CN114227151A - 一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法 - Google Patents

一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钛合金制造领域，具体涉及一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法。该方法主要包括以下步骤：在抛磨处理后的两段棒材的端面心部进行打孔；将两段棒材置于惰性气体保护装置的实验箱内，氧含量低于0.4％；将棒材在实验箱内进行酸洗处理，并将加工好的硬质α夹杂放置孔内；采用氩弧焊技术将棒材沿切割面进行点焊连接，采用电子束焊接进行封焊，焊接深度小于6mm；将焊接连接后的棒材作为熔炼电极，通过真空自耗熔炼制备获得内含缺陷钛合金铸锭；将铸锭进行锻造后，获得内含缺陷的钛合金棒材。本发明制造出内含夹杂的钛合金棒材，系统研究锻造过程中硬质α夹杂的形态、尺寸的变化规律，也为发动机适航取证提供重要的支撑。

Description

一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法
技术领域
本发明属于钛合金制造领域，具体涉及一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法。
背景技术
现代航空发动机的运行数据记录表明，随着科学技术和管理体系的发展和完善，航空发动机有着较高的可靠性和安全性。采用“安全寿命”设计方法之后可以显著提高部件的低周疲劳，航空发动机失效事故显著降低，然而，非包容性事故仍然偶尔发生，这些飞行事故与钛合金构件的冶金质量有着直接的关系，主要是钛合金在熔炼、加工等过程引入缺陷导致的。从1962年至1990年间，美国共有25起飞行事故是由于熔炼工艺导致的钛合金冶金缺陷引起的，其中19起是因为钛合金中的夹杂(硬质α夹杂)缺陷引起的，另外6起是因为成分偏析引起的，显然钛合金中的硬质α夹杂缺陷已经成为钛合金构件材料失效的主要因素之一。
自20世纪末，美国西南研究院在FAA及几大发动机主制造商的支持下，系统开展概率风险评估的理论和方法研究，逐步发展并完善相应的风险评估分析工具，目前该分析方法已获得FAA的认可。近年来，随着民用航空发动机研制的进展，发动机限寿件适航技术研究工作，包括概率风险评估工作逐步获得国内工业界和学术界的重视，国内尚未系统研究缺陷大小及其检测概率等因素对盘件的失效规律进行系统研究，尤其是钛合金棒材内部硬质α夹杂的尺寸及后续加工过程夹杂的形态演变规律尚未明确，目前国内也尚无内含硬质α夹杂钛合金棒材研制的相关报道，无法开展钛合金中缺陷检出概率及其风险评估，成为影响航空发动机的适航认证的关键因素之一。
中国发明专利：一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法(公开号CN110295291A)，该方法包括以下步骤：(1)采用常规真空自耗熔炼技术进行两次熔炼，获得钛合金铸锭；(2)将两次熔炼的铸锭进行锻造，制备成一定规格的棒材；(3)将棒材沿着中部锯切，并对锯切面进行抛磨处理；(4)在切割面处进行钻孔，并将硬质α夹杂放置孔内；(5)采用氩弧焊将切割后的棒材沿着切割面进行焊接，(6)对合金后的钛合金棒材进行一次真空自耗熔炼，获得的铸锭进行锻造即可制备内含硬质夹杂的钛合金棒材。其不足之处在于：(1)由于夹杂在一侧棒材植入，导致在装配时，棒材中心难以对齐，导致后续锻造过程出现界面开裂；(2)由于夹杂在一侧棒材植入，导致在另一侧棒材处界面结合不均匀，导致后续无法开展界面组织研究；(3)由于棒材端面为进行酸洗工艺，导致热压后界面存在明显的分层结构，降低了组织均匀性和界面的力学性能。
发明内容
为了满足目前国内航空发动机适航认证的需要，本发明的目的是提供一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，采用该方法可以制造出内含夹杂的钛合金棒材，同时可以系统研究锻造过程中硬质α夹杂的形态、尺寸的变化规律，也为发动机适航取证提供重要的支撑。
本发明的技术方案是：
一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭熔炼：采用常规真空自耗熔炼技术进行两次熔炼，获得钛合金铸锭；
(2)钛合金棒材锻造：将两次熔炼的铸锭进行锻造，锻造成棒材，并将棒材表面进行修磨，去除表面的氧化皮；
(3)钛合金棒材切割：沿长度方向将棒材平均锯切成两段，并对切割面进行抛磨处理；
(4)棒材端面打孔：在抛磨处理后的两段棒材的端面心部进行打孔，保证缺陷完全植入孔内；
(5)将两段棒材置于带气体保护装置的实验箱内，并充入惰性保护气体，使氧含量降低至0.4wt％以下；
(6)将抛磨处理后的两段棒材端面在实验箱内进行酸洗处理，去除表面氧化物，并将加工好的硬质α夹杂放置孔内；
(7)棒材焊接：首先采用氩弧焊技术将棒材沿切割面进行点焊连接，确保两段棒材固定，随后采用电子束焊接将切割面外围密封，焊接深度小于6mm，且保证棒材内部处于真空状态；
(8)内含缺陷铸锭熔炼：将焊接连接后的棒材作为熔炼电极，通过真空自耗熔炼制备获得内含缺陷钛合金铸锭；
