制漏率在1.0Pa/min以下，真空度在2.0Pa以下，熔炼电流20kA～30kA，熔炼电压30V～38V；稳弧电流为5A～15A直流。

在一个优选或可选的实施方式中，所述自耗电极经三次熔炼，其中：第二次和第三次熔炼控制漏率在0.8Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度 13kg/min～16kg/min，熔炼电压30～38V，稳弧电流为10A～20A交流。

另一方面提供一种TC25钛合金的铸锭，所述铸锭使用以上部分或全部所述的方法制备。

在一个优选或可选的实施方式中，所述铸锭的成品直径为Φ500mm～Φ920mm。

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：

TC25钛合金中W元素的含量达1％，Mo元素含量达2％，其中纯W的熔点为3410℃，纯Mo的熔点为2620℃，如元素加入方式及熔炼工艺不合理，极易出现W、Mo元素熔解不充分，进而导致出现高熔点W、Mo夹杂的情况出现，致使成品无法使用，通过原材料类型及成分含量的精确选择及控制，并结合原材料成分含量，制定合理的自耗电极的多次熔炼工艺参数，使TC25成品铸锭中无 HDI缺陷，W、Mo元素充分熔解并分布均匀，成品率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的TC25钛合金铸锭制备的方法的工艺框架图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全面的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图对本发明的TC25钛合金铸锭制备的方法做进一步详细描述：其方法包括以下步骤，如图1所示：

S1:制作电极块，电极块根据钛合金铸锭的原料采用电极压制的方式制成。例如，混料完成后，使用8000吨油压机将其压制成电极块，压制压强为 26～38Mpa，电极压制的方式为二次压制，26～38Mpa可提高电极中原材料的结合强度，提高后续熔炼过程的稳定性；

S2:多个电极块组拼后，经真空等离子焊接形成自耗电极；

S3:三次熔炼自耗电极制备钛合金铸锭；三次熔炼自耗电极，使原料中的 W、Mo元素在铸锭中充分合金化及分布均匀化，并在补缩环节提高成品的成品率。经过真空自耗电弧熔炼后的铸锭进行表面扒皮、探伤、锯切冒口后得到 TC25钛合金成品铸锭。

S4:加工处理钛合金铸锭形成TC25钛合金铸锭的成品。

作为可选的实施方式，S1中原料包括：HTi、AlMoWTi合金、AlMo65 合金、HZr、TiSn80、TiSi50、Al豆和TiO₂，其中AlMoWTi合金中W的含量为7％～16％，Mo的含量为20％～40％；AlMo65合金中Mo的含量为60％～70％，其中，W元素的加入方式为AlMoWTi，采用四元合金的方式加入W，并严格控制难熔金属W、Mo在四元合金中的比例，可显著降低四元合金AlMoWTi 的熔点，进而确保其在铸锭生产过程中的合金化程度。Mo元素除来源于 AlMoWTi四元合金外，还以AlMo合金的形式加入，Mo元素含量为60-70％，同样是为了降低难熔金属Mo的熔点，确保后续熔炼过程中的合金化程度。

S3中多级熔炼自耗电极制备钛合金铸锭的方法包括：多次，优选为三次熔炼，末次熔炼的自耗电极在补缩的低电流保温阶段留有预留重量，在补缩阶段剩余重量达到该预留重量范围且熔速为0kg/min时或接近0kg/min时，保持 2kA～4kA的电流30min～60min后跳闸，完成自耗电极的熔炼。相对于传统工艺，在补缩的低电流保温阶段设定剩余重量范围要求，有利于对熔池进行保温，并促进铸锭凝固过程中缩孔位置的稳定抬升，有利于提高成品铸锭的成品率。例如，自耗电极剩余重量为150kg～300kg进入补缩阶段，补缩电流逐级减小，当自耗电极预留重量为20kg～50kg，熔速为0kg/min时，保持2kA～4kA的电流30min～60min后跳闸，逐步减小熔池深度。对于传统工艺，未留有剩余重量的要求及保持时间，一方面可能会导致成品率低下，存在预留盘被完全熔化从而产生质量隐患，另一方面方面会导致保温时间不足或者过长，对铸锭的成分均匀性及缩孔的深度存在不利影响。而通过该方法，通过在低电流保温阶段预留一定剩余重量，并限制了对应电流及保温时间，有利于逐步、稳定减小熔池深度，解决了TC25钛合金铸锭W、Mo元素偏析，成分均匀性差、成品率低的问题。

