CN113293310A - 钛合金单块电极、钛合金铸锭及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种成分均匀的钛合金单块电极，包括至少两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低；以及钛合金铸锭及提高钛合金铸锭铁成分均匀性的制备方法，本发明中，单块电极配料混料时，通过分层添加不同含量铁元素，使单个电极块内部及部分电极块之间存在略微的铁元素不均匀性，为熔炼时铁元素的移动预留余量，从而使熔炼后铸锭内铁元素均匀性好。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金制备技术领域，尤其涉及一种钛合金单块电极、钛合金铸锭及制备方法。
背景技术
钛合金熔炼中铁元素作为一种低成本合金元素加入，铁元素不仅可以提高合金强度还能改良合金塑性。但铁是一种正偏析（正偏析：即Fe在钛合金中有很大的结晶偏析倾向，导致铸锭轴向上部和径向心部铁含量偏高）元素，在铸锭熔炼中存在局部偏析的问题。
中国专利 CN 109777980 A 公开了一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法，该发明主要分为两个步骤：（1）使用含铁的中间合金Al-V-Fe、Ti-Fe作为铁元素的添入方法；（2）含铁的中间合金使用铝箔做成合金包；（3）采用边缘反偏析布料方法布料；（4）重复电极布料压制过程；（5）进行真空自耗熔炼熔化成铸锭。该专利采用中间合金进行铁元素添加，同时采用合金包的方式人工布料，熔炼成本较高且效率相对较低，不能还好的降低铸锭成本。
中国专利 CN 111057887 A 公开的是一种航空液压管用高均匀TA18钛合金铸锭的制备方法，该方法为：一、使用铝铁中间合金，且保证中间合金铁的偏差小于800ppm；二、单块电极混料压制电极；三、采用真空自耗电弧炉三次熔炼，控制电流电压熔速，最终铁元素偏差小于60ppm。该方法成分均匀性控制较好，但对中间合金和海绵钛要求极高，对于低端产品原料成本较高，不易推广使用。
中国专利 CN 110527843 A 公开了一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法，本发明，提供一种高铌钛合金均质铸锭的制备方法。本发明按照如下步骤制成钛合金铸锭的：（1）铌原料制备：将铌屑破碎后真空退火处理；（2）铌屑和海绵钛先进行混合均匀；（3）布料，上下两层使用海绵钛，中间加入（2）中混合好的料；（4）电极压制成型。本发明优点制备的高铌钛合金均质铸锭中铌的质量百分数不小于40％，实现了具有 高含量难熔金属铌的铌钛合金的有效制备，制备出的高铌钛合金均质铸锭中各合金成分分 布均匀、波动较小，且无铌夹杂等缺陷，满足工业化生产对高铌钛合金均质铸锭成分分布均匀性的要求。 该发明专利将高熔点金属集中到单块电极中间，造成铌屑过于集中，在熔炼过程高熔点的铌，会形成铌的富集，造成冶金问题。
CN202010223572.1的专利中，虽然公开了加入铁的方法，然而由于该专利中铁丝的加入位置和方式只在铸锭的表面，造成熔炼后铸锭表面铁含量高，而径向方向内铁含量仍然不均匀。
发明内容
有必要提出一种钛合金单块电极、钛合金铸锭及制备方法。
一种成分均匀的钛合金单块电极，包括至少两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低。
一种成分均匀的钛合金铸锭，所述铸锭由若干个电极单体叠放形成，所述电极单体由两个单块电极对称设置形成。
一种提高钛合金铸锭铁成分均匀性的制备方法，包括以下步骤：
配置单块电极压制料：将单块电极至少分割为两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低；
压制单块电极：将铁含量由高到低的压制料依次从边缘向中心位置布置于模具内，利用压力机压制成型；
将两个单块电极对称设置，形成电极单体，将若干个电极单体顺序叠放，置于熔炼炉内熔炼。
本发明中，单块电极配料混料时，通过分层添加不同含量铁元素，使单个电极块内部及部分电极块之间存在略微的铁元素不均匀性，为熔炼时铁元素的移动预留余量，从而使熔炼后铸锭内铁元素均匀性好。
附图说明
