CN112609086B - 一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高速轧制大盘重Ti‑6Al‑4V合金盘条的方坯及其制备方法，属于冶金技术领域。该方法包括包合金包、电极压制、焊接一次电极、一次装炉及抽真空、一次炉内焊接及抽真空、一次引弧熔炼及冷却、清洗平头、焊接二次电极、二次装炉及抽真空、二次炉内焊接及抽真空、二次引弧熔炼及冷却、扒皮、加热及锻造等十数个步骤。本发明方法生产的合金方坯为锻态，内部晶粒经锻造后在一定程度上得以细化，组织性能也得以优化，且成材率高达95%，生产效率也得以提高，轧制出的钛合金盘条表面缺陷较少，整体性能优于原来采用机加工方法所生产的盘条性能。

Description

一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯及其制 备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯及其制备方法。

背景技术

Ti-6Al-4V合金（以下简称“TC4合金”）具有良好的耐高温和耐腐蚀性、生物相容性好、比强度高、自身无磁性等一系列的优良特性，被广泛应用于航天航空、舰船制造、石油化工、兵器、冶金、电力等工业中。TC4合金盘条作为其中的一个中间产品，其生产工艺得到不断地优化改进，产品性能和质量均得到了很大提升。而这与生产盘条的原料有很大的关系，TC4合金方坯是用于轧制钛合金盘条的原料，由于TC4钛合金强度较高，由于加工装备能力受限，原来生产TC4方坯的方法是将TC4合金圆铸锭通过机加工（使用车床或锯床）的方法制得铸态的150方坯，其规格为150×150×L（W×H×L）mm。使用该方法生产方坯需使用专用的YG8硬质合金刀具及合金锯条，成本较高，成材率不足80%，生产效率低，生产的方坯为铸态，其内部显微组织差异大，轧制后的产品表面质量缺陷较多，产品性能受到缺陷影响明显。因此如何克服现有技术的不足是目前冶金技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供及一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯及其制备方法。该方法将TC4圆铸锭经加热后，利用3t空气锤经过两次锻造制成规格为150×150×L（W×H×L）mm的150方坯。使用该方法生产的TC4合金方坯为锻态，内部晶粒经锻造后在一定程度上得以细化，组织性能也得以优化，且成材率高达95%，生产效率也得以提高，轧制出的钛合金盘条表面缺陷较少，整体性能优于原来采用机加工方法所生产的盘条性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，包括如下步骤：

步骤（1），包合金包：TC4合金的名义化学成分准备原料；其中，以6.1～6.5wt%计算Al元素的质量百分比；

步骤（2），电极压制：将步骤（1）原料中的海绵钛均分成N份，将除海绵钛以外的其它原料分成N-1份合金包，然后在模具中，从上到下，按照每两份海绵钛之间放置一份合金包进行铺料，接着压制，形成电极块；

步骤（3），焊接一次电极：将步骤（2）压制好的电极块进行烘干，烘干后再进行焊接；焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把6～7块电极块焊接成长电极，作为一次自耗电极；

步骤（4），一次装炉及抽真空：将步骤（3）得到的一次自耗电极装入真空自耗炉中，一次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在一次自耗电极顶端平面放颗粒料海绵钛作为起弧料，确定电极装好后进行封炉，封炉完成后分别来启将抽真空至炉内的真空度低于6.7Pa；

步骤（5），一次炉内焊接及抽真空：将一次自耗电极与电极杆连接部分的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：弧电压为25～35V，弧电流为3.0～5.0kA，焊接时间为30～50s；焊接后冷却，然后进行炉内放气并拆炉检验焊接质量情况；调整电极杆的升降，使一次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm，将法兰平面到一次自耗电极底面的这段距离作为起弧间隙；在坩埚底平面放海绵钛作为引弧料，然后封炉，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（6），一次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制5～8min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%～60%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为30～33V，熔炼电弧电流为7.0～8.0KA；正常熔炼期结束后，充氩冷却，出炉，得到一次VAR铸锭；

步骤（7），清洗平头：清洗一次VAR铸锭的表面污物及杂质，然后对清洗后的一次VAR铸锭进行平头处理，将一次VAR铸锭两端头车平；

步骤（8），焊接二次电极：采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极，作为二次自耗电极；

步骤（9），二次装炉及抽真空：将步骤（8）得到的二次自耗电极装入真空自耗炉中，二次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在上平面中心放置海绵钛作为引弧料，封炉后，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（10），二次炉内焊接及抽真空：将二次自耗电极与电极杆连接的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：焊接电压为20～30V，焊接电流为2.0～5.0kA，焊接时间为60～90s；焊接完成后冲氩冷却，然后进行炉内放气并开炉检验焊接质量情况；调整电极杆的升降，使二次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm，将法兰平面到二次自耗电极底面的这段距离作为起弧间隙；在坩埚底平面上放海绵钛做引弧料，然后封炉，抽空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（11），二次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制3～6min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流为正常熔炼的25%～60%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为32～34V，熔炼电弧电流为9.0～10.0KA；正常熔炼期结束后进行补缩，补缩至铸锭尾部平整光滑；补缩结束后3～5min，充氩冷却，出炉，得到二次VAR铸锭；

步骤（12），扒皮：将二次VAR铸锭自然冷却至室温后进行扒皮处理去除以铸锭表层氧化皮及缺陷，得到TC4钛合金圆光锭；

步骤（13），加热：先将对TC4钛合金圆光锭放于加热炉中进行加热，加热时，以6.4℃/min的升温速率从室温逐渐升温至1000～1200℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h，达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造，得到用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。

进一步，优选的是，步骤（1）中，所述的原料包括铝钒中间合金、海绵钛、铝豆和铝箔。

进一步，优选的是，步骤（2）中，将步骤（1）原料中的海绵钛均分成3份，将除海绵钛以外的其它原料分成2份合金包，然后在模具中，从下到上按照海绵钛、合金包、海绵钛、合金包、海绵钛的顺序进行铺料，接着压制，形成电极块；压制过程中，单位压力从0升至18MPa，在18MPa的单位压力下保压15～20s后泄压。

进一步，优选的是，步骤（5）中，焊接后冷却时间为10min；步骤（6）中，冷却时间为3h；步骤（10）中，焊接后冷却时间为10min；步骤（11）中，冷却时间为4h。

进一步，优选的是，步骤（5）和步骤（10）中，焊接面积应达到75%以上；步骤（4）和步骤（9）中，起弧料用量均为20g；步骤（5）和步骤（10）中，起弧料用量均为2000g。

进一步，优选的是，步骤（12）中，扒皮处理为车削1～3mm，且车削后的表面粗糙度应小于12.5μm。

进一步，优选的是，步骤（13）中，对TC4钛合金圆光锭进行加热时，TC4钛合金圆光锭的摆放位置应距电阻丝50～70mm，距热电偶200mm以上；锻造采用3t空气锤；锻造后在方坯表面涂刷防氧化涂料。