(9)将铸锭进行锻造后，获得内含缺陷的钛合金棒材。
所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，步骤(1)中，铸锭规格
Figure BDA0003375754130000021
Figure BDA0003375754130000022
所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，步骤(2)中，棒材直径为
Figure BDA0003375754130000031
所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，步骤(3)中，抛磨处理后的表面粗糙度Ra≤3.6μm。
所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，步骤(4)中，孔径尺寸范围0.5mm～1.5mm，孔深度0.5～1.5mm。
所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，步骤(7)中，焊接深度优选为3～5mm。
本发明的设计思想是：
本发明首次提出采用熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，首先制备氮含量精确控制的氮化钛材料，然后机加工成固定的尺寸，最后通过熔炼法制备出内含硬质夹杂的钛合金棒材，可以确保棒材内部氮化钛缺陷的成分及尺寸当量。其中：
在抛磨处理后的两段棒材的端面心部进行打孔，保证缺陷完全植入孔内，其作用在于：在满足夹杂植入的前提下，通过夹杂缺陷的植入一方面可以保证棒材的装配精度，另一方面便于研究界面组织变化。
将两段棒材置于带气体保护装置的实验箱内，并充入惰性保护气体，使氧含量降低至0.4wt％以下，其作用在于：降低界面处的氧含量，防止因氧含量过高导致界面开裂。
将抛磨处理后的两段棒材端面在实验箱内进行酸洗处理，去除表面氧化物，其作用在于：消除界面污染物，防止界面开裂。
在进行棒材焊接时，首先采用氩弧焊技术将棒材沿切割面进行点焊连接，确保两段棒材固定，随后采用电子束焊接将切割面外围密封，焊接深度小于6mm，且保证棒材内部处于真空状态，其作用在于：减小焊缝深度，降低母材与焊缝处力学性能差异，避免后续锻造过程中发生开裂现象。
本发明的优点及有益效果在于：
(1)采用本发明提供的方法，可以通过熔炼制备获得内含硬质α夹杂钛合金棒材，为缺陷形态变化规律、缺陷检出概率的研究奠定基础，为航空发动机适航认证提供技术支持；
(2)本发明不受钛合金材料的限制，可应用于航空发动机所涉及的多种牌号钛合金棒材的制备。
(3)与中国发明专利：一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法(公开号CN110295291A)相比，本发明可实现界面良好的结合，有效防止上述专利中由于工艺不当导致的界面失稳开裂现象，保证后续工艺和研究的顺利进行。
附图说明
图1为棒材切割及熔炼后铸锭的示意图。其中，(a)为棒材切割图，(b)为熔炼后铸锭图。
图2为二次熔炼后棒材切割及端面打孔图。
图3为本发明应用例中缺陷对疲劳性能的影响规律图。图中，横坐标N代表疲劳循环周次(cycles)，纵坐标σmax代表载荷强度(MPa)。其中，序号1：No inclusion，R0＝0.5，表示应力比为0.5时的测试结果；序号2：No inclusion，R0＝0.1，表示应力比为0.1时的测试结果；序号3：No inclusion，R0＝-1，表示应力比为-1时的测试结果(以上三方面数据来自于钛合金材料手册)；序号4：No inclusion，R0＝-1，表示实际测量的应力比为-1时的结果；序号5：Buried inclusion，R0＝-1，表示应力比为-1时内部缺陷的测试结果；序号6：Surface inclusion，R0＝-1，表示应力比为-1时表面缺陷的测试结果。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明方法熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭熔炼：采用常规真空自耗熔炼技术进行两次熔炼，获得钛合金铸锭(铸锭规格
Figure BDA0003375754130000041
)；
(2)钛合金棒材锻造：将两次熔炼的铸锭进行锻造，锻造成直径为
Figure BDA0003375754130000042
的棒材，并将棒材表面进行修磨，去除表面的氧化皮；
(3)钛合金棒材切割：沿长度方向将棒材平均锯切成两段，并对切割面进行抛磨处理，表面粗糙度Ra≤3.6μm，见图1(a)；
(4)棒材端面打孔：在抛磨处理后的两段棒材的端面心部进行打孔孔径尺寸范围0.5mm～1.5mm，孔深度0.5～1.5mm，保证缺陷完全植入孔内；
(5)将两段棒材置于带气体保护装置的实验箱内，并充入惰性保护气体，使氧含量降低至0.4wt％以下；
(6)将抛磨处理后的两段棒材端面在实验箱内进行酸洗处理，去除表面氧化物，并将加工好的硬质α夹杂放置孔内，见图2；
