CN115537589B - 一种用于钛合金铸锭的eb炉与var炉双联熔炼方法 - Google Patents

Abstract

一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法，采用一次EB+一次VAR的熔炼方法，先EB熔炼出扁锭并对扁锭进行锯切、然后组配电极并组焊电极，最后进行VAR熔炼，兼具EB熔炼和VAR熔炼两种方式的优点。通过对锯切后扁锭的元素含量进行计算和搭配，能够提升组配电极的元素均匀性，将原本元素含量波动较大的EB熔炼扁锭重新组合成多个元素含量较为均匀的VAR电极，VAR熔炼后就能得到多个化学成分均匀的钛合金铸锭，利用原始扁锭宽度方向的高均匀性特点以及搭配组合过程中的干预设计，大幅提高铸锭的化学成分均匀性，避免铸锭内部夹杂，显著提高铸锭质量。

Description

一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法

技术领域

本发明涉及钛合金铸锭熔炼领域，尤其涉及一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法。

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。VAR熔炼由于凝固方式的限制，去除夹杂能力有限，不能有效消除铸锭中高低密度夹杂缺陷，往往单次熔炼不能满足高性能钛合金结构件需求，因此一般进行多次熔炼。

电子束熔炼（EB）的冷床结构中将熔化、精炼和坩埚分开，热源电子枪可以控制能量和扫描范围，过热度高、真空度高，冷床凝壳具备捕获高密度夹杂的作用，高低密度夹杂去除效果好，但EB熔炼在合金元素均匀性控制方面不及VAR熔炼。此外，VAR熔炼多为圆锭，能耗低、操作简单，在行业中最为普及，而EB熔炼可生产圆锭或直接生产扁锭，扁锭铣面后获得方坯，流程短、损耗小、成本低。

目前进行高品质钛合金铸锭制备的现有技术通常为多次VAR熔炼制备，采用一次EB熔炼圆锭之后进行VAR熔炼路线的EB+VAR双联熔炼制备钛合金铸锭的工艺目前仍未成熟应用。多次VAR熔炼存在高低密度夹杂难以去除的问题，常规EB熔炼方式熔炼铸锭的成分均匀性较差，若采用EB熔炼圆锭后直接进行VAR熔炼，初次EB熔炼后的成分波动无法通过后续VAR熔炼改善，使得该路线的铸锭质量结果不及传统多次VAR熔炼路线，因此一次EB圆锭+VAR熔炼的工艺路线难以解决EB熔炼成分均匀性差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法，提升钛合金铸锭的化学成分均匀性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法，包括以下步骤：

步骤一、EB熔炼

将钛合金原料送入EB炉内进行EB熔炼，得到长条状矩形体扁锭；

步骤二、锯切

对步骤一获得的扁锭沿长度方向进行间隔取样，根据钛合金的成分选取多种元素，对取样区域内所选取的各种元素的含量进行成分检测，分别得到扁锭沿长度方向的多种不同元素含量各自的波动范围，选取波动数值最大的一种元素作为主要元素，根据主要元素沿扁锭长度方向的含量波动，将扁锭锯切成多块矩形体小节，并设定出多条具有不同数值的主要元素含量标准线，然后根据多条主要元素含量标准线的数值，将多块矩形体小节依据主要元素含量的不同划分为从-m到m的总计2m类，m为不等于0的整数；

步骤三、组配电极

将步骤二获得的多块矩形体小节分别搭配组合成多个用于VAR熔炼的电极，组合时将分类为-a和a的矩形体小节进行组合，a取值为1，2，3…m；

组合后分别计算多个电极的主要元素含量，计算公式为：

Q(x)=(Q1*W1+…+Qn*Wn) / (W1+…+Wn)；

其中x为该电极在多个电极中的数字编号，n为组成该电极的矩形体小节的数量，Q(x)为该电极的主要元素含量，Q1…Qn分别为n块矩形体小节的主要元素含量，W1…Wn分别为n块矩形体小节的长度；

