CN116144957A - 一种tc25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，包括母电极制备：将海绵钛和含Mo、W、Zr、Sn的二元或多元中间合金进行混合后，制备出φ530‑550mm×L直径的电极，电极的密度达到3.3～3.7g/cm3；旋转混合均匀，然后放入模具内，在具有一定吨位的油压机进行压实达到规定密度；一次锭冶炼：电流为15500～16500A，电压33～35V，熔速12～14Kg/min；冶炼成φ640‑680mm×L；二次锭冶炼：电流为22000～24000A，电压35～37V，熔速14～16Kg/min；冶炼成φ740‑780mm×L；三次锭冶炼：电流为29000～31000A，电压38～40V，熔速21～24Kg/min；冶炼成φ840‑880mm×L。采用本发明设计的冶炼电流、电压和熔速，可以制造出无高熔点Mo、W成分偏析的大型铸锭。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金新材料真空自耗冶炼技术领域，具体涉及钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺。
背景技术
随着国防军工领域的需求提升，越来越多的航空发动机追求高的推重比，从而在选材上需要考虑高比强度的新材料。钛合金是目前比强度最高的材料之一，由于其具有优异的特性，因此受到了发动机设计师们的青睐而得到越来越广泛地使用。航空发动机用钛合金不但要求优良的室温力学性能和加工性能，还要求在高温(300～500℃)条件下保持一定的疲劳强度和塑性。但随着使用温度的不断提高，常规的发动机用钛合金材料如TC4、TC11等已难以满足450℃以上的服役温度。
TC25为Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Mo-W系马氏体α+β型热强钛合金，其名义成分为6Al-2Mo-2Zr-2Sn-1W-0.2Si，是高合金化的钛合金材料，该合金可在适当的热变形条件、热处理状态下获得较为理想的综合性能；它兼有TC11)的高热强性和TC8的热稳定性，使用温度可高达500～550℃，在新型发动机关键部位得到广泛使用，零部件数量达到十余个；国内批量应用的钛合金材料尚不能达到TC25合金的水平。它是目前某新型发动机中钛合金用量最多的重要选材。TC25钛合金的使用温度之所以能达到500～550℃，是该合金成分的特点含有1％W(属于共析型β稳定元素)，是目前在《GB/T 3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分》中唯一含有W元素的钛合金牌号，同时还含有2％Mo。Mo、W这两个均属于高熔点元素，其中Mo的熔点高达2615℃，W的熔点达到3400℃，均高于钛的熔点1668℃；因此，在TC25钛锭制造过程中，如何确保这两个高熔点的成分均匀性，是保证铸锭质量并生产出优质发动机盘件用棒坯的关键技术。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，解决高熔点W、Mo的偏析、确保这两个高熔点的成分均匀性，提供一种保证铸锭质量并生产出优质发动机盘件用棒坯的冶炼工艺。
本发明的技术方案是，一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，包括真空自耗冶炼，其特征在于：
a.母电极制备：将海绵钛和含Mo、W、Zr、Sn的二元或多元中间合金进行混合后，制备出φ530-550mm×L直径的电极，电极的密度达到3.3～3.7g/cm3；旋转混合均匀，然后放入模具内，在具有一定吨位的油压机进行压实达到规定密度；
b.一次锭冶炼：电流为15500～16500A，电压33～35V，熔速12～14Kg/min；冶炼成φ640-680mm×L；
c.二次锭冶炼：电流为22000～24000A，电压35～37V，熔速14～16Kg/min；冶炼成φ740-780mm×L；
d.三次锭冶炼：电流为29000～31000A，电压38～40V，熔速21～24Kg/min；冶炼成φ840-880mm×L。
步骤a中，L＝l1+l2+l3+……+ln，是指根据订单需求和压制设备能力，单个电极块累加到L。
根据航空用钛合金产品的国标规定，钛合金铸锭冶炼需要经过三次真空自耗。因此若要制造出TC25钛合金φ860mm左右超大直径铸锭，需要推算原材料压制成母电极的尺寸、一次锭和二次锭的直径尺寸。结合钛合金真空自耗冶炼的特点，本发明的母电极直径尺寸采取为φ530-550mm×L，一次锭直径尺寸φ640-680mm×L，二次锭直径尺寸为φ740-780mm×L；即制造出φ840-880mm铸锭，生产流程为母电极压制→冶炼一次锭→冶炼二次锭→冶炼三次锭。