(7)棒材焊接：首先采用氩弧焊技术将棒材沿切割面进行点焊连接，确保两段棒材固定，随后采用电子束焊接将切割面外围密封，焊接深度小于6mm，且保证棒材内部处于真空状态；
(8)内含缺陷铸锭熔炼：将焊接连接后的棒材作为熔炼电极，通过真空自耗熔炼制备获得内含缺陷钛合金铸锭，见图1(b)；
(9)将铸锭进行锻造后，获得内含缺陷的钛合金棒材。
下面，通过具体实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例：
本实施例中，熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭熔炼：采用常规真空自耗熔炼技术进行两次熔炼，获得钛合金铸锭(铸锭规格
Figure BDA0003375754130000051
)，三组实验的钛合金牌号分别为：TC4合金、TC11合金和Ti60合金；
(2)钛合金棒材锻造：将两次熔炼的铸锭进行锻造，锻造成直径为
Figure BDA0003375754130000052
的棒材，并将棒材表面进行修磨，去除表面的氧化皮；
(3)钛合金棒材切割：取三组锻造后的棒材，分别沿长度方向将棒材平均锯切成两段，并对切割面进行抛磨处理，表面粗糙度Ra均为3.2μm，见图1(a)；
(4)棒材端面打孔：在抛磨处理后的两段棒材的端面心部进行打孔孔径尺寸分别为0.5mm、0.8mm、1mm，孔深度分别为0.6mm、0.9mm、1.1mm，保证缺陷完全植入孔内；
(5)将两段棒材置于带气体保护装置的实验箱内，并充入惰性保护气体，使氧含量分别降低至0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％；
(6)将抛磨处理后的两段棒材端面在实验箱内进行酸洗处理，去除表面氧化物，并将加工好的硬质α夹杂放置孔内，见图2；
(7)棒材焊接：首先采用氩弧焊技术将棒材沿切割面进行点焊连接，确保两段棒材固定，随后采用电子束焊接将切割面外围密封，焊接深度分别为1mm、3mm、5mm，且保证棒材内部处于真空状态；
(8)内含缺陷铸锭熔炼：将焊接连接后的棒材作为熔炼电极，通过真空自耗熔炼制备获得内含缺陷钛合金铸锭，见图1(b)；
(9)将铸锭进行锻造后，获得内含缺陷的钛合金棒材。
应用例
如图3所示，采用实施例获得内含缺陷的钛合金棒材开展了WZ-16发动机试样级和部件级的性能考核试样，明确了缺陷对试样力学性能的影响规律如下：当载荷一定时，表面缺陷疲劳寿命约为5万周次低于内部缺陷的9万周次；当疲劳寿命一定时，表面缺陷载荷仅为240MPa，而内部缺陷样品载荷为300MPa。
另外，以上所述，仅是本发明中实施例的部分代表而已，不能以此局限本发明之权利范围。对于本领域的研究人员而言，所述的内含硬质α夹杂钛合金盘件制造方法还可应用于其他牌号的钛合金材料及其他金属材料(如：高温合金、钢等)。因此，依本发明的技术方案和技术思路做出其它各种相应的改变和变形，仍属于本发明所涵盖的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭熔炼：采用常规真空自耗熔炼技术进行两次熔炼，获得钛合金铸锭；
(2)钛合金棒材锻造：将两次熔炼的铸锭进行锻造，锻造成棒材，并将棒材表面进行修磨，去除表面的氧化皮；
(3)钛合金棒材切割：沿长度方向将棒材平均锯切成两段，并对切割面进行抛磨处理；
(4)棒材端面打孔：在抛磨处理后的两段棒材的端面心部进行打孔，保证缺陷完全植入孔内；
(5)将两段棒材置于带气体保护装置的实验箱内，并充入惰性保护气体，使氧含量降低至0.4wt％以下；
(6)将抛磨处理后的两段棒材端面在实验箱内进行酸洗处理，去除表面氧化物，并将加工好的硬质α夹杂放置孔内；
(7)棒材焊接：首先采用氩弧焊技术将棒材沿切割面进行点焊连接，确保两段棒材固定，随后采用电子束焊接将切割面外围密封，焊接深度小于6mm，且保证棒材内部处于真空状态；
(8)内含缺陷铸锭熔炼：将焊接连接后的棒材作为熔炼电极，通过真空自耗熔炼制备获得内含缺陷钛合金铸锭；
(9)将铸锭进行锻造后，获得内含缺陷的钛合金棒材。
2.按照权利要求1所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤(1)中，铸锭规格
Figure FDA0003375754120000011
3.按照权利要求1所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤(2)中，棒材直径为
Figure FDA0003375754120000012
4.按照权利要求1所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤(3)中，抛磨处理后的表面粗糙度Ra≤3.6μm。
5.按照权利要求1所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤(4)中，孔径尺寸范围0.5mm～1.5mm，孔深度0.5～1.5mm。
6.按照权利要求1所述的熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤(7)中，焊接深度优选为3～5mm。
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