CN113061761A - 一种制备全柱状晶钛合金铸锭的var熔炼方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，将二次VAR熔炼钛合金铸锭作为自耗电极进行再次真空电弧熔炼；在制备过程中，控制进水温度及进水流量，将补缩阶段分为前中后三期进行分阶段降低熔炼电流速率，通过控制铸锭冷却过程及熔池的大小实现提升合金铸锭品质的目的。本发明制备方法能获得纵向全柱状晶，且主元素含量偏差可控制在2000ppm范围以内的钛合金铸锭，有效地改善了钛合金铸锭因横向边、心部组织不均匀而造成锻造火次多、棒材边心部组织不均匀的问题，适用于工业化生产。

Description

一种制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法
技术领域
本发明涉及一种全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，属于有色金属加工领域，适用于生产整锭柱状晶且组织、成分均匀的钛合金工业化铸锭，尤其是一种使用真空自耗电弧炉熔炼的制造方法。
背景技术
钛合金是20世纪五十年代发展起来的一种关键金属材料，因其具有比强度高、耐腐蚀性优良、热强度高等特点，而广泛应用与石油、化工、舰船、冶金等领域，是先进飞机结构件和发动机转动件的首选材料之一。
钛合金VAR(真空电弧熔炼)熔炼时，在常规熔炼工艺下，由于熔池边部冷却快，心部冷却慢的特点，生产的铸锭会存在边部细等轴晶、R/2区域柱状晶和心部等轴晶的特征，造成铸锭边、心部晶粒尺寸差异较大。锻造时，为了将这种不均匀的铸态组织完全破碎且保证棒材边、心部组织均匀，会施加较多的锻造火次，从而造成锻造设备产能下降，棒材成品率较低。因此如何控制VAR熔炼参数和VAR设备参数，获得组织均匀的铸锭也成为了熔炼工作中的技术难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题提出一种制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，通过该制备方法，能获得纵向全柱状晶，且主元素含量偏差可控制在2000ppm范围以内的钛合金铸锭，有效地改善了钛合金铸锭因横向边、心部组织不均匀而造成锻造火次多、棒材边心部组织不均匀的问题，适用于工业化生产。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，其具体步骤如下：
步骤1：将二次VAR熔炼钛合金铸锭作为VAR熔炼的自耗电极置于VAR炉中，将熔化站进水温度设定为15～25℃，熔化站进水流量设置为1000～1200L/min，通过降低坩埚内壁温度、加强熔炼过程中的水冷换热，从而实现增大熔池温度梯度，加快冷却的作用，设置完成后方可起弧熔炼。
步骤2：起弧熔炼，当熔炼进入补缩阶段，补缩前期，当熔炼电流大于8kA时，熔炼电流降低速率为0.5～1.0kA/min，通过快速降低电流，减少熔池输入热量；补缩中期，当熔炼电流在6～8kA之间时，熔炼电流降低速率为0.05～0.1kA/min，通过对该阶段电流进行缓慢保持，达到逐步缓慢抬升熔池、避免断续凝固的目的；补缩末期，电流降低速率为0.2～0.5kA/min，通过适当增大该阶段的电流降低速率，加快缩孔抬升速度，从而避免补缩末期缩孔抬升满产生元素富集、导致铸锭头部成分不均匀的问题。
步骤1中，二次VAR熔炼钛合金铸锭重量为1500～5000kg，规格为Φ360～Φ640mm，成品熔炼坩埚为Φ440～Φ720mm。
步骤1中，将自耗电极置入VAR炉中封炉抽真空，当预真空≤5Pa，漏率≤1.0Pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却45min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空。
步骤1中熔炼参数：熔炼电压范围为28～38V，熔炼电流范围为8～18kA，稳弧电流范围为5～15A交流，稳弧周期范围为3～12s，，熔炼后冷却时间≥6小时。
步骤2中，自耗电极剩余重量为150～350kg时开始补缩。
本发明制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，通过控制进水温度及流速，加强成品熔炼的水冷换热，合理控制成品熔炼参数范围及补缩期电流降低速率，适当减弱稳弧磁场搅拌强度，能够获得整锭全柱状晶且成分高度均匀的钛合金铸锭，解决了钛合金铸锭因凝固组织粗大、不均匀而造成锻造火次偏多的问题。
