CN116555603B - 一种tc17钛合金铸锭的熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛合金材料技术领域，涉及一种TC17钛合金铸锭的熔炼方法，通过对成品熔炼过程中的电流、搅拌磁场强度、水温及水流量进行设置，具体地讲：该方法通过在熔炼初期增大热量输入，增加进出水温度差，提升搅拌强度来减小底部的冷隔区；在熔炼中期随着熔池的抬升匹配不同的输入功率、搅拌磁场强度和进出水温度差使成分更加均匀；封顶阶段电流线性降低，依据输入热量匹配对应的冷却参数，减弱搅拌强度，减轻了头部偏析。通过本发明获得的铸锭底部冷隔区小，且获得的钛合金铸锭的规格为Φ820～Φ920mm，底部冷隔层小于10mm，偏析元素极差小于或等于2000ppm，且铸锭整体成分均匀，有效降低了生产成本和成分偏析的倾向。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料技术领域，涉及TC17钛合金铸锭的制备，尤其涉及一种TC17钛合金铸锭的熔炼方法。
背景技术
TC17钛合金名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。该合金在高温条件下具有断裂韧性好、强度高等优异性能，主要用于制造发动机整体叶盘、发动机风扇和压气机盘件等部件，由于锻件尺寸较大，一般需采用Φ820mm以上铸锭进行生产。由于TC17钛合金含有高达4wt.％的Cr、Mo元素，偏析倾向较大，铸锭规格增大后，极易在铸锭中产生成分不均匀的现象，从而导致棒材中出现β斑缺陷，影响锻件使用性能。
当前，为了提升钛合金铸锭的成分均匀性，有些报道指出利用气体填充增强冷却提升铸锭成分均匀性，但这种冷却方式及传统冷却方式都未考虑铸锭熔炼过程中热量输入输出匹配及稳弧搅拌对铸锭成分均匀性影响。同时，也未考虑大规格铸锭底部冷却加强后产生的冷隔问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明在于克服上述现有技术的缺点，提供一种TC17钛合金铸锭的熔炼方法，其获得的铸锭底部冷隔层小于10mm，偏析元素极差小于2000ppm，有效降低了TC17钛合金成本，提升了铸锭成分均匀性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
这种TC17钛合金铸锭的熔炼方法，通过对成品熔炼过程中的电流、搅拌磁场强度、水温及水流量进行设置，使获得的铸锭底部冷隔层小于10mm，偏析元素极差小于或等于2000ppm。
进一步，在成品熔炼过程中，电流按如下要求进行调整：
熔炼初期为快速建立熔池期，电弧电流范围为34～40KA；当已熔重量在800～1100kg之间时，将电流按照12～15A/kg的下降速率降低至25～28KA后保持；当已熔重量在2500～3100kg之间时，将电流按照9～11A/kg的下降速率降低至19～23KA后保持；当已熔重量在4200～4600kg之间时，将电流按照6～8A/kg的下降速率降低至11～15KA后保持；当熔炼剩余重量在900～1100kg之间时进入封顶阶段，电流按照3～5A/kg的下降速率降低至6～8KA，保持30～50min后跳闸。
进一步，在成品熔炼过程中，磁场搅拌强度按如下要求进行设置：