进一步，优选的是，步骤（11）中，补缩时每5min将电流降低0.5KA，直到将电流降至4KA以下，停止补缩，整个补缩过程需要30～50min。

进一步，优选的是，步骤（13）中，铸锭开坯锻造：将经过加热的光锭坯料吊出在3t空气锤上进行自由开坯锻造。开坯初始阶段应遵循“小变形量、轻锤、快打、勤翻转”的原则，锻造过程中，当变形量超过20%后，按正常变形量重锤锻造，坯料开坯锻造阶段的变形量控制在50～75%，终锻温度不得低于850℃。当变形基本结束或者温度较低时，应逐渐减少变形量，以避免产生裂纹。当变形困难或者温度较低时，需将开坯锻造后的坯料吊回炉内加热150～200min方可进行二次锻造，直至锻造成150方坯，该阶段的终锻温度应高于750℃。

本发明同时保护上述用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法制得的Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明方法生产的TC4合金方坯为锻态，内部晶粒经锻造后在一定程度上得以细化，组织性能也得以优化，且成材率高达95%，生产效率也得以提高，轧制出的钛合金盘条表面缺陷较少，整体性能优于原来采用机加工方法所生产的盘条性能。对于价格昂贵钛合金材料，选用锻造成型的方法不仅可以改善材料内部质量，还可以节约材料。本发明采用自由锻造的方法生产Ti-6Al-4V钛合金方坯，该方法的优点在于生产准备周期短，对装备能力要求低，适用性广，不需要专用的模具，生产成本低。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本发明的工艺路线：包合金包→电极压制→焊接一次电极→装炉抽空→炉内焊接→抽真空→引弧→熔炼→冷却出炉→一次锭清洗平头→焊接二次电极→装炉→抽真空→炉内焊接→熔炼→补缩→冷却出炉→扒皮→检验→加热→锻造成150方坯成品。

包合金包：TC4合金的名义化学成分为Ti-6Al-4V，在实际的生产过程中，考虑到在熔炼时Al元素存在烧损的情况，故以6.1～6.5wt%计算Al元素的质量百分比，其他元素的质量百分比按照名义化学成分进行计算。根据此方法计算出所需原料的配比情况，根据原料配比称取所需量的中间铝钒合金和铝豆（铝箔），混合均匀后包装成合金包。

电极压制：对液压压块机上残留的海绵钛进行清理，保证压块工位的清洁。将压模降至工作位，压头置于压模正上方保持不动，根据原料配比中所需的海绵钛量将其三等分，然后分别称取每等分的海绵钛，标记为第一等分、第二等分和第三等分，称好后留做压制电极块用。海绵钛与合金包一同压制成电极块时，所称取物料应进行干燥，在称重时应保证各原料的重量准确，否则会出现成分不均的问题，难以保证最终产品的性能要求。将称好的第一等分海绵钛倒进模具中，将其平铺把一个合金包平放在模具中央，倒入第二等分海绵钛，再倒入的第二等分海绵钛平铺后再把第二个合金包放在模具中央，最后倒入第三等分海绵钛并平铺，布料完成；然后缓慢下降液压机压头开始压制电极块，在压头缓慢速下降的同时将两根钢绳的端头扣在压模上，压头开始接触到海绵钛时，单位压力从0逐渐升至18MPa，在18MPa的单位压力下保压15～20s，达到要求的保压时间后进行泄压，压力表上指针归零后，在钢丝绳的作用下缓慢将压模、压头一同提起，当压模、压头提升到一定高度后，将垫块推至压模正下方，降下压模使压模刚好能够落在垫块上；然后人工将推车推至压头正下方，降下压头将压制好的电极块从压模中压出并落在小车里，之后退出小车，取出电极块，称重并进行记录；随后适当提升压模，以便于将垫块顺利退回，退回垫块之后将压模降至工位，将钢绳两端头从压模上取掉，开始继续以上操作压制下一电极块，压制出的单个电极块规格为φ150×350mm，重量为25kg。

焊接一次电极：压制好的电极块应进行烘干，烘干后再进行焊接。焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把6～7块电极块焊接成长电极(一次电极)。焊接时应保证自耗电极（即一次自耗电极）的强度足够高，在一次自耗电极自身的重量条件下吊运过程中不会出现断裂脱落的情况，一次自耗电极还应在通大电流的条件能够不过热，保证易熔组元不过早熔化而破坏合金成分。对制备好的自耗电极外观尺寸及形状、焊缝质量、表面是否氧化等进行检查；在装炉前需准备起弧用的海绵钛料，辅助电极连接头，与工艺要求型号一致的结晶器。经检查无误后，确定自耗电极与辅助电极同牌号，经检查合格满足要求的电极即可进行装炉。

装炉抽空：把自耗电极用托锭小车夹着立放于坩埚底座中心处，再启动升降小车托着电极上升进入坩埚，同时松开托锭小车夹钳，在松开夹钳时需确保电极不发生倾斜，避免刮伤坩埚，升降小车到位后，需找准电极的中心位置，确保电极与坩埚间隙不小于30mm，找准后用木楔固定；然后在自耗电极顶端平面放同牌号的起弧料、屑状料或小块海绵钛颗粒料；确定电极装好，检查无误后，可进行封炉。封好炉后，开始抽真空操作，抽真空前要检查水、电、仪器、仪表以及高压、压缩空气是否正常。经检查均正常方可启动真空泵抽炉体，真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当炉体抽到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，油增压泵可预热，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态。

炉内焊接：当炉内的真空度低于6.7Pa，漏气率小于2Pa/min，即可进行炉内焊接。炉内焊接工艺参数：弧电压为25～35V，弧电流为3.0～5.0kA，焊接时间为30～50s，冷却时间为15min。焊接完成后，进行炉内放气，取出固定自耗电极的木楔，拆炉检查焊接的质量，焊接面积应在75%以上，否则补焊，出现的焊瘤需打掉，清理干净。

抽真空：封炉完成后启动机械泵对炉体进行抽真空，当真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当真空度达到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，可预热油增压泵，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态，这时炉内的真空度应低于3Pa。对炉体进行检漏，漏气率应小于0.6Pa/min。

引弧：起弧后，用5～8min的过渡时间占满全熔池，起弧期应尽量短，迅速形成熔池，减小电弧对坩埚底的冲击；引弧期的供电制度比正常熔炼的功率小的多，一般引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%～60%。

熔炼：引弧完成后进入工艺要求的正常熔炼期，熔炼期的熔炼电压为31～33V，熔炼电流为7.0～8.0KA。熔炼期可去除气体和排除金属夹杂物及各种有害杂质，使合金成分均匀化，改善结晶组织，消除各种缺陷。

冷却出炉：正常熔炼期结束后，需要对铸锭进行充氩冷却3h。充氩时，应将阀门关闭，油增压泵和罗茨泵停止运行，机械泵处于正常运行状态。为防止增压泵油氧化，待油增压泵冷却90分钟后方可关停机械泵；达到规定的冷却时间后，放气、拆炉、降下坩埚底座，吊出铸锭，在一次VAR铸锭的补缩端面标记清楚铸锭的牌号、锭号、重量、规格等信息。

