CN113237330B - 一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，包括以下制备步骤：进行配料、压制成设定形状的压块、将压块制成电极配料、上料进入加料室后进行EB熔炼，本发明可有效解决EB锭熔炼过程中，电极棒料切换续接翻落、偏斜、堵料等情况，显著提高钛合金EB锭熔炼过程中进料、熔化控制稳定一致性，从而提高EB锭Al元素成分均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及钛材加工技术领域，具体涉及一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法。
背景技术
钛合金具有比强度高、质轻、耐腐蚀等优点，在航空航天、舰船、武器装备、化工等领域应用广泛。钛合金传统的熔炼方式为真空自耗电弧熔炼（VAR），将原料配料后混料并压制组焊电极，经2~3次VAR熔炼为圆锭，再经锻造打磨后获得轧制板材所需的方坯，但制造工序流程长、损耗大，且高低密度夹杂冶金缺陷去除效果差。电子束熔炼（EB）可一次熔炼直接获得大规格直轧扁锭，具有生产流程短、材料得料率高、生产成本低优点，且由于熔炼真空度高、钛液过热度大、具有精炼作用，可有效去除高低密度夹杂，是一种先进的钛合金熔炼方式。
Al元素是钛合金中添加使用最为广泛的强化合金元素，钛合金EB熔炼过程中熔体温度高达1800~2200℃，真空度高达10-2Pa，而Al与Ti熔炼相差1000℃，且两者饱和蒸汽压相差数倍，因此Al元素极易烧损挥发，任何熔炼过程中不连续或波动现象，均有可能导致Al元素烧损波动，这使得Al元素成为钛合金EB熔炼过程中最难实现烧损稳定控制及均匀化的合金元素之一；此外，与传统多次VAR熔炼相比，采用一次EB熔炼制备钛合金锭坯方法，熔炼过程中无电弧搅拌及多次熔炼，进一步增加了Al元素均匀性控制难度。因此，如何提高Al元素成分均匀性，是目前钛合金EB熔炼急需攻克的核心技术瓶颈，不仅可改善铸锭及后制程加工材质量，对于提高EB锭其它添加合金元素的成分均匀性，也具有示范借鉴意义。
现有钛合金EB锭熔炼技术，多采用与VAR熔炼相同的圆柱形压块及组焊电极棒料方式进料熔炼，在持续熔炼进料多根电极棒料切换续接过程中，极易出现电极棒料尾部翻落熔池、进料偏斜出熔化图形区域，甚至堵料等情况，影响熔化速率和进料一致稳定性，并进一步导致Al元素烧损波动及成分不均匀性。此外，钛合金EB锭熔炼过程中，原料电极棒料切换时存在一定时间间隔，造成切换空挡电子束干烧熔池、切换后流量突增的波动情况，进而影响EB锭Al元素成分均匀性，需要改善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，该方法可有效解决EB锭熔炼过程中，电极棒料切换续接翻落、偏斜、堵料等情况，显著提高钛合金EB锭熔炼过程中进料、熔化控制稳定一致性，从而提高EB锭Al元素成分均匀性。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，包括以下制备步骤：
步骤一、将海绵钛与所需中间合金按配料基准称重，每次混料单元总重量为80~200Kg；
步骤二、将步骤一称重好的每次 混料单元原料，加入混料机中均匀混料，混料时间不低于250~350s；将混料后的每单元原料通过传送带，从混料机出口运送至压块模具型腔内；
步骤三、在油压机上将散料压制成设定形状的压块，压块包括Z型压块本体，该压块本体的前端顶部向外凸起形成上凸部，后端顶部向内凹陷形成与上凸部相配合的上凹部，相邻两个压块本体间可通过上凸部与上凹部交错贴合；
步骤四、将步骤三压制好的若干个压块按长度方向依次摆放，制得电极棒料；
步骤五、将步骤四组得到的电极棒料上料进入加料室；
步骤六、进入加料室后电极棒料的经电子束定位、预热后进行EB熔炼，电极棒料采用自动水平进料模式匀速向前推动，电子束对电极棒料的前端进行熔化；
步骤七、电极棒料推料熔化至推杆极限位置前50~200mm，需要切换下一根电极棒料时，手动快速推至极限位置，将下一根电极棒料与上根电极棒料熔化末端咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，电极棒料切换重复该步骤操作直至熔炼完成。
进一步的，上凸部与上凹部两者在接合处均设置有圆角，且上凹部上设置的圆角大于上凸部上设置的圆角。