熔炼初期为快速建立熔池，搅拌磁场强度为60～80Gs，搅拌换向时间为3～8s；当已熔重量在800～1100kg之间时，搅拌磁场强度按照0.07～0.1Gs/kg的下降速率先降低至23～31Gs，随后按照0.01～0.012Gs/kg的上升速率至23～31Gs，搅拌换向时间为9～12s；当已熔重量在2500～3100kg之间时，搅拌磁场强度升至44～52Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.02～0.05Gs/kg，搅拌换向时间为13～15s；当铸锭已熔重量在4200～4600kg之间时，搅拌磁场强度升至62～70Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.01～0.03Gs/kg，搅拌换向时间为15～18s；当熔炼剩余重量在900～1100kg之间时进入封顶阶段，搅拌磁场强度以0.01～0.03Gs/kg的速率下降至44～52Gs保持30～50min后跳闸，搅拌换向时间为3～8s。
进一步，为保证成品熔炼过程中热量输入和输出的稳定性，熔炼过程中的水温和水流量按如下要求进行设置：
熔炼初期为快速建立熔池，进出水温差控制在15℃以上；当已熔重量在800～1100kg之间时，将进出水温差控制在10～12℃；当已熔重量在2500～3100kg之间时，将进出水温差控制在7～9℃；当已熔重量在4200～4600kg之间时，将进出水温差控制在4～6℃；封顶阶段通过控制水流量来控制冷却强度。
进一步，成品熔炼起弧前先打开水站放气阀以除去水中气体，确保水流量在每分钟内的波动小于2L，同时将进水温度设置为23～25℃。
进一步，所述水流量的计算方式如下：
Q＝VI-M(HL-H∞)-(1-CB)IeVm
L＝K1Q/(TOUT-TIN)
其中，Q为进入熔池的热量；V为输入电压，单位为V；I为输入电流，单位为KA；M为熔速，单位为kg/min；HL和H∞为熔池表面合金与电极下表面合金的焓，单位为J；CB为进入熔池电流占总输入电流的分数，且取值为0.8～1.O；e为底部电流接触系数，其取值为0～1；Vm为工模具所占分电压，单位为V；L为冷却水流量，单位为L/min；K1为常数，其取值为0.2～0.5；TOUT为出水温度，单位为K；TIN为进水温度，单位为K。
进一步，所述搅拌磁场采用交流搅拌磁场。
进一步，所述钛合金铸锭的规格为Φ820～Φ920mm。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：
1)在成品熔炼过程中按照本发明中各阶段的降熔速斜率进行熔化可保证枝晶稳定生长，熔速下降过快或过慢都会导致晶粒冷却方向发生转变或者晶粒生长中断。
2)熔炼初期将进出水温度差控制在15℃以上，可减少冷却水带走的热量，能够减少冷隔区的厚度，降低生产成本；正常熔炼阶段匹配对应的冷却水温差，通过减小温差能够保证熔池边部与坩埚紧密接触的位置温度稳定进而保证熔池温度梯度的稳定，使糊状区晶粒稳定生长，达到促进成分均匀的目的。由于封顶期冷却过快会导致部分区域上层凝固速度超过下层，产生孔洞，冷却过慢会加重铸锭头部的偏析程度，故封顶期采用冷却参数与输入能量匹配的方式可以消除这两种风险。
3)熔炼初期设置60～80Gs的搅拌磁场强度，可促进热量在底部均匀分布，加快熔液铺满坩埚底部，减少底部锯切量；正常熔炼阶段随着熔池深度增加，增加磁场搅拌强度使熔池搅拌强度稳定，晶粒稳定生长；封顶阶段使用弱搅拌可减轻头部偏析。
综上，本发明提供的技术方案，最终获得的TC17钛合金铸锭的规格为Φ820～Φ920mm，底部冷隔层小于10mm，偏析元素极差小于或等于2000ppm，可有效降低TC17钛合金的生产成本，提升铸锭的成分均匀性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中钛合金铸锭的底部纵剖图；
图2为本发明实施例1中最终得到的TC17钛合金棒材的空烧低倍；
图3为本发明实施例2中钛合金铸锭的底部纵剖图；
图4为本发明实施例2中最终得到的TC17钛合金棒材空烧低倍；
图5为对比例1中钛合金铸锭的底部纵剖图；
图6为对比例1中最终得到的TC17钛合金棒材空烧低倍。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种规格为Φ820mm的TC17钛合金铸锭的熔炼方法，通过对成品熔炼过程中的电流、搅拌磁场强度、水温及水流量进行设置，具体如下：
