CN113802023B - 一种减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种减少Al元素挥发的Ti‑Al基钛合金扁锭熔炼方法，属于钛合金熔炼技术领域。本发明所述方法用单质铝箔包裹合金料，先加入25~40%的海绵钛，再加入单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入剩余的海绵钛，压制成块；在电子束冷床炉的料箱内排布电极块时，按照不同顺序进行布料，底部先加入含有铝箔包裹的合金料包的电极块，上部加入不含有合金料包的电极块。本发明所述方法一方面可以有效的减少Al元素挥发，减少合金损耗，提高产品合格率；另一方面在成本不增加的情况下，获得成分均匀、无宏观偏析以及组织均匀的钛合金扁锭，提高产品品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法，属于钛合金熔炼技术领域。
背景技术
钛的化学活性高，熔点高，性能受到间隙杂质元素和熔炼工艺的影响，一般的熔炼方法难以生产出适合服役于航空航天、海洋工程以及其他工业的合金铸锭。电子束冷床炉熔炼钛合金时只需一次熔炼，能够解决工艺流程长、成本高、成材率低、成分偏析、组织不均匀和高低密度夹杂等问题，成为当前优质钛及钛合金铸锭不可替代的先进熔炼技术。
然而在实际电子束冷床熔炼过程中，由于处于高温高真空条件下，合金元素特别是Al元素的挥发非常严重，Al元素的挥发过程为：Al元素从钛合金熔体内部迁移到钛合金熔体表面的过程；在钛合金熔体表面发生从液相转变为气相的气化反应的过程；挥发的Al元素扩散到气相中去的过程，如图4所示；电子束冷床熔炼过程Al元素挥发的主要影响因素是熔池的表面温度，可由改变扫描工艺参数进行调整；此外，需制定合理的布料方式以及时补充合金元素以减少Al元素挥发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法，具体包括以下步骤：
（1）将所需熔炼的Ti-Al基钛合金的合金成分设定为熔炼名义成分，根据所需熔炼的钛合金成分和重量进行组料；
（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把混匀的海绵钛和合金料进行烘烤；
（3）先加入25~40%的海绵钛，再加入用单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入60~75%的海绵钛，压制成电极块；如果铝的添加量超过铝箔的量，多余的铝与合金混合用单质铝箔包裹。
（4）只用海绵钛压制电极块，不加入铝箔包裹的合金料包；
（5）把加入合金料包的电极块焊接在一起，没有加入合金料包的电极块焊接在一起；
（6）把焊接好的电极块按照顺序加入电子束冷床（EB）炉中进行熔炼：先加入带有合金料的电极块，然后再加入没有合金料包的电极块。
优选的，本发明步骤（2）中烘烤的条件为：温度为100-200℃，烘烤时间为1.5~3h，烘烤的目的是为了排出海绵钛中含有的少量氯气和水分。
优选的，本发明步骤（3）和（4）制备的电极快的质量为100~200 Kg。
优选的，本发明步骤（6）中熔炼条件为：熔炼速度为1000Kg/h，熔炼温度为1900-2100K。
在组料时要挑选成分相近，保存时间相近，产品等级相同的海绵钛。
本发明的原理：发明人发现前人用EB炉熔炼Ti-Al基钛合金时，混完料不压制成块，以散料的形式进行熔炼，然后熔炼过程中由于Al元素挥发较多，需要补加较多的铝豆，并且铸锭成分会有一定程度的不均匀；但是发明人发现通过改变布料方式，用单质铝箔包裹合金料，先加入25~40%的海绵钛，再加入单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入剩余的海绵钛，压制成块；在电子束冷床炉的料箱内排布电极块时，按照不同顺序进行布料，底部先加入含有铝箔包裹的合金料包的电极块，上部加入不含有合金料包的电极块，这样的布料方式在熔炼Ti-Al基钛合金时可以有效减少Al元素的挥发，提高合金成分均匀性。
本发明的有益效果：本发明通过改变传统的布料方式，即用单质铝箔包裹合金料，按照不同顺序进行加料，先加入约30%的海绵钛，再加入单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入剩余的海绵钛，压制成块，可以有效减少Al元素的挥发，提高合金成分均匀性。
附图说明
图1单质铝箔包裹合金料的料包。
图2为压制电极块的加料方式示意图。
图3为电极块的布料方式示意图。
图4为Al元素的挥发过程示意图。
图5是经本发明实施例1焊接在一起的电极块。
图6是经本发明实施例1熔炼得到的扁锭。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭电子束冷床炉熔炼的布料方式，具体步骤如下：
（1）本实施例材料为TC4钛合金，将所需熔炼的合金成分设定为熔炼名义成分：Ti-6Al-4V，然后根据所需熔炼的钛合金成分重量进行组料，分别称取海绵钛、铝箔及铝钒合金，Al含量为7%，V含量为4%，预计熔炼重量约为9800Kg。
（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把海绵钛和合金料进行烘烤，烘烤温度在160℃，烘烤时间为1.5h左右。
（3）用单质铝箔包裹铝钒合金料，如图1所示，按照不同顺序进行加料，先加入比重为30%的0A级海绵钛，再加入合金料包，然后继续加入剩余比重的0A级海绵钛，压制成100Kg的电极块，如图2所示。
（4）再把0A级海绵钛单独压制成电极块。
（5）把步骤（3）与（4）的电极块分别焊接在一起，根据进料系统的尺寸确定把4块电极块焊接在一起。
（6）把焊接好的电极块加入电子束冷床（EB）炉中进行熔炼，料箱中电极块的布料方式如图3所示，由图3可知先加入带有合金料的电极块，然后再加入没有合金料包的电极块，熔炼速度为1000Kg/h，熔炼温度为2000K，熔炼过程中可以根据熔炼具体情况通过散料加料装置添加散料，调整铸锭具体成分，钛扁锭尺寸为长7850 mm×宽1235 mm×厚225mm。