进一步的，所述上凸部与上凹部的长度和厚度均相同，其中，长度为40~120mm，厚度为40~200mm。
进一步的，步骤四中压块摆放的方式为：相邻两个压块本体间可通过上凸部与上凹部交错贴合，上凸部与上凹部交错贴合处使用加紧装置压实对中，且接缝处每个面使用等离子焊机进行焊接，焊点的个数不少于3~4。
进一步的，步骤六电极棒料的融化过程为：电极棒料采用自动水平进料模式匀速向前推动，当电极棒料被推杆由进料辊道推动到支撑板上后，电子束对电极棒料的前端进行熔化，融化后的钛液流入融化冷床中。
进一步的，步骤七中电极棒料切换方法为：下一根电极棒料的上凸部压实在上一个电极棒料的熔化末端的上凹部上，且在电极棒料切换过程中电子束熔化区域一直保持有料充分持续熔化状态。
本发明的有益效果主要表现在以下几个方面：本发明通过创新压块及电极棒料形状设计、优化电极棒料切换工艺，提高钛合金EB锭熔炼过程稳定性，进而实现有效提高EB锭Al元素成分均匀性。具体包括：
1、混料后点动连续小批量均匀出料，并通过传送带匀速运送至压块模具型腔内，避免了整体出料以及人工搬运和倾倒引起混料合金成分偏聚分离等风险，提高了原料制备的均匀程度，进而促进熔炼后EB锭Al及其它元素成分均匀性；
2、相比采用传统VAR熔炼使用的圆柱形压块，在EB水平进料中底部接触面积大幅增加，使得电极棒料进料推料过程中平直、稳定，有效避免了电极棒料偏斜、堵料等常见异常，提高了电极棒料进料及熔化过程稳定连续性，进而使得整个钛合金EB熔炼持续过程中Al元素烧损均匀一致，并提高EB锭Al元素均匀性；
3、创新设计压块及组焊电极棒料，压块的纵截面整体呈Z型，相邻两个压块本体间可通过上凸部与上凹部交错贴合，电极棒料之间上下咬合，在电极棒料的熔炼的后段，通过后面电极棒料的咬合力，可保持前面电极棒料料头不会翻落进入熔池，使电极棒料切换及整个熔炼过程中均保持均匀进料及熔化，解决了采用传统圆柱形压块及电极棒料普遍存在的翻落问题，以及由此导致的进料、熔化波动及Al元素烧损不一致技术瓶颈，进而提高EB锭Al元素均匀性；
4、传统熔炼工艺电极棒料切换过程采用正常推料进料速度，但推杆复位、备料电极棒料运送至推杆前需要一定时间，这段时间电子束无原料熔化，只能干烧熔池保持钛液温度，切换电极棒料完成后再持续熔化电极棒料，这就导致整个熔炼过程不持续一致，进而导致Al元素烧损波动；本专利通过优化电极棒料切换工艺，实现了棒料切换过程原料熔化的均匀一致性，使得整个钛合金EB熔炼过程中Al元素烧损均匀一致，从而提高了铸锭Al元素的均匀性；
5、Al元素是钛合金EB熔炼过程中最难实现烧损稳定控制及均匀化的合金元素之一，因此本专利在提高Al元素均匀性同时，对其它V、Sn、Mo、Zr、Fe、Nb等钛合金常见合金元素均匀性，也有改善提升作用。
图1是本发明的实施例1的压块的结构示意图；
图2是本发明的实施例1的电极棒料熔炼时的结构示意图；
图3是对比例1中的压块的结构示意图；
图4是对比例1的电极棒料熔炼时的结构示意图；
图中标记：1、融化冷床，2、钛液，3、电子束，4、熔化末端，5、电极棒料，501、压块本体，502、上凸部，503、上凹部，6、焊点，7、推杆，8、进料辊道，9、支撑板。
具体实施方式
结合附图对本发明实施例加以详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合附图，一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤一、将海绵钛与所需中间合金按配料基准称重，每次混料单元总重量为80~200Kg；
步骤二、将步骤一称重好的每混料单元原料，加入混料机中均匀混料，混料时间不低于250~350s；将混料后的每单元原料通过匀速传送带，从混料机出口均匀运送至压块模具型腔内，混料机出料口为气动阀控制，点动连续小批量均匀出料；
步骤三、在不低于2000T油压机上将散料压制成设定形状的压块，压块包括Z型压块本体501，该压块本体的前端顶部向外凸起形成上凸部，后端顶部向内凹陷形成与上凸部相配合的上凹部，压块本体501呈现为Z形结构；相邻两个压块本体间可通过上凸部与上凹部交错贴合；上凸部与上凹部的长度和厚度均相同，其中，长度为40~120mm，厚度为40~200mm。