一次锭清洗平头：用铸锭清洗机清洗一次VAR锭的表面污物及杂质，对于洗锭机洗不掉的表面氧化物，使用钢丝轮对铸锭表面的氧化物进行刷洗；为便于焊接二次电极，需对熔炼出的一次VAR锭进行平头处理，将铸锭两端头车平，用锯床或车床切掉飞边，经平头处理后的一次VAR锭头部端面高出补缩端面4～6mm。锯切时，锯口的斜度应小于2mm。

焊接二次电极：熔炼出的一次VAR铸锭经清洗、平头后，采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极（二次电极），并以此作为熔炼二次VAR锭的自耗电极。采用炉外等离子氩弧焊接进行焊接，要求焊缝位置不得氧化，氧化的部分应进行打磨去除；电极的弯曲度控制在3mm/m以内；两根一次VAR锭对接焊时，间隙愈小愈好。

装炉：选择符合工艺要求的坩埚规格，并清理干净；准备就绪后，把二次电极用托锭小车夹着立放于坩埚底座的中心位置，调对中心，升降小车，找准电极在坩埚中的中心位置，确保电极与坩埚的间隙大于30mm，用木楔固定好；在自耗电极的上平面中心放置20g海绵钛作为引弧料，自耗电极装好后可封炉抽真空。

抽真空：检查水、电、仪器、仪表、压缩空气等，经检查均正常后送控制系统的电，启动真空系统各泵及阀门等开始抽空，启动机械泵抽炉体，炉体的真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当炉体抽到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，油增压泵可预热，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态，这时炉内的真空度应低于3Pa，测试漏气率不大于0.6Pa/min，可进行炉内焊接，炉内焊接工艺参数：焊接电压为20～30V，焊接电流为2.0～5.0kA，焊接时间为60～90s，冷却时间为20min。冷却结束后，炉内放气，准备开炉；检查焊接情况，焊接面积应达到75%以上，否则会因大电流过热而开焊，应采用等离子氩弧焊接补焊，出现的氧化物需清理掉，炉内焊接后的瘤子，应清理掉，否则易起边弧，击穿坩埚。清理坩埚法兰和密封圈上的钛粒、喷溅物和灰尘；提升电极杆到一定的高度，在坩埚底上放适量海绵钛做引弧料，测量自耗电极（二次电极）底面与坩埚底平面的距离大于100mm，以此作为引弧间隙；然后进行封炉抽空。封炉完成后启动机械泵对炉体进行抽真空，当真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当真空度达到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，可预热油增压泵，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态，这时炉内的真空度应低于3Pa。对炉体进行检漏，漏气率应不大于0.6Pa/min，方可配送高压。

熔炼：慢速降电极杆到短路起弧，稍提升电极杆，控制弧压，保持弧长，用3～6min的过渡时间占满全熔池，起弧期应尽量短，迅速形成熔池，减小电弧对坩埚底的冲击；引弧期的供电制度比正常熔炼的功率小的多，一般引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%～60%。引弧完成后进入工艺要求的正常熔炼期，熔炼期的熔炼电压为32～34V，熔炼电流为9.0～10.0KA。

补缩：正常熔炼期完成后进行补缩，将铸锭尾部进行平整。

冷却出炉：补缩结束后3～5min，关闭阀门，对铸锭进行充氩冷却4h。充氩时，应将阀门关闭，油增压泵和罗茨泵停止运行，机械泵处于正常运行状态。为防止增压泵油氧化，待油增压泵冷却90min后方可关停机械泵；达到规定的冷却时间后，放气、拆炉、降下坩埚底座，吊出铸锭，在二次VAR铸锭的补缩端面标记清楚铸锭的牌号、锭号、重量、规格等信息。

扒皮：二次VAR铸锭从真空自耗炉内吊出后仍还留有余温，需要以空冷的方式缓慢冷却至室温，冷却后的二次VAR毛锭需进行车削扒皮处理，一般车削1～3mm就能把铸锭表层氧化皮及缺陷削除，扒皮后得到TC4钛合金的圆光锭，扒皮后的圆光锭规格为φ380×2000mm。

检验：扒皮完成的TC4钛合金圆光锭需对其表面加工质量进行检验，经车削后的圆锭表面粗糙度应小于12.5μm。

加热：扒皮后的圆光锭需在加热炉中进行加热，本发明中所使用的加热炉为箱体式加热炉，其技术参数范围：额定功率180KW，最高工作温度1250℃，常用工作温度1200℃，炉温均匀性1200℃（±7℃），从室温升至1200℃约180min，有2个控温区，炉膛尺寸2000*1000*600mm（L*W*H）,控温精度±1℃，最大装炉量为3000kg。

在使用加热炉前应先确认加热带或电阻丝有无异常，并将炉膛内上一次加热时掉落的氧化皮清除，再合上电源总开关。使用行车配用专用的夹具将TC4合金光锭放到RX-180-12箱式加热炉中进行加热，装炉时注意将物料摆放在正确的位置上，装炉总重量不得超过3000kg，物料的摆放位置应距电阻丝50～70mm，距热电偶200mm以上。物料摆放好后，启动电炉，将温控仪表的温度调至1150℃，接通加热开关，使电炉以6.4℃/min速率从室温逐渐升温至1150℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h,达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造；出炉时要先切断加热电源后再进行出炉操作。吊出物料时要穿戴好劳保防护用品，以防被烫伤。炉温高于400℃时不允许打开炉门冷却，最高使用温度不得超过额定温度，装炉时不要用力投掷防止撞坏电气元件和砸坏炉底板，电路加热时，操作人员不得远离电炉，时刻注意仪表显示温度是否正常，电炉工作是否正常，如发现异常立即停止加热，排除故障。在工作过程中发现设备出现异常现象，必须立即停止运行设备，及时通知维修人员进行修理。