电流参数按照如下要求进行设置：熔炼初期电弧电流为35KA；当已熔重量在900kg之间时，将电流按照12A/kg的下降速率降低至26KA后保持；当已熔重量在2600kg时，将电流按照10A/kg的下降速率降低至20KA后保持；当已熔重量在4200kg时，将电流按照7A/kg的下降速率降低至12KA后保持；当熔炼剩余重量在900kg时进入封顶阶段，电流按照3A/kg的下降速率降低至6KA，保持30min后跳闸。
搅拌磁场强度应按如下要求进行设置：熔炼初期为了快速建立熔池，搅拌磁场强度为65Gs，搅拌换向时间为4s；当已熔重量在900kg时，搅拌磁场强度按照0.08Gs/kg先降低至24Gs，随后按照0.01Gs/kg的上升速率至24Gs，搅拌换向时间为10s；当已熔重量在2600kg时，搅拌磁场强度升至48Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.03Gs/kg，搅拌换向时间为14s；当铸锭已熔重量在4200kg时，搅拌磁场强度升至62Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.01Gs/kg，搅拌换向时间为15s；当熔炼剩余重量在900kg时进入封顶阶段，搅拌磁场强度以0.01Gs/kg的速率下降至44Gs保持30min后跳闸，搅拌换向时间为4s。
为了保证成品熔炼过程中热量输入和输出的稳定性，熔炼过程中的水温和水流量应按如下要求进行设置：成品熔炼起弧前打开水站放气阀，通过让气泡上浮的方式除去水中气体，确保水流量在每分钟内的波动小于2L，同时将进水温度设置为23℃。熔炼初期进出水温差应控制在15℃以上；当已熔重量在900kg时，将进出水温差控制在10℃；当已熔重量在2600kg时，将进出水温差控制在7℃；当已熔重量在4200kg时，将进出水温差控制在4～6℃；封顶阶段通过控制水流量来控制冷却强度，水流量的计算方式如下所示：
Q＝VI-M(HL-H∞)-(1-CB)IeVm
L＝K1Q/(TOUT-TIN)
其中，Q为进入熔池的热量；V为输入电压，单位为V；I为输入电流，单位为KA；M为熔速，单位为kg/min；HL和H∞为熔池表面合金与电极下表面合金的焓，单位为J；CB为进入熔池电流占总输入电流的分数，且取值为0.8～1.0；e为底部电流接触系数，其取值为0～1；Vm为工模具所占分电压，单位为V；L为冷却水流量，单位为L/min；K1为常数，其取值为0.2～0.5；TOUT为出水温度，单位为K；TIN为进水温度，单位为K。
将本实施例得到的规格为Φ820mm的TC17钛合金铸锭从中间纵剖，在纵片上沿边部、2/3R、1/3R、心部进行纵向12点取样，将样品检测后得到铸锭整体的Cr元素分布情况，检测结果见表1。
表1实施例1中铸锭纵向不同位置的Cr元素含量(wt％)检测结果
由表1可知，实施例1中获得了Φ820mm的高均匀性的TC17钛合金铸锭，易偏析元素Cr含量的最大值为4.10％，最小值为3.92％，Cr元素极差仅为1800ppm。
对铸锭底部纵剖分析，结果如图1所示，冷隔高度小于10mm；锻造后的棒材在相变点下25℃空烧检查，结果如图2所示，组织均匀，无β斑缺陷。
实施例2
本实施例提供了一种规格为Φ850mm的TC17钛合金铸锭的熔炼方法，通过对成品熔炼过程中的电流、搅拌磁场强度、水温及水流量进行设置，具体如下：
电流参数按照如下要求进行设置：熔炼初期电弧电流为36KA；当已熔重量为1000kg时，将电流按照14A/kg的下降速率降低至27KA后保持；当已熔重量在2900kg时，将电流按照10A/kg的下降速率降低至22KA后保持；当已熔重量在4500kg时，将电流按照7A/kg的下降速率降低至13KA后保持；当熔炼剩余重量在1000kg时进入封顶阶段，电流按照5A/kg的下降速率降低至8KA，保持45min后跳闸。