然后计算多个电极的主要元素含量相互之间的最大差值，并与设定的主要元素含量波动值进行对比，当最大差值超出设定的主要元素含量波动值时，重新对多块矩形体小节进行搭配组合，并重新计算组合后的多个电极的主要元素含量和最大差值，直至最大差值不超出设定的主要元素含量波动值，完成多个电极的组配；

步骤四、组焊电极

对步骤三组配后的多个电极分别进行组焊，得到多个用于VAR熔炼的电极；

步骤五、VAR熔炼

对步骤四组焊后的多个电极分别进行VAR熔炼，机加工后即得到钛合金铸锭。

优选的，步骤一中，控制EB炉内真空度在0.2Pa以内，熔化区域的过热度在400℃以上，精炼区域尺寸在200mm×1000mm以上，使用的坩埚为矩形坩埚，坩埚尺寸为（200~350）mm×（1000~1500）mm。

优选的，步骤二中，相邻两个取样区域沿扁锭长度方向的间隔不超过500mm，矩形体小节沿扁锭长度方向的长度为30~500mm。

优选的，步骤三中，完成多个电极的组配后，选取主要元素以外的在步骤二中进行过检测的元素，分别计算多个电极的各种元素的含量，然后分别计算多个电极的各种元素含量的最大差值，当某种元素含量的最大差值超出步骤二中扁锭检测后得到的元素含量波动初始值时，以该种元素作为主要元素重新进行组配电极。

根据上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明相比传统多次VAR熔炼的工艺路线，采用一次EB+一次VAR的熔炼方法，可以利用EB熔炼优势较好地去除高低密度夹杂，同时对原料的适应性好，适用于海绵钛、中间合金、钛残料等多种形式，熔化效率高，流程短，兼具EB熔炼和VAR熔炼两种方式的优点。通过对锯切后扁锭的元素含量进行计算和搭配，能够提升组配电极的元素均匀性，将原本元素含量波动较大的EB熔炼扁锭重新组合成多个元素含量较为均匀的VAR电极，VAR熔炼后就能得到多个化学成分均匀的钛合金铸锭，利用原始扁锭宽度方向的高均匀性特点以及搭配组合过程中的干预设计，可以大幅提高铸锭的化学成分均匀性，避免铸锭内部夹杂，显著提高铸锭质量。

具体实施方式

一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法，包括以下步骤：

步骤一、EB熔炼

将钛合金原料送入EB炉内进行EB熔炼，得到长条状矩形体扁锭；控制EB炉内真空度在0.2Pa以内，熔化区域的过热度在400℃以上，精炼区域尺寸在200mm×1000mm以上，使用的坩埚为矩形坩埚，坩埚尺寸为（200~350）mm×（1000~1500）mm。

步骤二、锯切

对步骤一获得的扁锭沿长度方向进行间隔取样，相邻两个取样区域沿扁锭长度方向的间隔不超过500mm，根据钛合金的成分选取多种元素，对取样区域内所选取的各种元素的含量进行成分检测，分别得到扁锭沿长度方向的多种不同元素含量各自的波动范围。

选取波动数值最大的一种元素作为主要元素，根据主要元素沿扁锭长度方向的含量波动，将扁锭锯切成多块矩形体小节，矩形体小节沿扁锭长度方向的长度为30~500mm。

人为设定出多条具有不同数值的主要元素含量标准线，然后根据多条主要元素含量标准线的数值，将多块矩形体小节依据主要元素含量的不同划分为从-m到m的总计2m类，m为不等于0的整数。