锻造设备主要由空压机、3t空气锤（锻机）、操作机（翻转机）三部分组成。本发明使用3L-10/8型空压机，转速480r/min，容积流量20m³/min，轴功率118KW，排气压力0.8Pa。空压机在使用前应先检查确认油池润滑油保持在刻度范围内，润滑油的牌号应符合要求，注油器内的油量不低于刻度线；开机前转动手动轮，向气缸注油，从视油器中要能见到均匀充足的油滴；检查排气管路是否畅通，放气阀是否打开，为了减轻启动时的负荷，应关闭减荷阀或打开油水吹除阀，使排气管路处于无压力状态；各冷却水阀打开，水流应通畅，无气泡。然后接通电流，使空压机进入空载状态下运转；空载运转正常后，逐渐打开减荷阀，关闭各级冷却器的油水吹除阀，使空压机进入负荷状态下运转。运行时冷却水应畅通、均匀、无间歇、无气泡、水温不超过40℃；排气温度不超过160℃，经水冷却后的温度不超过40℃，电流、电压、电动机的温度正常，吸气阀盖不发热，阀的声音是否正常。每运行2小时，要将各级油水吹除阀打开吹除，每天将贮气罐内的油水排放3～5次。待锻造完成后，关闭减荷阀，打开各级冷却器和油水吹除阀；关闭电源、使机器停止运转；关闭冷却水进水阀，放掉气缸套和各级冷却器油水分离器及贮气罐中残留的水；放出各级排气管处的压缩空气；电源切断后应恢复到变动前状态。本发明中使用的3t空气锤（锻机）落下部分公称重量为3000kg，落下部分实际重量为3695kg，打击能量不小于124KJ，最大行程为1450mm，气缸直径为550mm，锤杆直径为180mm，进气压力为0.6～0.8MPa，锻锤总高8687mm。本发明使用的操作机（翻转机）最大夹紧公称重量1500kg，常用夹紧重量1000kg，最大行走行程8000mm，气缸直径φ400mm，进气压力0.6～0.8Mpa。使用操作机前先合上电源总开关，启动空压机使进气压力保持在0.6～0.8Mpa。操纵驾驶室前台上的左手柄，控制前手柄在前半个行程间往复运动，操纵车既向前运动；控制左手柄在后半个行程间做往复运动，操纵车既向后运动，每一个行程操纵车运行停止一次，运行停止动作必须与锻锤的捶打频率吻合。操纵驾驶室前台上的右手柄，控制右手柄在前半个行程往复运动，操作车的夹钳位置既被提高;控制右手柄在后半个行程间作往复运动，操纵车夹钳高度下降，每一个行程夹钳提升或降低一次。锻打时，夹钳头料必须保持水平，且保持平行放在锻锤砧子之间，以保证锻打质量。在锻压过程中，如需旋转夹钳，应踩下驾驶室下方的脚踏板，左踏板控制夹钳向左旋转，右踏板控制夹钳向右旋转，踏板回位，则旋转停止。夹钳的旋转和停止可根据锻压过程需要协调锻锤进行控制。钳压工作结束后，应将操纵车开到停车位，各控制手柄、脚踏板回复零位后，关闭电门。在锻造过程中，边锻造边进行方坯尺寸测量，保证锻造出的方坯尺寸符合工艺要求。车间温度较低时，锻压前应先将锻锤、砧子、模具和工夹预热至100℃左右。气锤在工作前，必须排除汽缸内的冷凝水，检查气管和阀门是否漏气，检查机座、砧座、砧子、锤头、导轨板、锤杆等应完好无裂纹，楔铁紧固牢靠，各部位螺栓无松动现象。锤头和砧子对准没有产生无大的位错，立柱导轨板与锤头间隙应符合规定。

锻打前需先试锤，试锤时不准打空锤，必须放置木板或加热的锻件，以防锤砧破裂。开锤必须听从掌钳的指挥，使用操作机时，不准在操作机运转、变位过程中锤击。锻打过程中，严禁往砧面上塞放垫铁或进行测量操作，需待锤头平稳提升后，方可进行。装卸工件，应先将锤固定好，锤击开始时落距要小。锻机必须放在砧子的中央位置锻打，不准打偏。操作锻锤的快、慢、轻、重、开动与停止，必须准确无误地根据指挥者的指示信号进行。重打时要特别注意控制好操纵杆的行程长度。夹钳必须与工件大小形状相适应，工件必须夹紧，掌钳者手指不允许放在钳柄之间，钳柄应放在身体侧面，不准正对腹部、胸部。锻造过程中应及时清除附着在锻件表面上的氧化皮。锻完的工件投掷时，必须注意周围是否有人或障碍物。断料时，剁刀应放平、放正，切口正面不准有人。工作中，如发现机座、砧座、砧子、锤头、导轨及锤杆有裂纹，应立即停止工作。在工作中过程中，如停歇时间较长时，应把锤头系在砧子上，把进气阀和节气阀关好。

（1）锻造完成的方坯经冷却后，把头尾开裂部分锯除，将棱边倒角20mm×45°的，倒角后形成的棱角使用砂轮机打磨成过渡圆角。方坯表面所有缺陷必须修磨消除，且深宽比在1：20以上。

（2）方坯头部倒角15～20mm×30°，便于轧制咬入。

（3）坯料在轧制前应涂刷自制的防氧化涂料，涂料按粉：胶：水=1：2：3进行配比，并充分搅拌后涂刷在表面清洁坯料上，一般需进行三次涂刷，前一次涂刷的涂料干透后再进行后一次涂刷。

（4）经上述方法制得的TC4钛合金方坯可用于高速轧制大盘重钛合金盘条。

本发明生产的Ti-6Al-4V钛合金方坯重量可达500kg以上，高速轧制出的钛合金盘条重量能达到500kg以上，TC4钛合金盘条单盘盘重远超当前市场上的钛合金盘重。

实施例1

一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，包括如下步骤：

步骤（1），包合金包：TC4合金的名义化学成分准备原料；其中，以6.1wt%计算Al元素的质量百分比；

步骤（2），电极压制：将步骤（1）原料中的海绵钛均分成N份，将除海绵钛以外的其它原料分成N-1份合金包，然后在模具中，从上到下，按照每两份海绵钛之间放置一份合金包进行铺料，接着压制，形成电极块；

步骤（3），焊接一次电极：将步骤（2）压制好的电极块进行烘干，烘干后再进行焊接；焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把6块电极块焊接成长电极，作为一次自耗电极；

步骤（4），一次装炉及抽真空：将步骤（3）得到的一次自耗电极装入真空自耗炉中，一次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在一次自耗电极顶端平面放颗粒料海绵钛作为起弧料，确定电极装好后进行封炉，封炉完成后分别来启将抽真空至炉内的真空度低于6.7Pa；

步骤（5），一次炉内焊接及抽真空：将一次自耗电极与电极杆连接部分的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：弧电压为25V，弧电流为3.0kA，焊接时间为30s；焊接后冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使一次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面放海绵钛作为引弧料，然后封炉，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（6），一次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制5min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为30V，熔炼电弧电流为7.0KA；正常熔炼期结束后，充氩冷却，出炉，得到一次VAR铸锭；

步骤（7），清洗平头：清洗一次VAR铸锭的表面污物及杂质，然后对清洗后的一次VAR铸锭进行平头处理，将一次VAR铸锭两端头车平；

步骤（8），焊接二次电极：采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极，作为二次自耗电极；

步骤（9），二次装炉及抽真空：将步骤（8）得到的二次自耗电极装入真空自耗炉中，二次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在上平面中心放置海绵钛作为引弧料，封炉后，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（10），二次炉内焊接及抽真空：将二次自耗电极与电极杆连接的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：焊接电压为20V，焊接电流为2.0kA，焊接时间为60s；焊接完成后冲氩冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使二次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面上放海绵钛做引弧料，然后封炉，抽空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（11），二次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制3min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流为正常熔炼的25%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为3V，熔炼电弧电流为9.0KA；正常熔炼期结束后进行补缩，补缩至铸锭尾部平整光滑；补缩结束后3min，充氩冷却，出炉，得到二次VAR铸锭；