附图说明
图1，实施例1铸锭纵剖后的低倍腐蚀组织。
图2，实施例2铸锭纵剖后的低倍腐蚀组织。
图3，实施例3铸锭纵剖后的低倍腐蚀组织。
具体实施方式
针对上述技术方案，现结合具体实施例及图示对本发明制备方法进一步描述：
实施例1：
步骤1：将重量为1600kg、规格为Φ440mm的二次VAR熔炼Ti1023合金铸锭装入Φ520mm坩埚，并放置于VAR炉熔化站中进行封炉抽空，将熔化站进水温度设定为18℃，熔化站进水流量设置为1000L/min；
步骤2：当预真空≤5Pa，漏率≤1.0Pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却45min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；
步骤3：当预真空≤1Pa，漏率≤0.6Pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为28～30V，熔炼电流范围为10～14kA，稳弧电流范围为5～10A交流，稳弧周期范围为6～10s。
步骤4：在自耗电极剩余重量为150kg时开始补缩，补缩前期，当电流大于8kA时,电流降低速率为0.5kA/min；补缩中期，当电流在6～8kA之间时，电流降低速率为0.1kA/min；补缩末期，电流降低速率为0.4kA/min，熔炼后冷却时间≥6小时。
将本实施例熔炼的Ti1023合金Φ520mm铸锭沿纵向进行锯切取片，对其纵剖片进行低倍腐蚀观察，参看图1，用来评价铸锭的组织均匀性；在纵剖片上沿边部、R/2、心部进行纵向10点取样用来分析铸锭整体的成分均匀性，结果见表1。
表1实施例1铸锭纵向不同部位的Fe元素含量(wt％)
Figure BDA0002987129350000041
由图1可以看出：使用该工艺制备的Φ520mmn规格Ti1023铸锭沿纵向均由柱状晶组成，且柱状晶尺寸较为均匀、细小；对该铸锭进行纵向成分分析，结果见表1所示，铸锭纵向30点Fe元素极差仅1200ppm，铸锭成分均匀性良好，获得了组织和成分高度均匀的Φ520mmn规格Ti1023铸锭。
本发明的实施例2：
步骤1：将重量为5000kg、规格为Φ640的二次VAR熔炼TC4铸锭装入Φ720mm坩埚，并放置于VAR炉熔化站中进行封炉抽空，将熔化站进水温度设定为25℃，熔化站进水流量设置为1200L/min；
步骤2：当预真空≤5Pa，漏率≤1.0Pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却45min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；
步骤3：当预真空≤1Pa，漏率≤0.6Pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为36～38V，熔炼电流范围为14～18kA，稳弧电流范围为10～14A交流，稳弧周期范围为3～7s。
步骤4：在自耗电极剩余重量为350kg时开始补缩，补缩前期，当电流大于8kA时,电流降低速率为1.0kA/min；补缩中期，当电流在6～8kA之间时，电流降低速率为0.05kA/min；补缩末期，电流降低速率为0.2kA/min，熔炼后冷却时间≥6小时。
将本实施例熔炼的TC4合金Φ720mm铸锭沿纵向进行锯切取片，对其纵剖片进行低倍腐蚀观察，参看图2，用来评价铸锭的组织均匀性；在纵剖片上沿边部、R/2、心部进行纵向10点取样用来分析铸锭整体的成分均匀性，结果见表2。
表2实施例2铸锭纵向不同部位的Al元素含量(wt％)
Figure BDA0002987129350000051
Figure BDA0002987129350000061
由图2可以看出：使用该工艺制备的TC4铸锭沿纵向均由柱状晶组成，且柱状晶尺寸较为均匀、细小；对该铸锭进行纵向成分分析，结果见表2所示，铸锭纵向30点Al元素极差仅1400ppm，铸锭成分均匀性良好，获得了组织和成分高度均匀的Φ720mm规格TC4铸锭。
本发明的实施例3：
步骤1：将重量为3500kg、规格为Φ560mm的二次VAR熔炼Ti1023铸锭装入Φ640mm坩埚，并放置于VAR炉熔化站中进行封炉抽空，将熔化站进水温度设定为20℃，熔化站进水流量设置为1100L/min；
