CN112501449A

CN112501449A - 一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法

Info

Publication number: CN112501449A
Application number: CN202110132733.0A
Authority: CN
Inventors: 杨胜; 周慧; 周科朝; 张晓泳; 张慧杰; 张宏岭; 向午渊; 欧阳涛; 肖芬
Original assignee: Hunan Jintian Investment Hunan Science And Technology Refco Group Ltd; Central South University
Current assignee: Hunan Xiangtou Jintian Titanium Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2041-02-01
Also published as: CN112501449B

Abstract

本发明公开一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法，包括制作扇形电极块、制作自耗电极、第一次真空自耗熔炼、第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼等，本发明在真空自耗电弧熔炼炉内进行，通过匹配熔炼过程的熔炼速度和熔池深度来实现控制熔池的过冷度方向，从而改变柱状晶的生长方向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，结合相邻两次真空自耗熔炼中调换铸锭头部和底部的熔炼方式，能有效抑制钛金属中偏析元素Fe、Cr等扩散导致的成分偏析，同时可消除铸锭中柱状晶区与等轴晶区的组织差异，利于提高锻造组织均匀性。

Description

一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法

技术领域

本发明涉及金属熔炼技术领域，特别是涉及一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法。

背景技术

目前，钛金属铸锭的熔炼一般采用真空自耗熔炼技术，尽管熔炼技术已经成熟，但是常规真空自耗熔炼存在铸锭成分不均匀、不同部位相变点差异大，导致后续锻造组织均匀性控制难度大等问题。

针对Ti-1023、TC17等富Fe、Cr钛金属铸锭，该方法无法抑制Fe、Cr、Cu等正偏析元素的扩散偏析。一般真空自耗熔炼获得的柱状晶组织表现为尾部柱状晶沿纵向向上而边部柱状晶沿横向向内生长，柱状晶方向不一，导致Fe、Cr、Cu等元素扩散方向紊乱，成分均匀性难以控制。且铸锭中由表面到芯部分布有外部等轴晶层、柱状晶层、内部等轴晶层三层组织状态，不同的组织在锻造过程中的变形情况不一，会对后续锻造组织的均匀性造成不利影响。

因此，开发一种成分与组织形貌均具有高均匀特性的钛金属铸锭熔炼方法具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法，该方法依据的原理为：钛合金的结晶温度范围较窄，在熔池中的凝固区的宽度便窄，在凝固过程中，晶粒一旦在固-液界面前沿形核，即以“顺序凝固”的方式凝固，固、液界面逐步向着过冷方向的反方向推进，此过程中生长方向（β钛合金为<100>）与热流方向平行的晶粒优先长大，而与散热方向不平行的晶粒则被抑制。这种竞争生长的结果使铸锭内部晶粒的数目减少，并且生长方向总是倾向平行于热流方向，且与热流方向相反，最终形成柱状晶区。根据元素扩散规律，Fe、Cr、Cu等正偏析元素总是在固/液界面的凝固前沿富集，随着柱状晶的逐渐生长，越到末端，正偏析元素富集程度越高。而在真空自耗电弧熔炼炉过程中，热流方向总是垂直于熔池的固液界面由液相传导至固相。一般方法中，因熔池呈V型且深度较大，柱状晶的生长方向为由铸锭圆周面指向轴心，并向铸锭头部倾斜，从而导致正偏析元素富集于铸锭的轴心和头部，产生径向和轴向的偏析，采用多次调头的方法只能缓解铸锭的纵向偏析问题，轴向偏析反而会因为多次熔炼而逐渐加剧。本发明通过匹配熔炼过程中的熔炼速度和熔池深度来控制熔池的过冷方向，从而改变柱状晶的生长方向由径向转变为轴向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，使Fe、Cr、Cu等正偏析元素整体定向扩散，并结合相邻两次真空自耗熔炼中调换铸锭头部和底部的熔炼方式，使已发生定向扩散的偏析元素发生反向扩散，能有效抑制钛金属中偏析元素Fe、Cr、Cu等扩散导致的成分偏析，同时，也能有效抑制铸锭心部等轴晶的出现，利于提高锻造组织均匀性。具体技术方案如下：