步骤（12），扒皮：将二次VAR铸锭自然冷却至室温后进行扒皮处理去除以铸锭表层氧化皮及缺陷，得到TC4钛合金圆光锭；

步骤（13），加热：先将对TC4钛合金圆光锭放于加热炉中进行加热，加热时，以6.4℃/min的升温速率从室温逐渐升温至1000℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h，达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造，得到用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。

实施例2

一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，包括如下步骤：

步骤（1），包合金包：TC4合金的名义化学成分准备原料；其中，以6.1wt%计算Al元素的质量百分比；

步骤（2），电极压制：将步骤（1）原料中的海绵钛均分成N份，将除海绵钛以外的其它原料分成N-1份合金包，然后在模具中，从上到下，按照每两份海绵钛之间放置一份合金包进行铺料，接着压制，形成电极块；

步骤（3），焊接一次电极：将步骤（2）压制好的电极块进行烘干，烘干后再进行焊接；焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把6块电极块焊接成长电极，作为一次自耗电极；

步骤（4），一次装炉及抽真空：将步骤（3）得到的一次自耗电极装入真空自耗炉中，一次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在一次自耗电极顶端平面放颗粒料海绵钛作为起弧料，确定电极装好后进行封炉，封炉完成后分别来启将抽真空至炉内的真空度低于6.7Pa；

步骤（5），一次炉内焊接及抽真空：将一次自耗电极与电极杆连接部分的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：弧电压为25V，弧电流为3.0kA，焊接时间为30s；焊接后冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使一次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面放海绵钛作为引弧料，然后封炉，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（6），一次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制5min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为30V，熔炼电弧电流为7.0KA；正常熔炼期结束后，充氩冷却，出炉，得到一次VAR铸锭；

步骤（7），清洗平头：清洗一次VAR铸锭的表面污物及杂质，然后对清洗后的一次VAR铸锭进行平头处理，将一次VAR铸锭两端头车平；

步骤（8），焊接二次电极：采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极，作为二次自耗电极；

步骤（9），二次装炉及抽真空：将步骤（8）得到的二次自耗电极装入真空自耗炉中，二次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在上平面中心放置海绵钛作为引弧料，封炉后，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（10），二次炉内焊接及抽真空：将二次自耗电极与电极杆连接的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：焊接电压为20V，焊接电流为2.0kA，焊接时间为60s；焊接完成后冲氩冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使二次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面上放海绵钛做引弧料，然后封炉，抽空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（11），二次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制3min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流为正常熔炼的25%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为3V，熔炼电弧电流为9.0KA；正常熔炼期结束后进行补缩，补缩至铸锭尾部平整光滑；补缩结束后3min，充氩冷却4h，出炉，得到二次VAR铸锭；

步骤（12），扒皮：将二次VAR铸锭自然冷却至室温后进行扒皮处理去除以铸锭表层氧化皮及缺陷，得到TC4钛合金圆光锭；

步骤（13），加热：先将对TC4钛合金圆光锭放于加热炉中进行加热，加热时，以6.4℃/min的升温速率从室温逐渐升温至1000℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h，达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造，得到用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。

步骤（1）中，所述的原料包括铝钒中间合金、海绵钛、铝豆和铝箔。

步骤（2）中，将步骤（1）原料中的海绵钛均分成3份，将除海绵钛以外的其它原料分成2份合金包，然后在模具中，从下到上按照海绵钛、合金包、海绵钛、合金包、海绵钛的顺序进行铺料，接着压制，形成电极块；压制过程中，单位压力从0升至18MPa，在18MPa的单位压力下保压15s后泄压。

步骤（5）中，焊接后冷却时间为10min；步骤（6）中，冷却时间为3h；步骤（10）中，焊接后冷却时间为10min。

步骤（5）和步骤（10）中，焊接面积应达到75%以上；步骤（4）和步骤（9）中，起弧料用量均为20g；步骤（5）和步骤（10）中，起弧料用量均为2000g。

步骤（12）中，扒皮处理为车削1mm，且车削后的表面粗糙度应小于12.5μm。

步骤（13）中，对TC4钛合金圆光锭进行加热时，TC4钛合金圆光锭的摆放位置应距电阻丝50mm，距热电偶200mm以上；锻造采用3t空气锤；锻造后在方坯表面涂刷防氧化涂料。

步骤（11）中，补缩时每5min将电流降低0.5KA，直到将电流降至4KA以下，停止补缩，整个补缩过程需要30min。

步骤（13）中，锻造过程中，当变形量超过20%后，按正常变形量重锤锻造，坯料开坯锻造阶段的变形量控制在50%，终锻温度不得低于850℃当变形困难或者温度较低时，需将开坯锻造后的坯料吊回炉内加热150min方可进行二次锻造，直至锻造成150方坯，该阶段的终锻温度应高于750℃。

实施例3

一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，包括如下步骤：

步骤（1），包合金包：TC4合金的名义化学成分准备原料；其中，以6.5wt%计算Al元素的质量百分比；

步骤（2），电极压制：将步骤（1）原料中的海绵钛均分成N份，将除海绵钛以外的其它原料分成N-1份合金包，然后在模具中，从上到下，按照每两份海绵钛之间放置一份合金包进行铺料，接着压制，形成电极块；

步骤（3），焊接一次电极：将步骤（2）压制好的电极块进行烘干，烘干后再进行焊接；焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把7块电极块焊接成长电极，作为一次自耗电极；

步骤（4），一次装炉及抽真空：将步骤（3）得到的一次自耗电极装入真空自耗炉中，一次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在一次自耗电极顶端平面放颗粒料海绵钛作为起弧料，确定电极装好后进行封炉，封炉完成后分别来启将抽真空至炉内的真空度低于6.7Pa；

步骤（5），一次炉内焊接及抽真空：将一次自耗电极与电极杆连接部分的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：弧电压为35V，弧电流为5.0kA，焊接时间为50s；焊接后冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使一次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面放海绵钛作为引弧料，然后封炉，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（6），一次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制8min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的60%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为33V，熔炼电弧电流为78.0KA；正常熔炼期结束后，充氩冷却，出炉，得到一次VAR铸锭；

步骤（7），清洗平头：清洗一次VAR铸锭的表面污物及杂质，然后对清洗后的一次VAR铸锭进行平头处理，将一次VAR铸锭两端头车平；

步骤（8），焊接二次电极：采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极，作为二次自耗电极；

步骤（9），二次装炉及抽真空：将步骤（8）得到的二次自耗电极装入真空自耗炉中，二次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在上平面中心放置海绵钛作为引弧料，封炉后，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（10），二次炉内焊接及抽真空：将二次自耗电极与电极杆连接的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：焊接电压为30V，焊接电流为5.0kA，焊接时间为90s；焊接完成后冲氩冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使二次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面上放海绵钛做引弧料，然后封炉，抽空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（11），二次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制6min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流为正常熔炼的60%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为34V，熔炼电弧电流为10.0KA；正常熔炼期结束后进行补缩，补缩至铸锭尾部平整光滑；补缩结束后5min，充氩冷却4h，出炉，得到二次VAR铸锭；