步骤三、组配电极

将步骤二获得的多块矩形体小节分别搭配组合成多个用于VAR熔炼的电极，组合时将分类为-a和a的矩形体小节进行组合，a取值为1，2，3…m。

组合后分别计算多个电极的主要元素含量，计算公式为：

Q(x)=(Q1*W1+…+Qn*Wn) / (W1+…+Wn)，

其中x为该电极在多个电极中的数字编号，n为组成该电极的矩形体小节的数量，Q(x)为该电极的主要元素含量，Q1…Qn分别为n块矩形体小节的主要元素含量，W1…Wn分别为n块矩形体小节的长度。

然后计算多个电极的主要元素含量相互之间的最大差值，并与设定的主要元素含量波动值进行对比，当最大差值超出设定的主要元素含量波动值时，重新对多块矩形体小节进行搭配组合，并重新计算组合后的多个电极的主要元素含量和最大差值，直至最大差值不超出设定的主要元素含量波动值，完成多个电极的组配。

完成多个电极的组配后，选取主要元素以外的在步骤二中进行过检测的元素，分别计算多个电极的各种元素的含量，然后分别计算多个电极的各种元素含量的最大差值，当某种元素含量的最大差值超出步骤二中扁锭检测后得到的元素含量波动初始值时，以该种元素作为主要元素重新进行组配电极，并重新进行计算。

步骤四、组焊电极

对步骤三组配后的多个电极分别进行组焊，得到多个用于VAR熔炼的电极。

步骤五、VAR熔炼

对步骤四组焊后的多个电极分别进行VAR熔炼，机加工后即得到钛合金铸锭。

实施例一：TC4铸锭制备

步骤一、EB熔炼

将海绵钛、中间合金等原料通过电子束冷床炉熔炼为尺寸200mm×1090mm×3050mm的TC4铸锭。过程中，真空度在0.2Pa以内，熔化区域的过热度在300℃以上，精炼区域尺寸在300mm×1900mm以上。

步骤二、锯切

步骤一获得的TC4扁锭，长度方向的化学成分检测结果如下，

表1 TC4扁锭化学成分含量

主要合金元素Al、V、Fe中， Al元素波动最大，其余元素则波动较小，因此锯切划分以Al元素为依据。

根据现有重量，目标使用3吨VAR熔炼炉进行后续的VAR熔炼，常规坩埚为540mm直径，电极尺寸不超过480mm直径。折算为扁锭搭配的截面尺寸，扁锭的分切尺寸最大不超过265mm，同时，为减少焊接量，最小尺寸不小于50mm。因此可以按50、200、260mm尺寸锯切，50与200组合后可以与260mm规格搭配。

按照优先级原则，依据Al元素的数值波动进行划分锯切，同时在波动大的区域锯切小尺寸，在波动小的区域锯切大尺寸。根据锯切位置和原始检测成分，对锯切后的小块标定成分，以锯切部分检测值的平均值为标定成分，对于波动大锯切小的部分以所处两点的平均值进行标定。锯切划分以及小块标定的成分如表2所示。

表2 扁锭长度分切与成分标定结果

步骤三、组配电极

将步骤二获得的小块扁锭进行搭配设计，以钛铸锭中主要杂质元素含量Al、V、Fe元素含量的均匀一致为目标，按优先级顺序优先保证Al元素均匀，将各元素波动分布的不同小块扁锭组合为不同节，使得各节之间元素波动最小。

按高低搭配趋于基准的原则，优先将Al元素按分类档次搭配组合。上步锯切获得260mm规格6块、200mm规格5块、50mm规格9块，搭配布置后中部为260或200mm规格的主要小块扁锭，外环为50mm辅料小块扁锭。截面形状顶点连线为四边形和六边形，计算截面最大直径472mm，不超过VAR熔炼540mm坩埚要求的最大电极直径。