搅拌磁场强度应按如下要求进行设置：熔炼初期为了快速建立熔池，搅拌磁场强度为72Gs，搅拌换向时间为6s；当已熔重量在1000kg时，搅拌磁场强度按照0.1Gs/kg先降低至31Gs，随后按照0.012Gs/kg的上升速率至31Gs，搅拌换向时间为12s；当已熔重量在2900kg时，搅拌磁场强度升至52Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.05Gs/kg，搅拌换向时间为14s；当铸锭已熔重量在4500kg时，搅拌磁场强度升至70Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.03Gs/kg，搅拌换向时间为16s；当熔炼剩余重量在1000kg时进入封顶阶段，搅拌磁场强度以0.02Gs/kg的速率下降至52Gs保持45min后跳闸，搅拌换向时间为8s。
为了保证成品熔炼过程中热量输入和输出的稳定性，熔炼过程中的水温和水流量应按如下要求进行设置：成品熔炼起弧前打开水站放气阀，通过让气泡上浮的方式除去水中气体，确保水流量在每分钟内的波动小于2L，同时将进水温度设置为25℃。熔炼初期进出水温差应控制在15℃以上；当已熔重量在1000kg时，将进出水温差控制在12℃；当已熔重量在2900kg时，将进出水温差控制在9℃；当已熔重量在4500kg时，将进出水温差控制在4～6℃；封顶阶段通过控制水流量来控制冷却强度，水流量计算方式如下所示：
Q＝VI-M(HL-H∞)-(1-CB)IeVm
L＝K1Q/((TOUT-TIN)
其中，Q为进入熔池的热量；V为输入电压，单位为V；I为输入电流，单位为KA；M为熔速，单位为kg/min；HL和H∞为熔池表面合金与电极下表面合金的焓，单位为J；CB为进入熔池电流占总输入电流的分数，且取值为0.8～1.0；e为底部电流接触系数，其取值为0～1；Vm为工模具所占分电压，单位为V；L为冷却水流量，单位为L/min；K1为常数，其取值为0.2～0.5；TOUT为出水温度，单位为K；TIN为进水温度，单位为K；
将本实施例得到的规格为Φ850mm的TC17钛合金铸锭从中间纵剖，在纵片上沿边部、2/3R、1/3R、心部进行纵向12点取样，将样品检测后得到铸锭整体的Cr元素分布情况，检测结果见表2。
表2实施例2中铸锭纵向不同位置的Cr元素含量(wt％)检测结果
由表2可知，实施例2中获得了Φ850mm的高均匀性的TC17钛合金铸锭，易偏析元素Cr含量的最大值为4.05％，最小值为3.85％，Cr元素极差仅为2000ppm。
对铸锭底部纵剖分析，结果如图3所示，冷隔高度小于10mm；锻造后的棒材在相变点下25℃空烧检查，结果如图4所示，组织均匀，无β斑缺陷。
对比例1
该对比例采用常规工艺，熔炼期间各参数如下所示：熔炼初期电弧电流为20KA；当已熔重量为600kg时，将电流设置为27KA后保持；当熔炼剩余重量在600kg之间时进入封顶阶段，电流按照5A/kg的下降速率降低至8KA，保持30min后跳闸。全程搅拌磁场强度为48Gs，搅拌换向时间为20s。设置进水温度为26℃。
将本对比例得到的规格为Φ850mm的TC17钛合金铸锭从中间纵剖，在纵片上沿边部、2/3R、1/3R、心部进行纵向12点取样，将样品检测后得到铸锭整体的Cr元素分布情况，检测结果见表3。
表3对比例1中铸锭纵向不同位置的Cr元素含量(wt％)检测结果
由表3可知，对比例1中的Φ850mm的高均匀性的TC17钛合金铸锭，易偏析元素Cr含量的最大值为4.12％，最小值为3.73％，Cr元素极差为4200ppm。
对铸锭底部纵剖分析，结果如图5所示，冷隔高度为30mm左右；锻造后的棒材在相变点下25℃空烧检查，结果如图6所示，心部到2/3R存在严重β斑缺陷。