一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法，实现铸锭高成分均匀性的方法为：通过调节熔炼工艺参数，使熔池过冷度方向发生转变，径向生长的柱状晶变为沿轴向定向生长，具体包括以下步骤：

提供钛金属铸锭，钛金属铸锭中含有正偏析元素（Fe、Cr、Cu等）；

步骤一：按照所制备钛金属铸锭所需的成分选择海绵钛、金属单质和中间合金制成扇形电极块；

步骤二：将步骤一中得到的扇形电极块制成自耗电极；

步骤三：将步骤二所得自耗电极进行第一次真空自耗熔炼，得到一次铸锭，其中：一次铸锭的冒口端为头部，其另一端为底部；第一次真空自耗熔炼参数为：真空度≤5.0Pa；熔炼电流为12-18kA；熔炼电压为20-30V；稳弧电流采用直流3-8A；冷却水流速为400-600L/min；熔炼后冷却时间≥5h；

步骤四：将步骤三所得一次铸锭进行第二次真空自耗熔炼，得到二次铸锭，其中：头部向下，底部向上；第二次真空自耗熔炼参数为：真空度≤3.0Pa；稳弧电流采用直流3-8A；冷却水流速为800-1000L/min；控制熔炼速度3-7kg/min，熔池深度为40-150mm，确保过冷度方向沿铸锭轴向由下向上；熔炼后冷却时间≥7h；

步骤五：将步骤四所得的二次铸锭进行第三次真空自耗熔炼，获得轴向定向生长的柱状晶组织的高成分均匀性的钛金属铸锭，其中：头部向上，底部向下；第三次真空自耗熔炼参数为：真空度≤1.0Pa；稳弧电流采用直流5-10A；冷却水流速为800-1000L/min；控制熔炼速度2-5kg/min，熔池深度为40-150mm，确保过冷度方向沿铸锭轴向由下向上；熔炼后冷却时间≥9h。

以上技术方案中优选的，所述步骤五中进行第三次真空自耗熔炼和获得钛金属铸锭之间还包括N次真空自耗熔炼，N为大于等于1的整数，熔炼工艺参数与步骤五相同；相邻两次真空自耗熔炼中调换头部和底部的上下位置。

以上技术方案中优选的，钛金属铸锭中含有的正偏析元素为Fe、Cr及Cu中至少一种。

以上技术方案中优选的，所述步骤一中扇形电极块采用铝豆、中间合金和海绵钛制成。

以上技术方案中优选的，步骤三中一次铸锭为柱状晶定向沿径向或轴向生长组织。

以上技术方案中优选的，步骤四中二次铸锭为柱状晶定向沿轴向生长组织。

以上技术方案中优选的，步骤五中钛金属铸锭为柱状晶定向沿轴向生长组织。

附图说明

图1为对比例1（传统熔炼）柱状晶生长示意图；

图2为实施例1中柱状晶定向凝固熔炼示意图；

图3为实施例1制备的柱状晶定向生长的TB6铸锭纵剖面组织；

图4为对比例1采用传统真空自耗熔炼工艺得到的TB6铸锭纵剖面组织；

图5为实施例1中钛金属铸锭九点取样示意图；

图6为实施例1制备的钛金属铸锭的Fe元素成分分布图；

图7为对比例1制备的钛金属铸锭的Fe元素成分分布图；

图8为实施例6制备的钛金属铸锭的Cr元素成分分布图；

图9为对比例6制备的钛金属铸锭的Cr元素成分分布图；

其中：1、自耗电极，2、熔池，3、径向生长的柱状晶，4、等轴晶，5、轴向生长的柱状晶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