图1-4为四种实施例的单块电极的示意图。
图5为一种实施例单块电极形成电极单体的截面示意图。
图6为12块单块电极形成电极的主视示意图。
图7-9为三种实施例的成型模具的示意图。
图10-12为三种辅助模具的示意图。
图13-16为几种实施例的示意图。
图中：单块电极10、单块电极10-A、单块电极10-B、单块电极10-C、第一层压制料11、第二层压制料12、劣弧形121、长方形122、规则凹槽形123、电极单体20、钛合金铸锭30、头部段31、尾部段32、成型模具41、成型模具42、成型模具43、辅助模具51、辅助模具52、辅助模具53。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参见图1，本发明实施例提供了一种成分均匀的钛合金单块电极10，包括至少两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低。
进一步，包括两层压制料，靠近边缘位置为第一层压制料11，靠近中心位置为第二层压制料12，第一层压制料11中铁含量高于目标值（目标值为钛合金铸锭设计时成分要求铁含量的数值）5～15%，第二层压制料12中铁含量低于目标值5～15%。
在具体实施例中，第一层压制料中铁的加入量高于目标值的具体数值为5～15%中的任何数值，例如5%、5.5%、6%、7%、10%、14%、15%以及这些数值之间的数值。同理，第二层压制料中铁的加入量低于目标值的具体数值也为5～15%中的任何数值。
进一步，所述成分均匀的钛合金单块电极10-A、10-C，第二层压制料压制后的形状为劣弧形121（如图2）或长方形122（如图4），第一层压制料压制后的形状为与第二层压制料互补的形状。在压制时，可以采用辅助模具操作，压制前，由于物料呈松散状态，且海绵钛的存在，导致物料形状处于待确定的状态，而辅助模具就是形成第二层压制料形状的模具，先将第二层压制料铺洒在成型模具内部，然后使用辅助模具压制，使第二层压制料的表面形成预设形状，之后取出辅助模具，然后，再将第一层压制料铺洒在预设形状内部，第三步将成型模具放置在压力机内，施压，形成单块电极。
进一步，成分均匀的钛合金单块电极10-B，第二层压制料压制后的形状为规则凹槽形123（如图3），第一层压制料压制后的形状为与第二层压制料互补的形状。
参见图5、6，本发明还提出一种成分均匀的钛合金铸锭30，所述铸锭由若干个电极单体20叠放形成，所述电极单体20由两个单块电极对称设置形成。
进一步，所述铸锭包括头部段31和尾部段32，所述头部段由若干个电极单体叠放形成，所述电极单体由两个单块电极对称设置形成，所述尾部段的电极单体中铁含量低于头部段的电极单体中铁含量。
进一步，所述尾部段的电极单体中铁含量低于头部段的电极单体中铁含量3～10%。
本发明还提出一种提高钛合金铸锭铁成分均匀性的制备方法，包括以下步骤：
配置单块电极压制料：将单块电极至少分割为两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低；其中的压制料为已经按照工艺要求配置完成的料，包括海绵钛及其他合金，且已预先混合均匀。
压制单块电极：将铁含量由高到低的压制料依次从边缘向中心位置布置于模具内，利用压力机压制成型；
将两个单块电极对称设置，形成电极单体，将若干个电极单体顺序叠放，置于熔炼炉内熔炼。
进一步，将单块电极对称分割为第一层压制料、第二层压制料，所述第一层压制料、第二层压制料，靠近边缘位置为第一层压制料，靠近中心位置为第二层压制料，第一层压制料在配料时，铁的加入量高于目标值5～15%，第二层压制料在配料时，铁的加入量低于目标值5～15%。
进一步，配置单块电极压制料：将单块电极至少分割为两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低；
压制单块电极：将铁含量由高到低的压制料依次从边缘向中心位置布置于模具内，利用压力机压制成型；具体一种实施例中，在压制时，可以采用辅助模具操作，压制前，由于物料呈松散状态，且海绵钛的存在，导致物料形状处于待确定的状态，而辅助模具就是形成第二层压制料形状的模具，先将第二层压制料铺洒在成型模具内部，然后使用辅助模具压制，使第二层压制料的表面形成预设形状，之后取出辅助模具，然后，再将第一层压制料铺洒在预设形状内部，第三步将成型模具放置在压力机内，施压，形成单块电极。