作为可选的实施方式，自耗电极进入补缩阶段的起始预留重量为所述自耗电极总重量的3％至10％，低电流保温阶段的自耗电极预留量为0.3％-0.9％。

作为可选的实施方式，首次熔炼自耗电极第的电弧熔炼控制漏率在 1.0Pa/min以下，真空度在2.0Pa以下，熔炼电流20kA～30kA，熔炼电压30V～ 38V；补偿稳弧电流为5A～15A直流。

作为可选的实施方式，自耗电极经三次熔炼，其中：第三次和第二次熔炼控制漏率在0.8Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度13kg/min～16kg/min，熔炼电压30～38V，稳弧电流为10A～20A交流。由于TC25钛合金中W元素的含量达1％，Mo元素含量为2％，如果熔炼工艺不合理，极易导致出现高熔点W夹杂或Mo元素偏析导致的铸锭报废或铸锭化学元素偏析等情况，难以满足实际应用要求，通过本案的方法可有效避降低该种情况的出现。

作为可选的实施方式，铸锭的成品直径为Φ500mm～Φ920mm。

通过以下几组实施数据的工艺实施，阐述本案的方法，具体制造工艺如下：

实施例1，剩余重量200kg时开始进入补缩；

步骤1：将HTi、AlMoWTi合金、AlMo65合金、HZr、TiSn80、TiSi50、Al 豆和TiO₂按照GB/T3620.1要求的配比进行配料，其中AlMoWTi合金中W的含量为7％，Mo的含量为20％，粒度为0mm～3.0mm；AlMo65合金中Mo的含量为60％，粒度为0mm～1.0mm；

步骤2：将原料经步骤1配比混合均匀，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26MPa～30Mpa，电极压制的方式为二次压制；

步骤3：将步骤2得到的电极块组拼后使用真空等离子焊箱进行焊接，得到自耗电极；

步骤4：将步骤3得到的自耗电极进行三次真空自耗电弧熔炼，具体为：

第一次真空自耗电弧熔炼采用直径为Φ440mm的坩埚，在熔炼过程中控制漏率在1.0Pa/min以下，真空度在2.0Pa以下，熔炼电流20kA～23kA，熔炼电压30V～ 36V，稳弧电流采用5A～15A直流，熔炼后冷却时间不小于3小时；

第二次真空自耗电弧熔炼采用直径Φ560mm的坩埚，在熔炼过程中控制预真空在0.8Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度13～15kg/min，熔炼电压 32～38V，熔炼后冷却时间不小于4小时；

第三次真空自耗电弧熔炼采用Φ640mm的坩埚，在熔炼过程中控制漏率在 0.7Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度14～16kg/min，熔炼电压34～38V，稳弧电流为12A～16A交流，在自耗电极熔炼剩余重量200kg时开始进入补缩，补缩电流逐级减小，当自耗电极预留重量达到20kg，熔速为0kg/min后，在3kA 电流下，保持50min后跳闸，利用该保温时间逐步抬升熔池，熔炼后冷却时间不小于5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TC25钛合金成品铸锭。

将本实施例熔炼的Φ640mm铸锭，在铸锭头、中、尾部分别取九点样进行横向成分检测，结果见表1：

表1铸锭头、中部横向截面九点取样结果

1可以看出：所得的TC25铸锭头、中、尾部横向九点成分均匀性良好，Al、 Mo、Zr、Sn元素偏差在1500ppm以内，W元素偏差为300ppm，Si元素偏差为 400ppm。将铸锭制备棒材进行低倍检查，无偏析及不熔块等目视可见的冶金缺陷，超声波检验结果正常，无缺陷信号。

