CN111945023A - 一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，包括如下步骤：先根据需熔炼的铸锭选择并称取原料，将称取的原料分别置于真空感应熔炼炉的不同储料仓中；然后将各种原料按照钛及钛合金的配比由不同的储料仓以一定的速度加入混料仓内混料，混合均匀后的物料进入真空感应熔炼炉的熔炼室；抽真空，然后进行铸锭熔炼；其中，当需熔炼的铸锭重量不大于100Kg时，采用连续拉锭成型工艺一次即可完成铸锭的熔炼；当需熔炼的铸锭重量大于100Kg时，以每次混料时混料仓内各原料的总重不超过混料仓的最大承载量为基准，重复加料、抽真空、熔炼步骤直至完成铸锭的熔炼。通过该方法能够获得成分均匀而无坩埚污染的高品质铸锭。

Description

一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法

技术领域

本发明涉及有色金属真空冶金熔炼技术领域，尤其是涉及一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法。

背景技术

钛合金由于密度小、比强度高、耐蚀性好，与碳纤维复合材料相容性较好等优点，在航空锻件领域具有广阔的应用前景。航空级钛合金锻件锻造的铸锭，要求成分均匀、致密度好、晶粒度小、组织均匀。目前，钛合金铸锭一般采用真空自耗电弧炉(VAR)熔炼，需要配合金、压制电极，对海绵钛疏松度、颗粒度要求高，生产周期长，一般要经过3次VAR熔炼，其铸锭组织、成分才能满足锻造使用。且VAR技术还存在着一些不足，如熔炼易偏析合金元素较多的钛合金时，仍然会出现宏观和微观偏析；化学成分均匀性差；容易产生组织缺陷；必须用较大的压力机制备自耗电极、残料利用率低，不能有效去除低、高密度夹杂等。另外，该工艺回收废料困难，生产的铸锭发生夹杂的频率很高，因而限制了它在熔炼高质量合金中的应用。

真空感应熔炼法(VIM)是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法，能够通过感应加热、搅拌使熔池温度均匀，实现合金溶液成分的均匀化控制，目前真空感应熔炼方法多应用于高温合金领域，由于钛化学活性大，无磁，只能采用水冷铜坩埚，加上熔炼电源的功率和电源设计方面的限制，真空感应熔炼方法在钛合金大规格铸锭制备方面尚未得到应用，目前真空感应熔炼方法应用于钛合金领域多为实验室小规格铸锭制备，最大浇注钛铸件重量仅有50kg，而且也未见国内外有真空感应熔炼制备工业化“钛锭”的报道。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，能够获得成分均匀而无坩埚污染的高品质铸锭。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其能通过真空感应熔炼炉熔炼出重量不超过650Kg的钛及钛合金铸锭，所述真空感应熔炼炉包括依次相连的储料仓、混料仓和熔炼室，该真空感应熔炼方法包括如下步骤：

(1)、根据需熔炼的铸锭选择并称取原料，将称取的原料分别置于真空感应熔炼炉的不同储料仓中；

(2)、将各种原料按照钛及钛合金的配比由不同的储料仓以一定的速度加入最大承载量不超过102Kg的混料仓内，边加入边以5kg/min～10kg/min的速度搅拌，混合均匀后的物料进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；

(3)、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度不大于1.0Pa；

(4)、启动真空感应熔炼炉的感应电源，采用大功率水冷铜坩埚熔炼钛合金，熔炼功率逐渐增大到200～1500KW，保持一段时间直至各原料全部熔化完，熔化时间1～15min，同时通过电磁感应搅拌2～5min使液体均匀流动进而使熔体成分和温度保持均匀，采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，拉锭速度为5～25mm/min；