为了使第二层压制料形成不同形状的槽型，可以制作不同形状的辅助模具（如图10-12中的辅助模具51、辅助模具52、辅助模具53），且不同形状的辅助模具与成型模具（如图7-9中的成型模具41、成型模具42、成型模具43）可以搭配使用，附图中只是给出了几种搭配的实例，并不代表，其他种方式不可以搭配使用，可以根据实际要压制成型的铸锭截面形状搭配使用不同的辅助模具。
将两个单块电极对称设置，形成电极单体，将若干个电极单体顺序叠放，形成头部段，再将铁含量低于所述头部段的电极单体顺序叠放，形成尾部段，并与头部段对接，然后置于熔炼炉内熔炼，熔炼时，先将头部段向上设置，完成一次熔炼，然后旋转180度，使头部段位于底部，尾部段位于顶部，完成二次熔炼。
该步骤中，叠放后，相邻电极之间采用真空等离子焊箱焊接，焊接电流385～405A。
熔炼时，采用真空自耗电弧炉进行熔炼，一次熔炼，熔炼前电弧炉真空≤5Pa，熔炼电压(30～36)V， 熔炼电流(10～17)kA，漏气率控制在0.9Pa/min以下，稳弧电流采用直流(5～20)A，熔炼后 冷却时间≥4小时； 二次熔炼，将平头处理的一次铸锭掉头熔炼，熔炼前电弧炉真空≤3Pa，熔炼电压(30～36)V， 熔炼电流(15～20)kA，漏气率控制在0.6Pa/min以下，稳弧电流采用交流(5～20)A，熔炼后 冷却时间≥4小时。
本方案，将头部段中的电极设置为铁含量较高，且一次熔炼时，将铁含量高的头部电极向上设置，熔炼过程中，使部分铁在重力作用下向下移动，从而使整个铸锭在轴向方向铁含量趋于均匀。
实施例1
采用图1所示的单块电极按照上述工艺条件形成电极图6后，对熔炼后铸锭（如图13、14）的各个位置铁含量检测分析得到以下数据。其中轴向方向，检测头部、1/2头部、中部、1/2尾部、尾部五个点的铁含量，径向方向内，检测头部端面上圆心处、1/2圆心处、边缘处三个点的铁含量。以下表格可知，轴向方向内、径向方向内铁含量均均匀稳定，偏差在0.04%以内
| 检测部位 | 铁含量（wt%） |
| 头部 | 0.088 |
| 1/2头部 | 0.096 |
| 中部 | 0.106 |
| 1/2尾部 | 0.117 |
| 尾部 | 0.122 |
| 圆心处 | 0.128 |
| 1/2圆心处 | 0.112 |
| 边缘处 | 0.106 |
实施例2
采用图2所示的单块电极形成电极图6后，对熔炼后铸锭（如图15）的各个位置铁含量检测分析得到以下数据。以下表格可知，轴向方向内、径向方向内铁含量均均匀稳定，偏差在0.03%以内：
| 检测部位 | 铁含量（wt%） |
| 头部 | 0.091 |
| 1/2头部 | 0.098 |
| 中部 | 0.102 |
| 1/2尾部 | 0.113 |
| 尾部 | 0.117 |
| 圆心处 | 0.122 |
| 1/2圆心处 | 0.11 |
| 边缘处 | 0.107 |
实施例3
采用图3所示的单块电极形成电极图6后，对熔炼后铸锭（如图16）的各个位置铁含量检测分析得到以下数据。以下表格可知，轴向方向内、径向方向内铁含量均均匀稳定，偏差在0.025%以内：
| 检测部位 | 铁含量（wt%） |
| 头部 | 0.095 |
| 1/2头部 | 0.104 |
| 中部 | 0.104 |
| 1/2尾部 | 0.108 |
| 尾部 | 0.111 |
| 圆心处 | 0.120 |
| 1/2圆心处 | 0.109 |
| 边缘处 | 0.105 |
本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
以上所揭露的仅为本专利文件较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种成分均匀的钛合金单块电极，其特征在于：包括至少两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低。
2.如权利要求1所述的成分均匀的钛合金单块电极，其特征在于：包括两层压制料，靠近边缘位置为第一层压制料，靠近中心位置为第二层压制料，第一层压制料中铁含量高于目标值5～15%，第二层压制料中铁含量低于目标值5～15%。