步骤四、将步骤三压制好的若干个压块按长度方向依次摆放，制得电极棒料5；压块摆放的方式为：相邻两个压块本体501间可通过上凸部与上凹部交错贴合，上凸部与上凹部交错贴合处使用加紧装置压实对中，且接缝处每个面使用等离子焊机进行焊接，焊点6的个数不少于3~4。
相邻两个压块可通过上凸部与上凹部交错贴合，电极棒料之间上下咬合，在电极棒料的熔炼的后段，通过后面电极棒料的咬合力，可保持前面电极棒料料头不会翻落进入熔池，使电极棒料切换及整个熔炼过程中均保持均匀进料及熔化，解决了采用传统圆柱形压块及电极棒料普遍存在的翻落问题，以及由此导致的进料、熔化波动及Al元素烧损不一致技术瓶颈，进而提高EB锭Al元素均匀性；
步骤五、将步骤四组得到的电极棒料5上料进入加料室；
步骤六、进入加料室后电极棒料5的经电子束3定位、预热后进行正常EB熔炼，使用水平进料模式的电子枪图形工艺，电极棒料采用自动进料模式匀速向前推动，电子束3在电极棒料前端处熔化；电极棒料5的融化过程为：电极棒料5采用自动水平进料模式匀速向前推动，当电极棒料5被推杆7由进料辊道8推动到支撑板9上后，电子束3对电极棒料5的前端进行熔化，融化后的钛液2流入融化冷床1中。
步骤七、电极棒料5推料熔化至推杆7极限位置前50~200mm，需要切换下一根电极棒料5时，手动快速推至极限位置，将下一根电极棒料5与上根电极棒料熔化末端4咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，电极棒料5切换重复该步骤操作直至熔炼完成。电极棒料5切换方法为：下一根电极棒料5的上凸部502压实在电极棒料的熔化末端4的后上凹部503上，且在电极棒料5切换过程中电子束3熔化区域一直保持有料充分持续熔化状态。
压块的总重量最大可至200Kg，尺寸为宽度W，高度H，长度L，压块的纵截面整体呈Z型，在多个压块组合时通过上凸部502 与上凹部503 交错贴合，位于前端顶部的上凸部与位于后端顶部的上凹部的长度均为L0、厚度均为h，两者接合处的两处圆角分别为R1与R2。
其中压块宽度W设计为在进料辊道宽度基础上留出20~70mm间隙，高度H依据进料口高度与压块重量设计确定，长度L依据压块重量设计确定，上凸部502 与上凹部503 的长度L0相同，设计为40~120mm，上凸部50 2 与上凹部503 的厚度h相同，设计为40~200mm，内凹圆角R1设计为20~50mm，外凸圆角R2在R1基础上增加5~10mm。
实施例1
步骤一，将海绵钛与AlV中间合金、Al豆、钛铁合金，按Al=7.5%、V=4.0%、Fe=0.15%配料基准称重，每次混料单元总重量80Kg。
步骤二，将步骤一称重好的每单元原料，通过自动加料或手动加入混料机中均匀混料，混料时间300s；将混料后的每单元原料通过匀速传送带，从混料机出口均匀运送至压块模具型腔内，混料机出料口为气动阀控制，点动连续小批量均匀出料。
步骤三，在不低于2000T油压机上将散料压制成Z形压块，压块包括压块本体，该压块本体的前端顶部向外凸起形成上凸部，后端顶部向内凹陷形成与上凸部相配合的上凹部，相邻两个压块本体间可通过上凸部与上凹部交错贴合，上凸部和上凹部的长度为40mm；
步骤四，将步骤三压制好的压块每5块按长度方向顺序摆放，压块的上凸部压住前面压块的上凹部，使用加紧装置压实对中，接缝处每个面使用等离子焊机焊接3点；
步骤五，将焊好的电极棒料上料进入加料室；
步骤六，经电子束定位、预热后进入正常EB熔炼，使用水平进料模式的电子枪图形工艺，电极棒料采用自动进料模式匀速向前推动，电子束在电极棒料前端处熔化。
步骤七，电极棒料推料熔化至推杆极限位置前50mm，需要切换下一根电极棒料时，手动快速推至极限位置，使电极棒料切换过程4min，前端电子束熔化区域保持有料充分持续熔化状态；下一根电极棒料就位后，与上根电极棒料尾端咬合如图2所示，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，电极棒料切换重复该步骤操作直至熔炼完成，经铣面锯切后，获得名义规格为190*1065*5800mm的TC4钛合金EB锭，对其取样化验Al元素成分，检测结果如表1所示。
对比例1：采用图2所示形状压制圆柱形TC4钛合金压块，并组焊制备电极棒料，EB锭熔炼过程中电极棒料全程采用自动进料模式匀速向前推动，其中熔炼过程切换棒料时，也采用自动进料模式，无实施例步骤七手动电极棒料切换操作，直至整根铸锭熔炼完成。取样进行成分化验，检测结果如表1所示。
表1 TC4钛合金EB锭Al元素检测结果 wt.%