其中，当需熔炼的铸锭重量不大于100Kg时，采用步骤(4)的拉锭工艺一次即可完成铸锭的熔炼；

当需熔炼的铸锭重量大于100Kg时，以每次混料时混料仓内各原料的总重不超过储料仓的最大承载量为基准，重复步骤(2)～步骤(4)直至完成铸锭的熔炼。

作为本发明的一个实施例，熔炼纯钛铸锭时，选用原料为0级或1级海绵钛。

进一步地，步骤(2)中，0级或1级海绵钛的加料速度为5～10kg/min。

作为本发明的一个实施例，，熔炼钛合金铸锭时，所用原料包括0级海绵钛、铝豆和中间合金，其中，中间合金包括AlV合金、AlMo合金或AlNb合金中的至少一种。

进一步地，步骤(2)中，海绵钛的加料速度为5～10kg/min，铝豆和中间合金的加料速度均为0.1～0.5kg/min。

作为本发明的另一个实施例，熔炼钛合金铸锭时，所用原料还包括二氧化钛和铁粉。

进一步地，步骤(2)中，二氧化钛和铁粉的加料速度均为0.001～0.01kg/min。

作为本发明的再一个实施例，熔炼钛合金铸锭时，所用原料还包括海绵锆。

进一步地，步骤(2)中，海绵锆的加料速度为0.1～0.5kg/min。

有益效果：

如上所述，本发明的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用真空感应熔炼方法制备钛及钛合金铸锭，其具有以下优点：(1)各种原料的形状不受限制，可以是块状、颗粒状、粉状、海绵状或屑状；(2)各种原料按照钛及钛合金的配比由不同的储料仓以一定的速度加入混料仓内，保证了制备大规格的铸锭时，每次加入混料仓内的各元素的比例与铸锭中各元素的比例是基本一样的，有利于得到均质的大规格铸锭；且各种原料能够在真空感应熔炼炉里直接进行混料，简单方便，且不会因原料的多次倾倒转移而损失；(3)真空感应熔炼炉的感应搅拌作用会持续将合金料带到熔体和真空界面，能增加钛合金熔化时间、提高液体过热度使合金更均匀；(4)由于熔化温度和时间提高能够化解海绵钛“硬块”，使该熔炼方法降低了对海绵钛的等级要求(现有的真空自耗电弧炉制备航空钛合金锻件时所用的海绵钛大多为0_A级，而本发明中使用的海绵钛为0级或1级)，从而降低了航空用高品质钛合金铸锭的成本。(5)不需要制作电极，避免了压制电极过程引起的铸锭铁离子污染，通过活动坩埚底部下拉连续铸锭方式一次获得成分均匀而无坩埚污染的高质量铸锭；(6)设备成本低、操作简便。

2、本发明的真空感应熔炼方法能够通过连续加料、熔炼、拉锭实现均质、高纯净度的大规格钛及钛合金铸锭(大规格钛及钛合金铸锭指铸锭的质量不小于100Kg，锭型可达Φ350mm)的制备。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的核心是提供一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，该熔炼方法提供了一种不需制作自耗电极，一次熔炼即可获得成分均匀而无坩埚污染的钛及钛合金铸锭熔炼方法，避免了压制电极过程引起的铸锭铁离子污染。

一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其能通过真空感应熔炼炉熔炼出重量不超过650Kg的钛及钛合金铸锭，所述真空感应熔炼炉包括依次相连的储料仓、混料仓和熔炼室，该真空感应熔炼方法包括如下步骤：

(1)、根据需熔炼的铸锭选择并称取原料，将称取的原料分别置于真空感应熔炼炉的不同储料仓中；

(2)、将各种原料按照钛及钛合金的配比由不同的储料仓以一定的速度加入最大承载量不超过102Kg的混料仓内，边加入边以5kg/min～10kg/min的速度搅拌，混合均匀后的物料进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；详细地，该步骤是按照钛及钛合金的配比由不同的储料仓以一定的速度加入混料仓内的，保证了制备大规格的铸锭时，每次加入混料仓内的各元素的比例与铸锭中各元素的比例是基本一样的，有利于得到均质的大规格铸锭。

(3)、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度不大于1.0Pa；

(4)、启动真空感应熔炼炉的感应电源，熔炼功率逐渐增大到200～1500KW，保持一段时间直至各原料全部熔化完，熔化时间1～15min，同时通过电磁感应搅拌2～5min使液体均匀流动进而使熔体成分和温度保持均匀，采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，拉锭速度为5～25mm/min；

其中，当需熔炼的铸锭重量不大于100Kg时，采用步骤(4)的拉锭工艺一次即可完成铸锭的熔炼；

当需熔炼的铸锭重量大于100Kg时，以每次混料时混料仓内各原料的总重不超过储料仓的最大承载量为基准，重复步骤(2)～步骤(4)直至完成铸锭的熔炼。

其中，步骤(1)和步骤(2)中，根据熔炼的铸锭的种类不同，所用原料及原料的加料速度也不同，详细如下：

熔炼纯钛铸锭时，选用原料为0级或1级海绵钛，海绵钛的加料速度为5～10kg/min；

熔炼TC4钛合金铸锭时，所用原料包括0级海绵钛、铝豆和中间合金，海绵钛的加料速度为5～10kg/min，铝豆和中间合金的加料速度均为0.1～0.5kg/min；

熔炼高氧TC4钛合金铸锭时，所用原料包括0级海绵钛、铝豆、中间合金、二氧化钛和铁粉，海绵钛的加料速度为5～10kg/min，铝豆和中间合金的加料速度均为0.1～0.5kg/min，二氧化钛和铁粉的加料速度均为0.001～0.01kg/min；