3.如权利要求2所述的成分均匀的钛合金单块电极，其特征在于：第二层压制料压制后的形状为劣弧形或长方形，第一层压制料压制后的形状为与第二层压制料互补的形状。
4.如权利要求3所述的成分均匀的钛合金单块电极，其特征在于：第二层压制料压制后的形状为规则凹槽形，第一层压制料压制后的形状为与第二层压制料互补的形状。
5.一种成分均匀的钛合金铸锭，其特征在于：所述铸锭由若干个电极单体叠放形成，所述电极单体由两个单块电极对称设置形成。
6.如权利要求5所述的成分均匀的钛合金铸锭，其特征在于：所述铸锭包括头部段和尾部段，所述头部段由若干个电极单体叠放形成，所述电极单体由两个单块电极对称设置形成，所述尾部段的电极单体中铁含量低于头部段的电极单体中铁含量。
7.如权利要求6所述的成分均匀的钛合金铸锭，其特征在于：所述尾部段的电极单体中铁含量低于头部段的电极单体中铁含量3～10%。
8.一种提高钛合金铸锭铁成分均匀性的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
配置单块电极压制料：将单块电极至少分割为两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低；
压制单块电极：将铁含量由高到低的压制料依次从边缘向中心位置布置于模具内，利用压力机压制成型；
将两个单块电极对称设置，形成电极单体，将若干个电极单体顺序叠放，置于熔炼炉内熔炼。
9.如权利要求8所述的提高钛合金铸锭铁成分均匀性的制备方法，其特征在于：
将单块电极对称分割为第一层压制料、第二层压制料，所述第一层压制料、第二层压制料，靠近边缘位置为第一层压制料，靠近中心位置为第二层压制料，第一层压制料在配料时，铁的加入量高于目标值5～15%，第二层压制料在配料时，铁的加入量低于目标值5～15%。
10.如权利要求8所述的提高钛合金铸锭铁成分均匀性的制备方法，其特征在于：
配置单块电极压制料：将单块电极至少分割为两层压制料，至少两层压制料依次从外侧向内侧布置，内侧靠近中心位置，外侧靠近边缘位置，从外侧向内侧的至少两层压制料中铁的加入量逐渐降低；
压制单块电极：将铁含量由高到低的压制料依次从边缘向中心位置布置于模具内，利用压力机压制成型；
将两个单块电极对称设置，形成电极单体，将若干个电极单体顺序叠放，形成头部段，再将铁含量低于所述头部段的电极单体顺序叠放，形成尾部段，并与头部段对接，然后置于熔炼炉内熔炼，熔炼时，先将头部段向上设置，完成一次熔炼，然后旋转180度，使头部段位于底部，尾部段位于顶部，完成二次熔炼。
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| CN202110467628.2A Pending CN113293310A (zh) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | 钛合金单块电极、钛合金铸锭及制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN103773969A (zh) * | 2013-12-25 | 2014-05-07 | 西安西工大超晶科技发展有限责任公司 | 一种含钽的钛合金真空自耗熔炼用电极的制备方法 |
| CN109777980A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-05-21 | 陕西天成航空材料有限公司 | 一种降低高铁成分钛合金铸锭偏析的方法 |
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| CN112458305A (zh) * | 2020-10-27 | 2021-03-09 | 新疆湘润新材料科技有限公司 | 一种大规格tc4钛合金铸锭的制备方法 |
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2021
- 2021-04-28 CN CN202110467628.2A patent/CN113293310A/zh active Pending
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