一次锭φ640-680mm冶炼：
由于TC25含有高熔点的Mo、W元素，其他合金元素也较多，因此在设计冶炼关键工艺参数时，需不同于一般钛合金冶炼的关键工艺参数。尤其是在电流、电压和熔速这三个方面。本发明设计的TC25一次锭冶炼工艺参数具体如表1所示：
表1 TC25一次锭冶炼工艺参数
二次锭φ740-780mm冶炼
在设计二次冶炼时，由于锭型扩大，海绵钛合和中间合金进行了熔化，各元素得到了初步扩散溶解，但是还不至于均匀化，部分区域的含Mo、W没有得到熔解，因此需要进一步扩大电流值，电压和熔速，进行二次冶炼确保所有的原材料熔化，成分均匀化并凝固成铸锭。二次熔炼对所有区域的高熔点Mo、W熔成液体，电流需要进一步大幅提高来加大热能，但是电压和熔速只需要在一次冶炼的基础上略加提高，电压决定了弧长。电压越高弧长越短，短弧操作对安全操作和冶炼过程中的动态监控带来一定的困难，因此电压不宜过高。而熔速是控制熔化金属物料的速度，如果熔速大则让电极自耗得快，而没有时间进行均匀化，容易产生成分偏析。本发明设计的TC25二次锭冶炼的关键工艺参数如下表2所示：
表2 TC25二次锭冶炼工艺参数
三次锭φ840-880mm冶炼
本发明设计的TC25三次锭冶炼的关键工艺参数如下表3所示，在一次冶炼和二次冶炼的工艺参数基础上，对熔速的参数设计提高了50％以上，主要是通过前面二次的熔化后，铸锭里高熔点Mo、W已经得到了充分的熔化，并且和其他元素得到了均匀扩散和凝固；因此三次冶炼时熔化的速度大幅提高可以改善大型铸锭的表面质量，熔速快熔池活跃，对钢水充分流动到结晶器壁带来优势，从而保证了冷却后的铸锭表面质量比较平整，无气孔等；降低了铸锭转锻造热加工前的剥皮量，有利于提高铸锭综合成材率。
根据本发明的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，优选的是，步骤a所述海绵钛和中间合金混合时采取能360℃旋转的密闭容器。
根据本发明的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，优选的是，所述旋转混合的圈数是3.5圈～5圈。
根据本发明的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，优选的是，在三次锭冶炼结束后，进行热封顶工艺。
三次锭φ840-880mm冶炼的关键工艺参数设计后，还需要进行热封顶工艺参数的设计，确保铸锭的冒口(缩孔)浅，切除量少，从而提高铸锭的收得率。本发明设计了三次锭如φ860冶炼热封顶工艺，能确保铸锭的缩孔深度≤50mm；由于一般钛合金铸锭的缩孔深度≤100mm。发明具体内容如下：
在冶炼结束后，会在铸锭头部或冒口形成缩孔(是由于炼钢结束后，钢液凝固时补缩形成)，钛合金VAR也是这样，尤其是成品铸锭的封顶工艺决定了最终在铸锭内部形成的缩孔深度，由于缩孔周围易出现成分不均匀、组织晶粒度差等因素，必须切除，因此缩孔深，切头量大，产品成材率就低。当正常冶炼结束进入热封顶时期，根据熔池深度的计算公式：H＝5(1-0.25D)V,
式中H:熔池深度(m)
D:铸锭直径(m)
V:熔化速度(Kg/sec)
这时候的熔池深度深，达500～600mm，深的熔池过热度和凝固潜热大，延缓了锭子中心区金属的凝固。当封顶开始的电流下降时，熔池中的热量逐渐减少，使锭子中心区的金属液体自下而上凝固速度加快。如果电流连续下降过快，熔池也因热量大大降低而快速凝固，钢液来不及补缩，在较深的地方形成缩孔，一直到封顶结束。因此，需要有一定的电流和热量使熔池保持一段时间，使钢液有充分的时间进行补缩，最后在头部较浅的地方形成缩孔。
根据本发明的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，优选的是，所述热封顶工艺是：在冶炼结束后，电流在12～14KA和7～8KA分别保持20-50分钟，最后电流在5～6KA的补缩阶段的时间预留2-4h。
本发明工艺中，BT25钛合金φ840-880mm的成品铸锭热封顶设计如下：在两个关键的位置即电流在12～14KA和7～8KA保持较长时间，最后电流在5～6KA的补缩阶段的时间预留更长。这样可使熔池保持一定的热量，阻止头部往下冷却凝固，使缩孔有充分的时间提升。试验结果表面，采用上述封顶工艺，缩孔定位探伤时缩孔深度可控制在50mm以下。
见图1.