步骤2：当预真空≤5Pa，漏率≤1.0Pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却45min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；
步骤3：当预真空≤1Pa，漏率≤0.6Pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为28～30V，熔炼电流范围为8～12kA，稳弧电流范围为8～13A交流，稳弧周期范围为3～7s。
步骤4：在自耗电极剩余重量为150kg时开始补缩，补缩前期，当电流大于8kA时,电流降低速率为0.5kA/min；补缩中期，当电流在6～8kA之间时，电流降低速率为0.1kA/min；补缩末期，电流降低速率为0.4kA/min，熔炼后冷却时间≥6小时。
将本实施例熔炼的Ti1023合金Φ640mm铸锭沿纵向进行锯切取片，对其纵剖片进行低倍腐蚀观察，参看图3，用来评价铸锭的组织均匀性；在纵剖片上沿边部、R/2、心部进行纵向10点取样用来分析铸锭整体的成分均匀性，结果表3。
表3实施例3铸锭纵向不同部位的Fe元素含量(wt％)
Figure BDA0002987129350000071
由图3可以看出：使用该工艺制备的Φ640mmn规格Ti1023铸锭沿纵向均由柱状晶组成，且柱状晶尺寸较为均匀、细小；对该铸锭进行纵向成分分析，结果见表3所示，铸锭纵向30点Fe元素极差仅1300ppm，铸锭成分均匀性良好，获得了组织和成分高度均匀的Φ640mmn规格Ti1023铸锭。
由以上实施例可知，本发明制备全柱状钛合金铸锭的熔炼方法，制备的钛合金铸锭均由柱状晶组成，且柱状晶尺寸较为均匀、细小；通过对纵向成分分析，成分均匀性良好。
本发明提出的制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，能获得纵向全柱状晶，且主元素含量偏差可控制在2000ppm范围以内的钛合金铸锭，有效地改善了钛合金铸锭因横向边、心部组织不均匀而造成锻造火次多、棒材边心部组织不均匀的问题，适用于工业化生产。

Claims (6)

1.一种制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，其具体步骤如下：
步骤1：将二次VAR熔炼钛合金铸锭作为VAR熔炼的自耗电极置于VAR炉中；将熔化站进水温度设定为15～25℃，熔化站进水流量设置为1000～1200L/min；
步骤2：起弧熔炼，当熔炼进入补缩阶段，补缩前期，当熔炼电流大于8kA时,熔炼电流降低速率为0.5～1.0kA/min；补缩中期，当熔炼电流在6～8kA之间时，熔炼电流降低速率为0.05～0.1kA/min；补缩末期，电流降低速率为0.2～0.5kA/min。
2.根据权利要求1所述的制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，其特征在于步骤1中，二次VAR熔炼钛合金铸锭重量为1500～5000kg，规格为Φ360～Φ640mm，成品熔炼坩埚为Φ440～Φ720mm。
3.根据权利要求1所述的制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，其特征在于步骤1中，将自耗电极置入VAR炉中封炉抽空，当预真空≤5Pa，漏率≤1.0Pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊。
4.根据权利要求3所述的制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，其特征在于步骤1中自耗电极与辅助电极焊接后，冷却45min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空。
5.根据权利要求1所述的制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，其特征在于所述步骤2中熔炼参数：预真空≤1Pa，漏率≤0.6Pa/min，熔炼电压范围为28～38V，熔炼电流范围为8～18kA，稳弧电流范围为5～15A交流，稳弧周期范围为3～12s，，熔炼后冷却时间≥6小时。
6.根据权利要求1所述的制备全柱状晶钛合金铸锭的VAR熔炼方法，其特征在于步骤2中，自耗电极剩余重量为150～350kg时开始补缩。
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