通过表1可以得出，本案的方法各个元素的极差，均远小于现有技术的极差，产品的整体质量得到提高显著的提升，各个元素相对分布更均匀。

实施例2，剩余重量250kg时开始进入补缩

步骤1：将HTi、AlMoWTi合金、AlMo65合金、HZr、TiSn80、TiSi50、Al 豆和TiO₂按照GB/T3620.1要求的配比进行配料，其中AlMoWTi合金中W的含量为16％，Mo的含量为40％，粒度为0mm～3.0mm；AlMo65合金中Mo的含量为70％，粒度为0mm～1.0mm；

步骤2：将原料经步骤1配比混合均匀，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26MPa～28Mpa，电极压制的方式为二次压制；

第一次真空自耗电弧熔炼采用直径为Φ440mm的坩埚，在熔炼过程中控制漏率在1.0Pa/min以下，真空度在2.0Pa以下，熔炼电流22kA～26kA，熔炼电压31V～ 34V，稳弧电流采用5A～15A直流，熔炼后冷却时间不小于3小时；

第二次真空自耗电弧熔炼采用直径Φ560mm的坩埚，在熔炼过程中控制预真空在0.8Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度14kg/min～15kg/min，熔炼电压32～38V，熔炼后冷却时间不小于4小时；

第三次真空自耗电弧熔炼采用Φ640mm的坩埚，在熔炼过程中控制漏率在 0.7Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度14～16kg/min，熔炼电压34V～ 38V，稳弧电流为14A～20A交流，在自耗电极熔炼剩余重量250kg时开始进入补缩，补缩电流逐级减小，当自耗电极预留重量达到20kg，熔速为0kg/min后，在 2.5kA电流下，保持40min后跳闸，利用该保温时间逐步抬升熔池，熔炼后冷却时间不小于5小时。

将本实施例熔炼的Φ640mm铸锭，在铸锭头、中、尾部分别取九点样进行横向成分检测，结果见表2：

表2铸锭头、中、尾部横向截面各九点取样极差结果

/	Al	Mo	Zr	Sn	W	Si
							铸锭头部9点极差ppm	600	900	1000	800	300	300
铸锭中部9点极差ppm	600	900	800	1100	400	400
							铸锭尾部9点极差ppm	1000	600	700	900	300	400
27点极差ppm	1000	1000	1100	1200	400	500
							现有技术的极差：ppm	6000	5700	3400	3200	1700	900

表2可以看出：所得的TC25铸锭头、中、尾部横向九点成分均匀性良好， Al、Mo、Zr、Sn元素偏差在1500ppm以内，W元素偏差为400ppm，Si元素偏差为500ppm。将铸锭制备棒材进行低倍检查，无偏析及不熔块等目视可见的冶金缺陷，超声波检验结果正常，无缺陷信号。

通过表2可以看出，本案的方法得出产品各个元素的极差，均远小于现有技术的极差，产品的整体质量得到提高显著的提升，各个元素相对分布更均匀。

实施例3，自耗电极熔炼剩余重量300kg时开始进入补缩；

步骤1：将HTi、AlMoWTi合金、AlMo65合金、HZr、TiSn80、TiSi50、Al 豆和TiO₂按照GB/T3620.1要求的配比进行配料，其中AlMoWTi合金中W的含量为13-16％，Mo的含量为30-35％，粒度为0mm～3.0mm；AlMo65合金中Mo 的含量为63％～67％，粒度为0mm～1.0mm；

步骤2：将原料经步骤1配比混合均匀，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28MPa～32Mpa，电极压制的方式为二次压制；

第一次真空自耗电弧熔炼采用直径为Φ560mm的坩埚，在熔炼过程中控制漏率在1.0Pa/min以下，真空度在2.0Pa以下，熔炼电流26kA～28kA，熔炼电压30V～ 36V，稳弧电流采用8A～15A直流，熔炼后冷却时间不小于4小时；