进一步地，所述热封顶工艺是：在冶炼结束后，电流在12～14KA和7～8KA分别保持20-40分钟，最后电流在5～6KA的补缩阶段的时间预留2-3h。
根据本发明的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，优选的是，所述一次锭冶炼的电流为15500～16000A；所述二次锭冶炼的电流为22000～23000A；所述三次锭冶炼的电流为29000～30000A。
根据航空用钛合金产品的国标规定，钛合金铸锭冶炼需要经过三次真空自耗。因此若要制造出TC25钛合金φ860mm，甚至φ860-880mm的超大直径铸锭，需要推算原材料压制成母电极的尺寸、一次锭和二次锭的直径尺寸。结合钛合金真空自耗冶炼的特点，本发明的母电极直径尺寸采取为φ530-550mm×L，一次锭直径尺寸φ640-680mm×L，二次锭直径尺寸为φ740-780mm×L；即制造出φ840-880mm铸锭。
本申请人从2003年6月进行TC25钛合金材料的研究，先后研究了TC25钛合金铸锭的真空自耗工艺，并冶炼了小型、中型和大型的TC25钛合金铸锭(φ290小锭、φ580中锭、φ860大锭)；从试验结果发现：即使采用合适的原材料如海绵钛和二元及以上的中间合金，但是由于TC25钛合金含有众多合金元素，又有高熔点元素W和Mo，因此必须经过三次冶炼、并且铸锭直径越大，关键工艺参数电流、电压和熔速这三个技术参数必须合理匹配，才能确保冶炼出来的铸锭-Al-Zr-Sn-Mo-W各元素成分均匀化良好，无W和Mo的偏析，铸锭的表面质量佳、皮下气孔少，从而使得铸锭剥皮时机加工量少，确保了铸锭的收得率高。
本发明主要涉及了一种TC25钛合金φ840mm-880mm超大直径铸锭的三次真空熔炼工艺，采用本发明设计的冶炼电流、电压和熔速，可以制造出无高熔点Mo、W成分偏析的大型铸锭。
附图说明
图1是TC25钛合金φ860铸锭的热封顶曲线。
图2是成分均匀性取样分布图。
具体实施方式
实施例1
本发明的方法包括：
a.母电极制备：将海绵钛和含Mo、W、Zr、Sn的二元或多元中间合金进行混合后，制备出φ540mm×L(L＝l1+l2+l3+……+ln)直径的电极，电极的密度达到3.3g/cm3；旋转混合均匀，然后放入模具内，在具有一定吨位的油压机进行压实达到规定密度；
b.一次锭冶炼：电流为15800A，电压33V，熔速12Kg/min；冶炼成φ660×L；
c.二次锭冶炼：电流为22000A，电压35V，熔速14Kg/min；冶炼成φ760×L；
d.三次锭冶炼：电流为29000A，电压38V，熔速22Kg/min；冶炼成φ860×L。
冶炼结束后热封顶：电流在12KA和7KA分别保持20分钟和30分钟，最后电流在5KA的补缩阶段的时间预留2h。
利用本发明的技术方案可以避免W、Mo高熔点合金元素的偏析，并且使TC25钛合金φ860mm大铸锭中各元素成分均匀性良好(横截面取样示意图见图2)。成分检测数据如下表4～表5：
TC25钛合金φ660、φ760、φ860mm头、中上、中、中下、尾纵向外缘的化学成分分析结果见表4。
表4 TC25钛合金铸锭外缘的化学成分
TC25φ860铸锭头尾横截面的成分均匀性取样分布点示意图见图2，分析结果见表5：
表5 TC25钛合金超大直径φ860铸锭头、尾横截面的化学成分
TC25钛合金超大直径φ860铸锭的化学成分满足相应的技术要求，并且各部位的成分波动小，无高密度夹杂Mo、W偏析。本发明设计的TC25钛合金超大直径φ860铸锭工艺是合理可行的。
实施例2
本发明的方法包括：
a.母电极制备：将海绵钛和含Mo、W、Zr、Sn的二元或多元中间合金进行混合后，制备出φ545mm×L(L＝l1+l2+l3+……+ln)直径的电极，电极的密度达到3.3g/cm3；旋转混合均匀，然后放入模具内，在具有一定吨位的油压机进行压实达到规定密度；
b.一次锭冶炼：电流为16000A，电压32.5V，熔速12Kg/min；冶炼成φ660×L；
c.二次锭冶炼：电流为22500A，电压34.5V，熔速13.5Kg/min；冶炼成φ760×L；
d.三次锭冶炼：电流为28500A，电压37V，熔速22.5Kg/min；冶炼成φ860×L。
冶炼结束后热封顶：电流在12KA和7KA分别保持20分钟和30分钟，最后电流在5KA的补缩阶段的时间预留2h。
利用本发明的技术方案可以避免W、Mo高熔点合金元素的偏析，并且使TC25钛合金φ860mm大铸锭中各元素成分均匀性良好。φ860铸锭成分检测数据如下表6：
表6 TC25钛合金铸锭外缘的化学成分
Claims (9)
1.一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，包括真空自耗冶炼，其特征在于：
a.母电极制备：将海绵钛和含Mo、W、Zr、Sn的二元或多元中间合金进行混合后，制备出φ530-550mm×L(L＝l1+l2+l3+ln)直径的电极，电极的密度达到3.3～3.7g/cm3；旋转混合均匀，然后放入模具内，在具有一定吨位的油压机进行压实达到规定密度；