对比例1：

制作TB6钛金属铸锭，其制备工艺如下：

1、在本对比例中，首先将TB6钛金属所需合金经电极压制、焊接制备成Ф480mm自耗电极；

2、将自耗电极进行一次熔炼，制备得到TB6钛金属Ф580mm规格一次铸锭；所述对比例的一次熔炼工艺参数：真空度≤5.0Pa，熔炼电流为12-15kA，熔炼电压为20-30V，稳弧电流采用直流3-8A，冷却水流速400-600L/min，熔炼后冷却时间≥5h，所得铸锭定义为一次铸锭；

3、将一次铸锭头部向下，底部向上，置于Ф680mm坩埚中，进行二次熔炼；所述二次熔炼工艺参数：真空度≤3.0Pa，熔炼速率16-18kg/min，熔池深度600-800mm，稳弧电流采用直流3-8A，冷却水流速800-1000L/min，熔炼后冷却时间≥7h，所得铸锭为二次铸锭；

4、再一次将铸锭调头，头部向上，底部向下，置于Ф780mm坩埚中，进行三次熔炼，所述对比例的三次熔炼工艺参数为：真空度≤1.0Pa，熔炼速率12-14kg/min，熔池深度300-500mm，稳弧电流采用直流5-10A，冷却水流速为800-1000L/min，熔炼后冷却时间≥9h，最终完成TB6钛金属Ф780mm规格铸锭的制备。

对比例1中柱状晶生长示意图如图1所示。

实施例1：

一种获得高均匀TB6钛金属铸锭的熔炼方法，具体是规格为Ф780mm的TB6钛金属铸锭，具体包括以下步骤：

步骤一：根据GB/T 3620.1-2016中对TB6钛金属成分要求，称量粒度接近的铝豆、Al-V中间合金、Fe块和海绵钛（含正偏析元素Fe），经混配料系统称重、下料机混料后经8000吨油压机压制成Φ480mm的扇形电极块，并在真空等离子焊箱中焊接成Φ480mm圆柱自耗电极；

步骤二：将步骤一所得自耗电极采用Ф580mm坩埚在真空自耗熔炼中进行第一次真空自耗熔炼，得到一次铸锭，其中：一次铸锭的冒口端为头部，其另一端为底部；第一次真空自耗熔炼参数为：真空度≤5.0Pa；熔炼电流为12-15kA；熔炼电压为20-30V；稳弧电流采用直流3-8A；熔炼后冷却时间≥5h，冷却水流速为400-600L/min；

步骤三：将步骤二所得一次铸锭去除表面污染物，头部向下，底部向上，采用Ф680mm坩埚进行第二次真空自耗熔炼，得到二次铸锭，第二次真空自耗熔炼参数为：真空度≤3.0Pa；稳弧电流采用直流3-8A；冷却水流速为800-1000L/min；熔炼速度控制在4-5Kg/min；熔池深度80-120mm；熔炼后冷却时间≥7h；

步骤四：将步骤三所得二次铸锭去除表面氧化物，头部向上，底部向下，采用Ф780mm坩埚进行第三次真空自耗熔炼得到轴向定向生长的柱状晶组织的TB6钛金属铸锭，所述第三次真空自耗熔炼的工艺参数为：真空度≤1.0Pa；稳弧电流采用直流5-10A；冷却水流速为800-1000L/min；熔炼速度控制在4-5Kg/min；熔池深度80-120mm；熔炼后冷却时间≥9h。

本实施例所得钛金属铸锭的原理为图2，本实施例所得钛金属铸锭和传统熔炼方法所得钛金属铸锭的纵剖面组织如图3和图4，结合图3和图4可知，传统熔炼方案的柱状晶组织沿径向生长，而本实施例的柱状晶组织沿轴向生长（即为以轴向柱状晶凝固组织为主）。

将本实施例所得钛金属铸锭以及传统熔炼方案所得钛金属铸锭进行扒皮，在铸锭侧表面纵向的头、中、底部进行九点取样，取样方法为：分别在铸锭的距离头部30mm的位置、距离头部80mm的位置、中部（头部和底部之间的中间位置）及距离底部20mm的位置沿外径向剖开得头部端面30mm、头部端面80mm、中部和底部端面20mm，并在各截面采用如图5所示的9点取样法进行9点取样（其中，第e取样点为心部，第a、b、h、i取样点为边部，第c、d、f、g取样点为中部，中部取样点到心部取样点的距离为截面半径的一半，即R/2），得到a至i共九点的Fe元素的含量分布图及含量数据，成分检测结果如图6和图7所示，结合图6和图7可知，采用本实施例的方案，最终所得钛金属铸锭的成分均匀性明显优于现有技术。