将“-3”与“3”类搭配、“-2”与“2” 类搭配、“-1”与“1” 类搭配，使得Q1(Al)、...、Qx(Al)的波动最小，搭配设计如表3所示。按Q(Al)=(Q1*W1+…+Qn*Wn) / (W1+…+Wn)计算每小节Al含量如表3所示，组合搭配后Al最大波动0.15%，远小于原始铸锭1.31%。同时计算Q(V)分别为3.97%、3.95%、3.96%、3.95%、3.95%、3.92%，计算Q(Fe)分别为0.132%、0.128%、0.129%、0.123%、0.128%、0.136%，均低于原始铸锭的波动，均匀化效果良好，搭配方案可行。

表3 小块扁锭的搭配组合设计

步骤四、组焊电极

将第二步获得的小块扁锭按照第三步表3设计的搭配组合，将每小块的宽厚截面搭配布置，组合的方向朝向，按照近流道端和远流道端互相搭配，组合电极小节的一头分别有不同小块扁锭的近流道端和远流道端两个方向的布置。

进行电极的组焊，组焊前对锯切处进行清洗擦拭。组焊后共6节，每节长度与原小块长度一致。将每节长度方向头尾组焊连接为电极，总重3087Kg。

步骤五、VAR熔炼

第四步组焊好的电极，进行一次VAR熔炼，机加工后获得成品铸锭，成分检测结果如表4，成分均匀性显著提高。

表4 成品铸锭的成分检测结果

实施例二：TA2铸锭制备

步骤一、EB熔炼

将海绵钛、钛残料等原料通过电子束冷床炉熔炼为尺寸200mm×1290mm×6050mm的TA2铸锭。过程中，真空度在0.2Pa以内，熔化区域的过热度在400℃以上，精炼区域尺寸在400mm×2100mm以上。

步骤二、锯切

步骤一获得的TA2扁锭，长度方向的化学成分检测结果如下，

表5 TA2扁锭化学成分含量

将扁锭长度分切为不同尺寸的长度部分，并依据检测结果标定化学成分。主要杂质元素O、N、Fe中，O元素波动最大，因此锯切划分主要以O元素结果为依据，同时在波动大的区域锯切小尺寸，在波动小的区域锯切大尺寸。根据锯切位置和原始检测成分，对锯切后的小块标定成分，以锯切部分检测值的平均值为标定成分，对于波动大锯切小的部分以所处两点的平均值进行标定。锯切划分以及小块标定的成分如表6所示。

根据现有重量，目标使用3吨VAR熔炼炉进行后续的VAR熔炼，常规坩埚有620mm直径，电极尺寸不超过580mm直径。折算为扁锭搭配的截面尺寸，扁锭的分切尺寸最大不超过400mm，同时，为减少焊接量，最小尺寸不小于50mm。因此可以按50、200、400mm尺寸锯切，50与200组合后可以与400mm规格搭配。

表6 扁锭长度分切与成分标定结果

步骤三、组配电极

将步骤二获得的小块扁锭进行搭配设计，以钛铸锭中主要杂质元素含量O、Fe元素含量的均匀一致为目标，将各元素波动分布的不同小块扁锭组合为不同节，使得各节之间元素波动最小。

上步锯切获得200mm规格6块、400mm规格10块、50mm规格15块，中部为400或200mm规格的主要小块扁锭，外环为50mm辅料小块扁锭。将设计组合的小块铸锭布置成截面形状顶点连线为八边形，计算截面最大直径568mm，不超过VAR熔炼620mm坩埚要求的最大电极直径。

按高低搭配趋于基准的原则，优先将O元素按分类档次搭配组合。搭配设计如表7所示。

表7 小块扁锭的搭配组合设计

步骤四、组焊电极

将第二步获得的小块扁锭按照第三步表7设计的搭配组合，将每小块的宽厚截面搭配布置，组合的方向朝向，按照近流道端和远流道端互相搭配，组合电极小节的一头分别有不同小块扁锭的近流道端和远流道端两个方向的布置。

进行电极的组焊，组焊前对锯切处进行清洗擦拭。组焊后共6节，每节长度与原小块长度一致。将每节长度方向头尾组焊连接为电极，每3节组焊一根电极，共两根，总重6522Kg。