b.一次锭冶炼：电流为15500～16500A，电压33～35V，熔速12～14Kg/min；冶炼成φ640-680mm×L；
c.二次锭冶炼：电流为22000～24000A，电压35～37V，熔速14～16Kg/min；冶炼成φ740-780mm×L；
d.三次锭冶炼：电流为29000～31000A，电压38～40V，熔速21～24Kg/min；冶炼成φ840-880mm×L。
2.根据权利要求1所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：步骤a所述海绵钛和中间合金混合时采取能360℃旋转的密闭容器。
3.根据权利要求1所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述旋转混合的圈数是3.5圈～5圈。
4.根据权利要求1所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：在三次锭冶炼结束后，进行热封顶工艺。
5.根据权利要求1所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：
所述热封顶工艺是：在冶炼结束后，电流在12～14KA和7～8KA分别保持20-50分钟，最后电流在5～6KA的补缩阶段的时间预留2-4h。
6.根据权利要求5所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：
所述热封顶工艺是：在冶炼结束后，电流在12～14KA和7～8KA分别保持20-40分钟，最后电流在5～6KA的补缩阶段的时间预留2-3h。
7.根据权利要求1所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述一次锭冶炼的电流为15500～16000A；所述二次锭冶炼的电流为22000～23000A；所述三次锭冶炼的电流为29000～30000A。
8.根据权利要求1所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述一次锭冶炼的电压为33-34V；所述二次锭冶炼的电压为35-36V；所述三次锭冶炼的电压为38-39V。
9.根据权利要求1所述的一种TC25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺，其特征在于：所述一次锭冶炼的熔速为12～13Kg/min；所述二次锭冶炼的熔速为14～15Kg/min；所述三次锭冶炼的熔速为21～22Kg/min。
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| CN202111394293.2A Pending CN116144957A (zh) | 2021-11-23 | 2021-11-23 | 一种tc25钛合金超大直径铸锭的冶炼工艺 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN116144957A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007084888A (ja) * | 2005-09-22 | 2007-04-05 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | チタン合金の製造方法 |
| CN104525877A (zh) * | 2014-12-09 | 2015-04-22 | 抚顺特殊钢股份有限公司 | 含易偏析元素大直径钛合金铸锭成分控制方法 |
| JP2018188725A (ja) * | 2017-05-08 | 2018-11-29 | 株式会社神戸製鋼所 | 高融点活性金属の合金からなる鋳塊、および、その製造方法 |
| CN109487092A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-19 | 西部超导材料科技股份有限公司 | 一种Ti6321钛合金铸锭熔炼补缩方法 |
| CN111575510A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-08-25 | 西部超导材料科技股份有限公司 | Tc25钛合金铸锭制备的方法及其铸锭 |
-
2021
- 2021-11-23 CN CN202111394293.2A patent/CN116144957A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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