第二次真空自耗电弧熔炼采用直径Φ640mm的坩埚，在熔炼过程中控制预真空在0.7Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度14～18kg/min，熔炼电压 34V～37V，熔炼后冷却时间不小于5小时；

第三次真空自耗电弧熔炼采用Φ720mm的坩埚，在熔炼过程中控制漏率在 0.7Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度15kg/min～16kg/min，熔炼电压 33V～37V，在自耗电极熔炼剩余重量300kg时开始进入补缩，补缩电流逐级减小，当自耗电极预留重量达到40kg，熔速为0kg/min后，在4kA电流下，保持 50min后跳闸，利用该保温时间逐步抬升熔池，熔炼后冷却时间不小于6小时。

将本实施例熔炼的Φ720mm铸锭，在铸锭头、中、尾部分别取九点样进行横向成分检测，结果见表3：

表3铸锭头、中部横向截面九点取样结果

/	Al	Mo	Zr	Sn	W	Si
							铸锭头部9点极差ppm	500	600	700	1100	300	200
铸锭中部9点极差ppm	900	1000	900	700	400	400
							铸锭尾部9点极差ppm	700	700	900	1200	200	200
27点极差ppm	900	1000	1100	1200	400	400
							现有技术的极差：ppm	6000	5700	3400	3200	1700	900

3可以看出：所得的TC25铸锭头、中、尾部横向九点成分均匀性良好，Al、 Mo、Zr、Sn元素偏差在1500ppm以内，W元素偏差为400ppm，Si元素偏差为 400ppm。将铸锭制备棒材进行低倍检查，无偏析及不熔块等目视可见的冶金缺陷，超声波检验结果正常，无缺陷信号。

通过表3可以看出，本案的方法得出产品各个元素的极差，均远小于现有技术的极差，产品的整体质量得到提高显著的提升，各个元素相对分布更均匀。

以上对本发明所提供的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种TC25钛合金铸锭制备的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S3:多次熔炼所述自耗电极制备钛合金铸锭；

S4:加工处理所述钛合金铸锭形成TC25钛合金铸锭的成品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S4中所述成品的直径为Φ500mm～Φ920mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中所述原料包括：HTi、AlMoWTi合金、AlMo65合金、HZr、TiSn80、TiSi50、Al豆和TiO2，其中AlMoWTi合金中W的含量为7～16％，Mo的含量为20％～40％；AlMo65合金中Mo的含量为60％～70％。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，S1中所述原料混合均匀后，经油压机压制成所述电极块，所述油压机的压制压强为26～38Mpa；多个所述电极块组拼后在真空环境下进行焊接，制备所述自耗电极。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，S3中多次熔炼所述自耗电极制备钛合金铸锭的方法包括：末次熔炼进入补缩阶段及补缩的低电流保温阶段均有自耗电极预留重量，在所述预留量进入补缩阶段且熔速为0kg/min或接近0kg/min时，保持2kA～4kA的电流30min～60min后跳闸，停止所述自耗电极的熔炼。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述自耗电极进入补缩阶段的起始预留重量为所述自耗电极总重量的3％-10％，补缩低电流保温阶段的自耗电极预留量为0.3％-0.9％。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，首次熔炼所述自耗电极第的电弧熔炼控制漏率在1.0Pa/min以下，真空度在2.0Pa以下，熔炼电流20kA～30kA，熔炼电压30V～38V；稳弧电流为5A～15A直流。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述自耗电极经三次熔炼，其中：第二次和第三次熔炼控制漏率在0.8Pa/min以下，真空度在1.0Pa以下，熔炼速度13kg/min～16kg/min，熔炼电压30～38V，稳弧电流为10A～20A交流。

9.一种TC25钛合金的铸锭，其特征在于，所述铸锭使用权利要求1至8任意一项所述的方法制备。

10.根据权利要求9所述的铸锭，其特征在于，所述铸锭的成品直径为Φ500mm～Φ920mm。