步骤（12），扒皮：将二次VAR铸锭自然冷却至室温后进行扒皮处理去除以铸锭表层氧化皮及缺陷，得到TC4钛合金圆光锭；

步骤（13），加热：先将对TC4钛合金圆光锭放于加热炉中进行加热，加热时，以6.4℃/min的升温速率从室温逐渐升温至1200℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h，达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造，得到用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。

步骤（1）中，所述的原料包括铝钒中间合金、海绵钛、铝豆和铝箔。

步骤（2）中，将步骤（1）原料中的海绵钛均分成3份，将除海绵钛以外的其它原料分成2份合金包，然后在模具中，从下到上按照海绵钛、合金包、海绵钛、合金包、海绵钛的顺序进行铺料，接着压制，形成电极块；压制过程中，单位压力从0升至18MPa，在18MPa的单位压力下保压20s后泄压。

步骤（5）中，焊接后冷却时间为10min；步骤（6）中，冷却时间为3h；步骤（10）中，焊接后冷却时间为10min。

步骤（5）和步骤（10）中，焊接面积应达到75%以上；步骤（4）和步骤（9）中，起弧料用量均为20g；步骤（5）和步骤（10）中，起弧料用量均为2000g。

步骤（12）中，扒皮处理为车削3mm，且车削后的表面粗糙度应小于12.5μm。

步骤（13）中，对TC4钛合金圆光锭进行加热时，TC4钛合金圆光锭的摆放位置应距电阻丝70mm，距热电偶200mm以上；锻造采用3t空气锤；锻造后在方坯表面涂刷防氧化涂料。

步骤（11）中，补缩时每5min将电流降低0.5KA，直到将电流降至4KA以下，停止补缩，整个补缩过程需要50min。

步骤（13）中，锻造过程中，当变形量超过20%后，按正常变形量重锤锻造，坯料开坯锻造阶段的变形量控制在75%，终锻温度不得低于850℃当变形困难或者温度较低时，需将开坯锻造后的坯料吊回炉内加热200min方可进行二次锻造，直至锻造成150方坯，该阶段的终锻温度应高于750℃。

实施例4

一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，包括如下步骤：

步骤（1），包合金包：TC4合金的名义化学成分准备原料；其中，以6.35wt%计算Al元素的质量百分比；

步骤（2），电极压制：将步骤（1）原料中的海绵钛均分成N份，将除海绵钛以外的其它原料分成N-1份合金包，然后在模具中，从上到下，按照每两份海绵钛之间放置一份合金包进行铺料，接着压制，形成电极块；

步骤（3），焊接一次电极：将步骤（2）压制好的电极块进行烘干，烘干后再进行焊接；焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把6块电极块焊接成长电极，作为一次自耗电极；

步骤（4），一次装炉及抽真空：将步骤（3）得到的一次自耗电极装入真空自耗炉中，一次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在一次自耗电极顶端平面放颗粒料海绵钛作为起弧料，确定电极装好后进行封炉，封炉完成后分别来启将抽真空至炉内的真空度低于6.7Pa；

步骤（5），一次炉内焊接及抽真空：将一次自耗电极与电极杆连接部分的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：弧电压为30V，弧电流为4.0kA，焊接时间为40s；焊接后冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使一次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面放海绵钛作为引弧料，然后封炉，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（6），一次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制6min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的40%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为32V，熔炼电弧电流为7.5KA；正常熔炼期结束后，充氩冷却，出炉，得到一次VAR铸锭；

步骤（7），清洗平头：清洗一次VAR铸锭的表面污物及杂质，然后对清洗后的一次VAR铸锭进行平头处理，将一次VAR铸锭两端头车平；

步骤（8），焊接二次电极：采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极，作为二次自耗电极；

步骤（9），二次装炉及抽真空：将步骤（8）得到的二次自耗电极装入真空自耗炉中，二次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在上平面中心放置海绵钛作为引弧料，封炉后，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（10），二次炉内焊接及抽真空：将二次自耗电极与电极杆连接的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：焊接电压为25V，焊接电流为3.0kA，焊接时间为70s；焊接完成后冲氩冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使二次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面上放海绵钛做引弧料，然后封炉，抽空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（11），二次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制4min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流为正常熔炼的40%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为33V，熔炼电弧电流为9.5KA；正常熔炼期结束后进行补缩，补缩至铸锭尾部平整光滑；补缩结束后4min，充氩冷却4h，出炉，得到二次VAR铸锭；

步骤（12），扒皮：将二次VAR铸锭自然冷却至室温后进行扒皮处理去除以铸锭表层氧化皮及缺陷，得到TC4钛合金圆光锭；

步骤（13），加热：先将对TC4钛合金圆光锭放于加热炉中进行加热，加热时，以6.4℃/min的升温速率从室温逐渐升温至1100℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h，达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造，得到用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。

步骤（1）中，所述的原料包括铝钒中间合金、海绵钛、铝豆和铝箔。

步骤（2）中，将步骤（1）原料中的海绵钛均分成3份，将除海绵钛以外的其它原料分成2份合金包，然后在模具中，从下到上按照海绵钛、合金包、海绵钛、合金包、海绵钛的顺序进行铺料，接着压制，形成电极块；压制过程中，单位压力从0升至18MPa，在18MPa的单位压力下保压18s后泄压。

步骤（5）中，焊接后冷却时间为10min；步骤（6）中，冷却时间为3h；步骤（10）中，焊接后冷却时间为10min。

步骤（5）和步骤（10）中，焊接面积应达到75%以上；步骤（4）和步骤（9）中，起弧料用量均为20g；步骤（5）和步骤（10）中，起弧料用量均为2000g。

步骤（12）中，扒皮处理为车削2mm，且车削后的表面粗糙度应小于12.5μm。

步骤（13）中，对TC4钛合金圆光锭进行加热时，TC4钛合金圆光锭的摆放位置应距电阻丝60mm，距热电偶200mm以上；锻造采用3t空气锤；锻造后在方坯表面涂刷防氧化涂料。

步骤（11）中，补缩时每5min将电流降低0.5KA，直到将电流降至4KA以下，停止补缩，整个补缩过程需要40min。

步骤（13）中，锻造过程中，当变形量超过20%后，按正常变形量重锤锻造，坯料开坯锻造阶段的变形量控制在65%，终锻温度不得低于850℃当变形困难或者温度较低时，需将开坯锻造后的坯料吊回炉内加热180min方可进行二次锻造，直至锻造成150方坯，该阶段的终锻温度应高于750℃。

应用实例

本实施例以500kg级150×150×5050mm（宽×厚×长）牌号为TC4（Ti-6Al-4V）的钛合金方坯为例：

（1）根据TC4钛合金国标要求的Al元素和V元素的中间值作为基准值，即Al：6.125%，V：4.0%；

（2）Al元素的实际值高于基准值0.075%，V元素的实际值与基准值相同计算，并以此作为名义成分；

（3）按制定好的名义化学成分Ti-6.2Al-4.0V进行配比，并根据此成分计算出海绵钛、铝钒合金和铝豆（铝箔）的各自所需称取的重量，将中间铝钒合金和铝豆（铝箔）混合均匀后包装成合金包。