实施例2-5：

实施例2-5与实施例1不同之处在于表1。

根据实施例2-5的方案获得高均匀钛铸锭的性能详见表1。

对比例2-5：

对比例2-5与实施例1不同之处在于表1。

根据对比例1-5的方案获得高均匀钛铸锭的性能详见表1。

表1 实施例1-5和对比例1-5的参数的参数及钛金属铸锭的性能统计表

从表1中结合实施例1-5和对比例1-5可知：

在第一次真空自耗熔炼参数相同的情况下，第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的参数取本发明的参数范围内，所获得的钛金属铸锭均匀性好，原理是：第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的参数选择，能控制熔池的过冷度方向，从而改变柱状晶的生长方向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，结合相邻两次真空自耗熔炼中调换铸锭头部和底部的熔炼方式，能有效抑制钛金属中偏析元素Fe扩散导致的成分偏析，同时可消除铸锭中柱状晶区与等轴晶区的组织差异，利于提高锻造组织均匀性。

第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的熔炼速度和熔池深度控制范围选择非常重要，熔炼速度和熔池深度控制不合理，会对钛金属铸锭的均匀性和表面质量存在影响：如熔池深度过大（对比例1-3）会影响钛金属铸锭的均匀性；熔池深度过小（对比例4-5），会影响铸锭的表面质量。

根据实施例1以及实施例4-5可知，在第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的参数不变的情况下，改变第一次真空自耗熔炼的参数，还是能获得高均匀钛金属铸锭，因此，针对铸锭成分和组织均匀性起决定性作用的是第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的参数匹配控制。

对比例6：

制作TC17钛金属铸锭，其制备工艺如下：

1、在本对比例中，首先将TC17钛金属所需合金经电极压制、焊接制备成Ф480mm自耗电极；

2、将自耗电极进行一次熔炼，制备得到TC17钛金属Ф580mm规格一次铸锭；所述对比例的一次熔炼工艺参数：真空度≤5.0Pa，熔炼电流为12-18kA，熔炼电压为20-30V；稳弧电流采用直流3-8A，冷却水流速为400-600L/min，熔炼后冷却时间≥5h，所得铸锭定义为一次铸锭；

3、将一次铸锭头部向下，底部向上，置于Ф680mm坩埚中，进行二次熔炼；所述二次熔炼工艺参数：真空度≤3.0Pa；稳弧电流采用直流3-8A；冷却水流速为800-1000L/min；熔炼速度控制在16-18Kg/min；熔池深度600-800mm；熔炼后冷却时间≥7h，所得铸锭为二次铸锭；

4、再一次将铸锭调头，头部向上，底部向下，置于Ф780mm坩埚中，进行三次熔炼，所述对比例的三次熔炼工艺参数为真空度≤1.0Pa；稳弧电流采用直流5-10A；冷却水流速为800-1000L/min；熔炼速度控制在12-14Kg/min；熔池深度300-500mm；熔炼后冷却时间≥9h，最终完成TC17钛金属Ф780mm规格铸锭的制备。

实施例6：

一种获得高均匀TC17钛金属铸锭的熔炼方法，具体是规格为Ф780mm的TC17钛金属铸锭，具体包括以下步骤：

步骤一：按照TC17钛金属成分配比，选用0级海绵钛、Al豆、AlMo合金、海绵锆、AlCr中间合金、TiSn中间合金和TiO₂进行电极块压制，并焊接成Φ480mm的圆形自耗电极；