熔炼Ti80钛合金铸锭时，所用原料包括0级海绵钛、铝豆、中间合金、海绵锆，海绵钛的加料速度为5～10kg/min，铝豆和中间合金的加料速度均为0.1～0.5kg/min，海绵锆的加料速度为0.1～0.5kg/min。

其中，钛合金铸锭中的中间合金包括AlV合金、AlMo合金或AlNb合金中的至少一种。

需要说明的是，各种原料的加料速度是由不同的电机控制的，各种原料的加入量可以通过加料速度和加料时间来确定，合金的加入量应确保与拉锭速度合理匹配。

需要说明的是，本发明中所用的真空感应熔炼炉为贵阳华诺真空技术有限公司生产的650Kg真空感应熔炼炉。

实施例1

一种100kg TA2工业纯钛的真空感应熔炼方法，其真空熔炼方法包括如下步骤：

(1)、准备TA2铸锭熔炼所需的1级海绵钛100.4kg。

(2)、将纯度99.6％的1级海绵钛放入真空感应熔炼炉的储料仓中；

(3)、将100.4Kg的1级海绵钛加入混料仓中，通过双螺杆搅拌器以5kg/min的速度混合均匀后进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；

(4)、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度为0.5Pa。

(5)、启动感应电源，逐渐加功率至400KW，保持一段时间直至加入的海绵钛全部熔化完，搅拌3min，促使钛液均匀流动，采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，控制拉锭速度在5mm/min，即完成100kg TA2铸锭熔炼。

实施例2

一种650kg TA2工业纯钛的真空感应熔炼方法，其真空熔炼方法包括如下步骤：

(1)、准备TA2铸锭熔炼所需的1级海绵钛652.6kg；

(2)、将纯度99.6％的1级海绵钛放入真空感应熔炼炉的储料仓中；

(3)、将储料仓中的100Kg的1级海绵钛(通过电机控制海绵钛的加料速度为10Kg/min，然后加料10min即可)加入混料仓中，通过双螺杆搅拌器以10kg/min的速度混合均匀后进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；

(4)、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度为0.5Pa。

(5)、启动感应电源，逐渐加功率至400KW，保持一段时间直至加入的海绵钛全部熔化完，搅拌3min，促使钛液均匀流动，采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，拉锭速度为25mm/min；

(6)、重复步骤(3)～步骤(5)，直至完成650kg TA2铸锭熔炼即可。

实施例3

一种600kg TC4钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其真空熔炼方法包括如下步骤：

(1)、根据TC4合金的总质量，按照名义化学成分计算0级海绵钛、铝豆和AlV55中间合金的质量，其中0级海绵钛540.42kg、铝豆17.59kg、AlV55中间合金43.64kg；

(2)、将0级海绵钛、铝豆和AlV55中间合金分别放入真空感应熔炼炉的不同储料仓中；

(3)、将0级海绵钛、铝豆、AlV55中间合金按照TC4钛合金的配比分别以6.15kg/min、0.2kg/min、0.5kg/min的加料速度向储料仓内加料9min(储料仓内的原料总重约为62Kg)，然后通过双螺杆搅拌器以10kg/min的速度混合均匀后进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；

(4)、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度为0.3Pa。

(5)、启动感应电源，逐渐加功率至500KW，保持一段时间直至各原料全部熔化完，搅拌3min，促使钛液均匀流动采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，拉锭速度为15mm/min；

(6)、重复步骤(3)～步骤(5)，直至完成600kg TC4合金铸锭熔炼。

实施例4

一种600kg高氧TC4钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其真空熔炼方法包括如下步骤：

(1)根据TC4合金的总质量，按照化学成分配比计算0级海绵钛、铝豆、AlV55中间合金、二氧化钛及铁粉的质量，其中0级海绵钛538.5kg、铝豆19kg、AlV55中间合金41kg、二氧化钛1kg、铁粉0.5kg；

(2)、将0级海绵钛、铝豆、AlV55中间合金、二氧化钛和铁粉分别放入真空感应熔炼炉的不同储料仓中；

(3)、将海绵钛、铝豆、AlV55中间合金、二氧化钛、铁粉按照高氧TC4合金配比分别以5.67kg/min、0.2kg/min、0.43kg/min、0.01kg/min、0.0053kg/min的加料速度向储料仓内加料10min(储料仓内的原料总重约为63Kg)，通过双螺杆搅拌器以10kg/min的速度混合均匀后进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；