步骤五、VAR熔炼

第四步组焊好的电极，进行一次VAR熔炼，机加工后获得成品铸锭2根，成分检测结果如表8，成分均匀性显著提高。

表8 成品铸锭的成分检测结果

由实施例一、二可知，本发明通过对锯切后扁锭的元素含量进行计算和搭配，能够提升组配电极的元素均匀性，将原本元素含量波动较大的EB熔炼扁锭重新组合成多个元素含量较为均匀的VAR电极，VAR熔炼后就能得到多个化学成分均匀的钛合金铸锭，利用原始扁锭宽度方向的高均匀性特点以及搭配组合过程中的干预设计，大幅提高铸锭的化学成分均匀性。

Claims (3)

1.一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、EB熔炼

将钛合金原料送入EB炉内进行EB熔炼，得到长条状矩形体扁锭；

步骤二、锯切

对步骤一获得的扁锭沿长度方向进行间隔取样，相邻两个取样区域沿扁锭长度方向的间隔不超过500mm，根据钛合金的成分选取多种元素，对取样区域内所选取的各种元素的含量进行成分检测，分别得到扁锭沿长度方向的多种不同元素含量各自的波动范围，选取波动数值最大的一种元素作为主要元素，根据主要元素沿扁锭长度方向的含量波动，在主要元素含量波动大的区域锯切小尺寸，在主要元素含量波动小的区域锯切大尺寸，将扁锭锯切成多块矩形体小节，对锯切后的小块标定成分，以锯切部分检测值的平均值为标定成分，以平均值为基准，设定出多条具有不同数值的主要元素含量标准线，然后根据多条主要元素含量标准线的数值，将多块矩形体小节依据主要元素含量的不同划分为从-m到m的总计2m类，m为不等于0的整数；其中，矩形体小节沿扁锭长度方向的长度为30～500mm；

步骤三、组配电极

将步骤二获得的多块矩形体小节分别搭配组合成多个用于VAR熔炼的电极，组合时将分类为-a和a的矩形体小节进行组合，a取值为1，2，3…m；

组合后分别计算多个电极的主要元素含量，计算公式为：

Q(x)＝(Q1*W1+…+Qn*Wn)/(W1+…+Wn)，

其中x为该电极在多个电极中的数字编号，n为组成该电极的矩形体小节的数量，Q(x)为该电极的主要元素含量，Q1…Qn分别为n块矩形体小节的主要元素含量，W1…Wn分别为n块矩形体小节的长度；

然后计算多个电极的主要元素含量相互之间的最大差值，并与设定的主要元素含量波动值进行对比，当最大差值超出设定的主要元素含量波动值时，重新对多块矩形体小节进行搭配组合，并重新计算组合后的多个电极的主要元素含量和最大差值，直至最大差值不超出设定的主要元素含量波动值，完成多个电极的组配；

步骤四、组焊电极

对步骤三组配后的多个电极分别进行组焊，得到多个用于VAR熔炼的电极；

步骤五、VAR熔炼

对步骤四组焊后的多个电极分别进行VAR熔炼，机加工后即得到钛合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法，其特征在于：步骤一中，控制EB炉内真空度在0.2Pa以内，熔化区域的过热度在400℃以上，精炼区域尺寸在200mm×1000mm以上，使用的坩埚为矩形坩埚，坩埚尺寸为(200～350)mm×(1000～1500)mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于钛合金铸锭的EB炉与VAR炉双联熔炼方法，其特征在于：步骤三中，完成多个电极的组配后，选取主要元素以外的在步骤二中进行过检测的元素，分别计算多个电极的各种元素的含量，然后分别计算多个电极的各种元素含量的最大差值，当某种元素含量的最大差值超出步骤二中扁锭检测后得到的元素含量波动初始值时，以该种元素作为主要元素重新进行组配电极。