实施例1获得的TC4钛合金EB锭Al元素最低值5.97%，最高值6.23%，成分偏差0.26%，对比例1获得的TC4钛合金EB锭Al元素最低值5.69%，最高值6.46%，成分偏差0.77%，实施例制备的EB锭Al元素成分均匀性要显著优于对比例。
这是由于，实施例电极棒料底部接触面积大幅增加，使得电极棒料进料推料过程平直、稳定，有效避免了电极棒料偏斜、堵料等异常；同时，采用Z形压块电极棒料，可保持前面电极棒料料头不会翻落进入熔池；此外，实施例1优化了电极棒料切换工艺，避免了传统切换工艺切换过程电子束干烧钛液情况，实现了电极棒料切换过程原料熔化的均匀一致性。基于以上几方面改善，实现了钛合金EB锭熔炼过程中进料、熔化、棒料切换的全过程连续稳定，使得整个熔炼过程钛液Al元素烧损均匀一致，从而提高了EB锭Al元素的均匀性。
对比例1由于采用传统圆柱形压块电极棒料，底部接触面积小，电极棒料头尾为平面，实际熔炼过程中，频繁存在电极棒料偏斜、堵料、翻落等异常，且在电极棒料切换过程中存在电子束干烧钛液情况，这就导致钛合金EB锭整个熔炼过程中进料、熔化、棒料切换过程不连续稳定，使得整个过程钛液Al元素烧损也存在较大波动，从而导致最终钛合金EB锭Al元素均匀性较差。
还需要说明的是，在本文中，诸如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (4)
1.一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤一、将海绵钛与所需中间合金按配料基准称重，每次混料单元总重量为80～200Kg；
步骤二、将步骤一称重好的每次 混料单元原料，加入混料机中均匀混料，混料时间不低于250～350s；将混料后的每单元原料通过传送带，从混料机出口运送至压块模具型腔内；
步骤三、在油压机上将散料压制成设定形状的压块，压块包括Z型压块本体，该压块本体的前端顶部向外凸起形成上凸部，后端顶部向内凹陷形成与上凸部相配合的上凹部，相邻两个压块本体间可通过上凸部与上凹部交错贴合；
步骤四、将步骤三压制好的若干个压块按长度方向依次摆放，制得电极棒料；
步骤五、将步骤四组得到的电极棒料上料进入加料室；
步骤六、进入加料室后电极棒料的经电子束定位、预热后进行EB熔炼，电极棒料采用自动水平进料模式匀速向前推动，电子束对电极棒料的前端进行熔化；
步骤七、电极棒料推料熔化至推杆极限位置前50～200mm，需要切换下一根电极棒料时，手动快速推至极限位置，将下一根电极棒料与上根电极棒料熔化末端咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，电极棒料切换重复该步骤操作直至熔炼完成；
步骤四中压块摆放的方式为：相邻两个压块本体间可通过上凸部与上凹部交错贴合，上凸部与上凹部交错贴合处使用加紧装置压实对中，且接缝处每个面使用等离子焊机进行焊接，焊点的个数不少于3～4；
在沿着电极棒料在自动水平进料模式下的匀速向前推动方向上，对于电极棒料中相邻的两个压块而言，位于前侧的压块的上凹部与位于后侧的压块的上凸部交错贴合并焊接；对于相邻的两个电极棒料而言，下一根电极棒料的上凸部压实在上一个电极棒料的熔化末端的上凹部上；
步骤七中电极棒料切换方法为：下一根电极棒料的上凸部压实在上一个电极棒料的熔化末端的上凹部上，且在电极棒料切换过程中电子束熔化区域一直保持有料充分持续熔化状态。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，其特征在于：上凸部与上凹部两者在接合处均设置有圆角，且上凹部上设置的圆角大于上凸部上设置的圆角。
3.根据权利要求2所述的一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，其特征在于：所述上凸部与上凹部的长度和厚度均相同，其中，长度为40～120mm，厚度为40～200mm。
4.根据权利要求1所述的一种提高钛合金EB锭Al元素成分均匀性的方法，其特征在于：步骤六电极棒料的融化过程为：电极棒料采用自动水平进料模式匀速向前推动，当电极棒料被推杆由进料辊道推动到支撑板上后，电子束对电极棒料的前端进行熔化，融化后的钛液流入融化冷床中。
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