（4）根据原料配比中所需的海绵钛量将其三等分，然后分别称取每等分的海绵钛，标记为第一等分、第二等分和第三等分，称好后留做压制电极块用。将称好的第一等分海绵钛倒进模具中，将其平铺把一个合金包平放在模具中央，倒入第二等分海绵钛，再倒入的第二等分海绵钛平铺后再把第二个合金包放在模具中央，最后倒入第三等分海绵钛并平铺，布料完成；然后缓慢下降液压机压头开始压制电极块，在压头缓慢速下降的同时将两根钢绳的端头扣在压模上，压头开始接触到海绵钛时，单位压力从0逐渐升至18MPa，在18MPa的单位压力下保压15～20s，达到要求的保压时间后进行泄压，压力表上指针归零后，在钢丝绳的作用下缓慢将压模、压头一同提起，当压模、压头提升到一定高度后，将垫块推至压模正下方，降下压模使压模刚好能够落在垫块上；然后人工将推车推至压头正下方，降下压头将压制好的电极块从压模中压出并落在小车里，之后退出小车，取出电极块，称重并进行记录；随后适当提升压模，以便于将垫块顺利退回，退回垫块之后将压模降至工位，将钢绳两端头从压模上取掉，开始继续以上操作压制下一电极块，压制出的单个电极块规格为φ150×350mm，重量为25kg。

（5）压制好的电极块应进行烘干，烘干后再进行焊接。焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把6块电极块焊接成长电极(一次电极)。

（6）将焊接好的一次电极装炉，装好后封炉开始抽真空，抽真空前要检查水、电、仪器、仪表以及高压、压缩空气是否正常。经检查均正常方可启动真空泵抽炉体，真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当炉体抽到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，油增压泵可预热，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态。

（7）当炉内的真空度低于6.7Pa，漏气率小于2Pa/min，即可进行炉内焊接。炉内焊接工艺参数：焊接电压为29～35V，焊接电流为4.0～5.0kA，焊接时间为30～50s，冷却时间为15min。

（8）封炉完成后，启动机械泵对炉体进行抽空，当真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当真空度达到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，可预热油增压泵，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态，这时炉内的真空度应低于3Pa。对炉体进行检漏，漏气率应小于0.6Pa/min。

（9）起弧后，用5～8min的过渡时间占满全熔池，引弧期的供电制度比正常熔炼的功率小的多，一般引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%～60%。

（10）引弧完成后进入工艺要求的正常熔炼期，熔炼期的熔炼电压为31～33V，熔炼电流为7.0～8.0KA。熔炼期可去除气体和排除金属夹杂物及各种有害杂质，使合金成分均匀化，改善结晶组织，消除各种缺陷。

（11）正常熔炼期结束后，需要对铸锭进行充氩冷却3h。充氩时，应将阀门关闭，停止运行油增压泵和罗茨泵，机械泵仍处于正常运行状态。为防止增压泵油氧化，待油增压泵冷却90分钟后方可关停机械泵；达到规定的冷却时间后，放气、拆炉、降下坩埚底座，吊出铸锭，在一次VAR铸锭的补缩端面标记清楚铸锭的牌号、锭号、重量、规格等信息。

（12）用铸锭清洗机清洗一次VAR锭的表面污物及杂质，对于洗锭机洗不掉的表面氧化物，使用钢丝轮对铸锭表面的氧化物进行刷洗；为便于焊接二次电极，需对熔炼出的一次VAR锭进行平头处理，将铸锭两端头车平，用锯床或车床切掉飞边，经平头处理后的一次VAR锭头部端面高出补缩端面4～6mm。锯切时，锯口的斜度应小于2mm。

（13）熔炼出的一次VAR铸锭经清洗、平头后，采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极（二次电极），并以此作为熔炼二次VAR锭的自耗电极。采用炉外等离子氩弧焊接进行焊接，要求焊缝位置不得氧化，氧化的部分应进行打磨去除；电极的弯曲度控制在3mm/m以内；两根一次VAR锭对接焊时，间隙愈小愈好。

（14）选择符合工艺要求的坩埚规格，并清理干净；准备就绪后，把二次电极用托锭小车夹着立放于坩埚底座的中心位置，调对中心，升降小车，找准电极在坩埚中的中心位置，确保电极与坩埚的间隙大于30mm，用木楔固定好；在自耗电极的上平面中心放置20g海绵钛作为引弧料，自耗电极装好后可封炉抽真空。

（15）检查水、电、仪器、仪表、压缩空气等，经检查均正常后送控制系统的电，启动真空系统各泵及阀门等开始抽空，启动机械泵抽炉体，炉体的真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当炉体抽到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，油增压泵可预热，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态，这时炉内的真空度应低于3Pa，测试漏气率不大于0.6Pa/min，可进行炉内焊接，炉内焊接工艺参数：焊接电压为23～25V，焊接电流为2.0～5.0kA，焊接时间为60～90s，冷却时间为20min。冷却结束后，炉内放气，准备开炉；检查焊接情况，焊接面积应达到75%以上，否则会因大电流过热而开焊，应采用等离子氩弧焊接补焊，出现的氧化物需清理掉，炉内焊接后的瘤子，应清理掉，否则易起边弧，击穿坩埚。清理坩埚法兰和密封圈上的钛粒、喷溅物和灰尘；提升电极杆到一定的高度，在坩埚底上放适量海绵钛做引弧料，测量自耗电极（二次电极）底面与坩埚底平面的距离大于100mm，以此作为引弧间隙；然后进行封炉抽空。封炉完成后启动机械泵对炉体进行抽真空，当真空度达到1000Pa时，启动小罗茨泵，当真空度达到400Pa时，启动大罗茨泵，炉体真空度达到133Pa时，可预热油增压泵，维持泵启动60～90min，油温可达到240～250℃，油增压泵可进入工作状态，这时炉内的真空度应低于3Pa。对炉体进行检漏，漏气率应不大于0.6Pa/min，方可配送高压。

（16）慢速降电极杆到短路起弧，稍提升电极杆，控制弧压，保持弧长，用3～6min的过渡时间占满全熔池，起弧期应尽量短，迅速形成熔池，减小电弧对坩埚底的冲击；引弧期的供电制度比正常熔炼的功率小的多，一般引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%～60%。引弧完成后进入工艺要求的正常熔炼期，熔炼期的熔炼电压为32～34V，熔炼电流为9.0～10.0KA。

（17）正常熔炼期完成后进行补缩，将铸锭尾部进行平整。

（18）补缩结束后3～5min，关闭阀门，对铸锭进行充氩冷却4h。充氩时，应将阀门关闭，油增压泵和罗茨泵停止运行，机械泵处于正常运行状态。为防止增压泵油氧化，待油增压泵冷却90min后方可关停机械泵；达到规定的冷却时间后，放气、拆炉、降下坩埚底座，吊出铸锭，在二次VAR铸锭的补缩端面标记清楚铸锭的牌号、锭号、重量、规格等信息。