（7）用铣床把扁锭表面氧化皮去除，在扁锭的头部、中部和尾部的边部和心部取样，取样后分析Al、V、Fe、C、N、H、O元素的含量。
把熔炼好的TC4钛合金铸锭进行扒皮，在铸锭的头部，中部和尾部的边部和中心位置取样进行化学成分分析。
熔炼结束后得到的扁锭如图6所示，由图6可知，铸锭没有明显的宏观铸造缺陷。具体化学成分如表1所示，由表1可知该布料方式熔炼得到的铸锭，其化学成分均匀，Al元素挥发较少，没有出现明显的偏析现象，并且成分符合国家标准。
表1 实施例1TC4扁锭化学成分
实施例2
一种减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭电子束冷床炉熔炼的布料方式，具体步骤如下：
（1）本实施例材料为Ti31钛合金，将所需熔炼的合金成分设定为熔炼名义成分：Ti-3Al-1Zr-1Mo-1Ni，然后根据所需熔炼的钛合金成分重量进行组料，分别称取海绵钛、铝箔和铝豆、海绵锆、铝钼合金和镍屑，Al含量为3.5%，Zr含量为1%，Mo含量为1%，Ni含量为1%，预计熔炼重量约为5000Kg。
（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把海绵钛和合金料进行烘烤，烘烤温度在160℃，烘烤时间为1.5h左右。
（3）用单质铝箔包裹合金料(铝豆、海绵锆、铝钼合金和镍屑)，按照不同顺序进行加料，先加入比重为30%的0A级海绵钛，再加入合金料包，然后继续加入剩余比重的0A级海绵钛，压制成100Kg的电极块。
（4）再把0A级海绵钛单独压制成电极块。
（5）把步骤（3）与（4）的电极块分别焊接在一起，根据进料系统的尺寸确定把4块电极块焊接在一起。
（6）把焊接好的电极块加入电子束冷床（EB）炉中进行熔炼，料箱中电极块的布料方式如图3所示，由图3可知先加入带有合金料的电极块，然后再加入没有合金料包的电极块，熔炼速度为1000Kg/h，熔炼温度为2050K，熔炼过程中可以根据熔炼具体情况通过散料加料装置添加散料，调整铸锭具体成分，钛扁锭尺寸为长4000 mm×宽1235 mm×厚225mm。
（7）用铣床把扁锭表面氧化皮去除，在扁锭的头部、中部和尾部的边部和心部取样，取样后分析Al、Zr、Mo、Ni、Fe、C、N、H、O元素的含量。
把熔炼好的TC4钛合金铸锭进行扒皮，在铸锭的头部，中部和尾部的边部和中心位置取样进行化学成分分析。
具体化学成分如表2所示，由表2可知该布料方式熔炼得到的铸锭，Al元素挥发较少，Al元素的质量分数与名义成分相似，化学成分均匀，没有出现明显的偏析现象，并且成分符合国家标准。
表2实施例1TC4扁锭化学成分
对比例实施1
（1）本实施例材料为TC4钛合金，将所需熔炼的合金成分设定为熔炼名义成分：Ti-6Al-4V，然后根据所需熔炼的钛合金成分重量进行组料，分别称取海绵钛、铝豆及铝钒合金，Al含量为7%，V含量为4%，预计熔炼重量约为9000Kg。
（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把海绵钛和合金料进行烘烤，烘烤温度在160℃，烘烤时间为1.5h左右。
（3）把烘烤完的海绵钛和合金料（铝豆及铝钒合金）混合均匀，加入料箱中。
（4）抽真空，在电子束冷床（EB）炉中进行熔炼，熔炼速度为1000Kg/h，熔炼温度为2000K，钛扁锭尺寸为长7190 mm×宽1235 mm×厚225mm。
（5）用铣床把扁锭表面氧化皮去除，在扁锭的头部、中部和尾部的边部和心部取样，取样后分析Al、V、Fe、C、N、H、O元素的含量。
具体化学成分如表3所示，由表3可知该布料方式熔炼得到的铸锭，对比例实施1铸锭的化学成分，Al元素挥发严重，铸锭的部分区域Al元素含量低于国标要求，边部和心部出现明显偏析现象。
表3 对比例实施1 TC4扁锭化学成分
Claims (4)
1.一种减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将所需熔炼的Ti-Al基钛合金的合金成分设定为熔炼名义成分，根据所需熔炼的钛合金成分和重量进行组料；
（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把混匀的海绵钛和合金料进行烘烤；
（3）先加入海绵钛，再加入用单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入海绵钛，压制成电极块，铝箔包裹的合金料包置于电极块的心部靠下位置；
（4）只用海绵钛压制电极块，不加入铝箔包裹的合金料包；
（5）把加入合金料包的电极块焊接在一起，没有加入合金料包的电极块焊接在一起；
（6）把焊接好的电极块按照顺序加入电子束冷床炉中进行熔炼：先加入带有合金料的电极块，然后再加入没有合金料包的电极块；
步骤（3）的具体过程为：先加入25~40%的海绵钛，再加入用单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入60~75%的海绵钛，压制成块。
2.根据权利要求1所述减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法，其特征在于：步骤（2）中烘烤的条件为：温度为100-200℃，烘烤时间为1.5~3h。
3.根据权利要求1所述减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法，其特征在于：电极块的质量为100~200 Kg。
4.根据权利要求1所述减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法，其特征在于：步骤（6）中熔炼条件为：熔炼速度为1000Kg/h，熔炼温度为1900-2100K。
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