步骤二：将步骤一所得自耗电极采用Ф580mm坩埚在真空自耗熔炼中进行第一次真空自耗熔炼，得到一次铸锭，其中：一次铸锭的冒口端为头部，其另一端为底部；第一次真空自耗熔炼参数为：真空度≤5.0Pa；，熔炼电流为12-18kA，熔炼电压为20-30V；稳弧电流采用直流3-8A；冷却水流速为400-600L/min；熔炼后冷却时间≥5h；

将实施例6和对比例6所得钛金属成品铸锭进行扒皮，在铸锭侧表面纵向的头、中、底部参照实施例1的方式进行取样，结果如图8和图9所示：

1、从图8可以看出，本实施例制备的钛金属铸锭组织为以轴向柱状晶凝固组织为主。

2、对比图8和图9中可以看出，采用本实施例的方案可有效消除正偏析元素Cr的扩散偏析，TC17钛金属铸锭的成分均匀性好。

实施例7-10：

实施例7-10与实施例6不同之处在于表2。

根据实施例7-10的方案获得高均匀钛铸锭的性能详见表2。

对比例7-10：

对比例7-10与实施例6不同之处在于表2。

根据对比例7-10的方案获得高均匀钛铸锭的性能详见表2。

表2 实施例6-10和对比例6-10的参数及钛金属铸锭的性能统计表

从表2中结合实施例6-10及对比例6-10可知：

在第一次真空自耗熔炼参数相同的情况下，第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的参数取本发明的参数范围内，所获得的钛金属铸锭成分均匀性好，详见实施例6-8，原理是：第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的参数选择，能控制熔池的过冷度方向，从而改变柱状晶的生长方向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，结合相邻两次真空自耗熔炼中调换铸锭头部和底部的熔炼方式，能有效抑制钛金属中偏析元素Cr扩散导致的成分偏析，同时可消除铸锭中柱状晶区与等轴晶区的组织差异，利于提高锻造组织均匀性。熔炼速度和熔池深度控制不合理，会对钛金属铸锭的均匀性和表面质量存在影响：如熔池深度过大（对比例6-8）会影响钛金属铸锭的均匀性；熔池深度过小（对比例9-10），会影响铸锭的表面质量。

在第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼的参数不变的情况下，改变第一次真空自耗熔炼的参数，还是能获得高成分均匀钛金属铸锭，详见实施例6-8和实施例9-10的比对。

综上所述，本发明方案通过匹配熔炼过程的熔炼速度和熔池深度来实现控制熔池的过冷度方向，从而改变柱状晶的生长方向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，结合相邻两次真空自耗熔炼中调换铸锭头部和底部的熔炼方式，能有效抑制钛金属中偏析元素Fe、Cr等扩散导致的成分偏析，利于提高锻造组织均匀性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供钛金属铸锭，钛金属铸锭中含有正偏析元素；

步骤二：将步骤一中得到的扇形电极块制成自耗电极；

2.根据权利要求1所述的高均匀钛金属铸锭熔炼方法，其特征在于，所述步骤五中进行第三次真空自耗熔炼和获得钛金属铸锭之间还包括N次真空自耗熔炼，N为大于等于1的整数，熔炼工艺参数与步骤五相同；相邻两次真空自耗熔炼中调换头部和底部的上下位置。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的高均匀钛金属铸锭熔炼方法，其特征在于，所述钛金属铸锭中含有的正偏析元素为Fe、Cr及Cu中至少一种。

4.根据权利要求1所述的高均匀钛金属铸锭熔炼方法，其特征在于，所述步骤一中扇形电极块采用铝豆、中间合金和海绵钛制成。

5.根据权利要求1所述高均匀钛金属铸锭熔炼方法，其特征在于，所述步骤三中一次铸锭为柱状晶定向沿径向或轴向生长组织。

6.根据权利要求5所述高均匀钛金属铸锭熔炼方法，其特征在于，所述步骤四中二次铸锭为柱状晶定向沿轴向生长组织。

7.根据权利要求6所述高均匀钛金属铸锭熔炼方法，其特征在于，所述步骤五中钛金属铸锭为柱状晶定向沿轴向生长组织。