(4)、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度为0.4Pa；

(5)、启动感应电源，逐渐加功率至500KW，保持一段时间直至各原料全部熔化完，搅拌3min，促使钛液均匀流动，采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，拉锭速度为15mm/min；

(6)、重复步骤(3)～步骤(5)，直至完成600kg TC4合金铸锭熔炼。

实施例5

一种600kg Ti80钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其真空熔炼方法包括如下步骤：

(1)、根据Ti80钛合金的总质量，按照名义化学成分计算0级海绵钛、海绵锆、铝豆、AlMo50和AlNb50中间合金的质量，其中0级海绵钛528.39kg、海绵锆12.07kg、铝豆13.22kg、AlMo50中间合金12kg、AlNb50中间合金36kg；

(2)、将0级海绵钛、海绵锆、铝豆、AlMo50和AlNb50中间合金分别放入真空感应熔炼炉的不同储料仓中；

(3)、将0级海绵钛、海绵锆、铝豆、AlMo50、AlNb50中间合金按照Ti80合金配比分别以6.6kg/min、0.15kg/min、0.17kg/min、0.15kg/min、0.45kg/min的加料速度向储料仓内加料10min(储料仓内的原料总重约为75Kg)；通过双螺杆搅拌器以10kg/min的速度将原料混合均匀后进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；

(4)、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度为0.3Pa；

(5)、启动感应电源，逐渐加功率至500KW，保持一段时间直至各原料全部熔化完，搅拌4min，促使钛液均匀流动；采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，拉锭速度为17mm/min；

(6)、重复步骤(3)～步骤(5)，直至完成600kg Ti80合金铸锭熔炼。

效果实施例

对实施例1-5制备的铸锭进行不同位置的成分测定，结果如表1所示。

表1 实施例1-5制备的铸锭的不同位置的成分测定

由表1可知，实施例1-5制备的铸锭的不同位置处的化学成分基本一致，表明采用此方法制备的铸锭成分均匀，无坩埚污染，品质高。

综上，本发明提供的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，通过真空感应熔炼方法能够制备出成分均匀、品质高、大规格的钛及钛合金铸锭，且操作简单，无污染。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，其能通过真空感应熔炼炉熔炼出重量不超过650Kg的钛及钛合金铸锭，所述真空感应熔炼炉包括依次相连的储料仓、混料仓和熔炼室，该真空感应熔炼方法包括如下步骤：

（1）、根据需熔炼的铸锭选择并称取原料，将称取的原料分别置于真空感应熔炼炉的不同储料仓中；

（2）、将各种原料按照钛及钛合金的配比由不同的储料仓以一定的速度加入最大承载量不超过102Kg的混料仓内，边加入边以5kg/min～10kg/min的速度搅拌，混合均匀后的物料进入熔炼室中的大功率水冷铜坩埚内；

（3）、关闭储料仓和混料仓，对熔炼室进行抽真空使熔炼室内的真空度不大于1.0Pa；

（4）、启动真空感应熔炼炉的感应电源，熔炼功率逐渐增大到200～1500KW，保持一段时间直至各原料全部熔化完，熔化时间1～15min，同时通过电磁感应搅拌2~5min使液体均匀流动进而使熔体成分和温度保持均匀，采用连续拉锭工艺进行铸锭熔炼，拉锭速度为5～25mm/min；

其中，当需熔炼的铸锭重量不大于100Kg时，采用步骤（4）的拉锭工艺一次即可完成铸锭的熔炼；

当需熔炼的铸锭重量大于100Kg时，以每次混料时混料仓内各原料的总重不超过储料仓的最大承载量为基准，重复步骤（2）~步骤（4）直至完成铸锭的熔炼。

2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，熔炼纯钛铸锭时，选用原料为0级或1级海绵钛。

3.根据权利要求2所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，步骤（2）中，0级或1级海绵钛的加料速度为5～10kg/min。

4.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，熔炼钛合金铸锭时，所用原料包括0级海绵钛、铝豆和中间合金，其中，中间合金包括AlV合金、AlMo合金或AlNb合金中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，步骤（2）中，0级海绵钛的加料速度为5～10kg/min，铝豆和中间合金的加料速度均为0.1～0.5kg/min。

6.根据权利要求5所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，熔炼钛合金铸锭时，所用原料还包括二氧化钛和铁粉。

7.根据权利要求6所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，步骤（2）中，二氧化钛和铁粉的加料速度均为0.001～0.01kg/min。

8.根据权利要求5所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，熔炼钛合金铸锭时，所用原料还包括海绵锆。

9.根据权利要求8所述的一种钛及钛合金铸锭的真空感应熔炼方法，其特征在于，步骤（2）中，海绵锆的加料速度为0.1～0.5kg/min。