（19）二次VAR铸锭从真空自耗炉内吊出后仍还留有余温，需要以空冷的方式缓慢冷却至室温，冷却后的二次VAR毛锭需进行车削扒皮处理，一般车削1～3mm就能把铸锭表层氧化皮及缺陷削除，扒皮后得到TC4钛合金的圆光锭，扒皮后的圆光锭规格为φ380×2000mm。

（20）扒皮完成的TC4钛合金圆光锭需对其表面加工质量进行检验，经车削后的圆锭表面粗糙度应小于12.5μm。

（21）先将对TC4钛合金圆光锭放于加热炉中进行加热，加热时，以6.4℃/min的升温速率从室温逐渐升温至1000～1200℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h,达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造；

（22）将经过加热的光锭坯料吊出在3t空气锤上进行自由开坯锻造。开坯初始阶段应遵循“小变形量、轻锤、快打、勤翻转”的原则，当变形量超过20%后，可按正常变形量重锤锻造，坯料开坯锻造阶段的变形量控制在50～75%，终锻温度不得低于850℃。当变形基本结束或者温度较低时，应逐渐减少变形量，以避免产生裂纹。

（23）当变形困难或者温度较低时，需将开坯锻造后的坯料吊回炉内加热150～200min方可进行二次锻造，直至锻造成宽150mm，厚150mm，长为Lmm（L>5000mm）的Ti-6Al-4V钛合金方坯，单根钛合金方坯的重量大于500kg，方坯经高速轧制后即可得到大盘重的Ti-6Al-4V钛合金盘条。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1），包合金包：TC4合金的名义化学成分准备原料；其中，以6.1～6.5wt%计算Al元素的质量百分比；

步骤（2），电极压制：将步骤（1）原料中的海绵钛均分成N份，将除海绵钛以外的其它原料分成N-1份合金包，然后在模具中，从上到下，按照每两份海绵钛之间放置一份合金包进行铺料，接着压制，形成电极块；

步骤（3），焊接一次电极：将步骤（2）压制好的电极块进行烘干，烘干后再进行焊接；焊接电极块时采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式把6～7块电极块焊接成长电极，作为一次自耗电极；

步骤（4），一次装炉及抽真空：将步骤（3）得到的一次自耗电极装入真空自耗炉中，一次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在一次自耗电极顶端平面放颗粒料海绵钛作为起弧料，确定电极装好后进行封炉，封炉完成后分别来启将抽真空至炉内的真空度低于6.7Pa；

步骤（5），一次炉内焊接及抽真空：将一次自耗电极与电极杆连接部分的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：弧电压为25～35V，弧电流为3.0～5.0kA，焊接时间为30～50s；焊接后冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使一次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面放海绵钛作为引弧料，然后封炉，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（6），一次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制5～8min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流仅为正常熔炼的25%～60%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为30～33V，熔炼电弧电流为7.0～8.0KA；正常熔炼期结束后，充氩冷却，出炉，得到一次VAR铸锭；

步骤（7），清洗平头：清洗一次VAR铸锭的表面污物及杂质，然后对清洗后的一次VAR铸锭进行平头处理，将一次VAR铸锭两端头车平；

步骤（8），焊接二次电极：采用炉外等离子氩弧焊的焊接方式将3根一次VAR铸锭焊接在一起形成一根长电极，作为二次自耗电极；

步骤（9），二次装炉及抽真空：将步骤（8）得到的二次自耗电极装入真空自耗炉中，二次自耗电极与真空自耗炉中坩埚间隙不小于30mm；在上平面中心放置海绵钛作为引弧料，封炉后，抽真空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（10），二次炉内焊接及抽真空：将二次自耗电极与电极杆连接的辅助电极焊接牢固；焊接工艺参数：焊接电压为20～30V，焊接电流为2.0～5.0kA，焊接时间为60～90s；焊接完成后冲氩冷却，然后进行炉内放气；调整电极杆的升降，使二次自耗电极的底面在法兰平面之上200mm；在坩埚底平面上放海绵钛做引弧料，然后封炉，抽空至炉内的真空度低于3Pa；

步骤（11），二次引弧熔炼及冷却：起弧后，控制3～6min内使钛液占满全熔池，引弧期的电弧电流为正常熔炼的25%～60%；引弧完成后进入正常熔炼期，正常熔炼期的熔炼电压为32～34V，熔炼电弧电流为9.0～10.0KA；正常熔炼期结束后进行补缩，补缩至铸锭尾部平整光滑；补缩结束后3～5min，充氩冷却，出炉，得到二次VAR铸锭；

步骤（12），扒皮：将二次VAR铸锭自然冷却至室温后进行扒皮处理去除以铸锭表层氧化皮及缺陷，得到TC4钛合金圆光锭；

步骤（13），加热：先将对TC4钛合金圆光锭放于加热炉中进行加热，加热时，以6.4℃/min的升温速率从室温逐渐升温至1000～1200℃，加热温度下允许的最长保温时间应<4h，达到要求的保温时间后将热的光锭坯料吊出锻造，得到用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。

2.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的原料包括铝钒中间合金、海绵钛、铝豆和铝箔。

3.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，将步骤（1）原料中的海绵钛均分成3份，将除海绵钛以外的其它原料分成2份合金包，然后在模具中，从下到上按照海绵钛、合金包、海绵钛、合金包、海绵钛的顺序进行铺料，接着压制，形成电极块；压制过程中，单位压力从0升至18MPa，在18MPa的单位压力下保压15～20s后泄压。

4.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，焊接后冷却时间为10min；步骤（6）中，冷却时间为3h；步骤（10）中，焊接后冷却时间为10min；步骤（11）中，冷却时间为4h。

5.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（5）和步骤（10）中，焊接面积应达到75%以上；步骤（4）和步骤（9）中，起弧料用量均为20g；步骤（5）和步骤（10）中，起弧料用量均为2000g。

6.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（12）中，扒皮处理为车削1～3mm，且车削后的表面粗糙度应小于12.5μm。

7.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（13）中，对TC4钛合金圆光锭进行加热时，TC4钛合金圆光锭的摆放位置应距电阻丝50～70mm，距热电偶200mm以上；锻造采用3t空气锤；锻造后在方坯表面涂刷防氧化涂料。

8.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（11）中，补缩时每5min将电流降低0.5KA，直到将电流降至4KA以下，停止补缩，整个补缩过程需要30～50min。

9.根据权利要求1所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法，其特征在于，步骤（13）中，锻造过程中，当变形量超过20%后，按正常变形量重锤锻造，坯料开坯锻造阶段的变形量控制在50～75%，终锻温度不得低于850℃当变形困难或者温度较低时，需将开坯锻造后的坯料吊回炉内加热150～200min方可进行二次锻造，直至锻造成150方坯，该阶段的终锻温度应高于750℃。

10.权利要求1~9任意一项所述的用于高速轧制大盘重Ti-6Al-4V合金盘条的方坯的制备方法制得的Ti-6Al-4V合金盘条的方坯。