通过实施例2与对比例1的比对可知，采用本发明提供的技术方案制得的TC17钛合金铸锭，其底部冷隔层小于10mm，偏析元素极差小于或等于2000ppm，可有效降低TC17钛合金的生产成本，提升铸锭的成分均匀性。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.一种TC17钛合金铸锭的熔炼方法，其特征在于，通过对成品熔炼过程中的电流、搅拌磁场强度、水温及水流量进行设置，使获得的铸锭底部冷隔层小于10mm，偏析元素极差小于或等于2000ppm；
在成品熔炼过程中，电流按如下要求进行调整：
熔炼初期为快速建立熔池期，电弧电流范围为34～40KA；当已熔重量在800～1100kg之间时，将电流按照12～15A/kg的下降速率降低至25～28KA后保持；当已熔重量在2500～3100kg之间时，将电流按照9～11A/kg的下降速率降低至19～23KA后保持；当已熔重量在4200～4600kg之间时，将电流按照6～8A/kg的下降速率降低至11～15KA后保持；当熔炼剩余重量在900～1100kg之间时进入封顶阶段，电流按照3～5A/kg的下降速率降低至6～8KA，保持30～50min后跳闸；
在成品熔炼过程中，磁场搅拌强度按如下要求进行设置：
熔炼初期为快速建立熔池，搅拌磁场强度为60～80Gs，搅拌换向时间为3～8s；当已熔重量在800～1100kg之间时，搅拌磁场强度按照0.07～0.1Gs/kg的下降速率先降低至23～31Gs，随后按照0.01～0.012Gs/kg的上升速率至23～31Gs，搅拌换向时间为9～12s；当已熔重量在2500～3100kg之间时，搅拌磁场强度升至44～52Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.02～0.05Gs/kg，搅拌换向时间为13～15s；当铸锭已熔重量在4200～4600kg之间时，搅拌磁场强度升至62～70Gs保持，搅拌磁场强度上升速率为0.01～0.03Gs/kg，搅拌换向时间为15～18s；当熔炼剩余重量在900～1100kg之间时进入封顶阶段，搅拌磁场强度以0.01～0.03Gs/kg的速率下降至44～52Gs保持30min后跳闸，搅拌换向时间为3～8s；
为保证成品熔炼过程中热量输入和输出的稳定性，熔炼过程中的水温和水流量按如下要求进行设置：
熔炼初期为快速建立熔池，进出水温差控制在15℃以上；当已熔重量在800～1100kg之间时，将进出水温差控制在10～12℃；当已熔重量在2500～3100kg之间时，将进出水温差控制在7～9℃；当已熔重量在4200～4600kg之间时，将进出水温差控制在4～6℃；封顶阶段通过控制水流量来控制冷却强度。
2.根据权利要求1所述的TC17钛合金铸锭的熔炼方法，其特征在于，成品熔炼起弧前先打开水站放气阀以除去水中气体，确保水流量在每分钟内的波动小于2L，同时将进水温度设置为23～25℃。
3.根据权利要求1所述的TC17钛合金铸锭的熔炼方法，其特征在于，所述水流量的计算方式如下：
Q＝VI-M(HL-H∞)-(1-CB)leVm
L＝K1Q/TOUT-TIN)
其中，Q为单位时间内进入熔池的热量，单位为kW；V为输入电压，单位为伏特；I为输入电流，单位为kA；M为熔速，单位为kg/min；HL和H∞为熔池表面合金与电极下表面合金的焓，单位为J；CB为进入熔池电流占总输入电流的分数，且取值为0.8～1.0；e为底部电流接触系数，其取值为0～1；Vm为工模具所占分电压，单位为V；L为冷却水流量，单位为L/min；K1为常数，其取值为0.2～0.5；TOUT为出水温度，单位为K；TIN为进水温度，单位为K。
4.根据权利要求1所述的TC17钛合金铸锭的熔炼方法，其特征在于，所述搅拌磁场采用交流搅拌磁场。
5.根据权利要求1所述的TC17钛合金铸锭的熔炼方法，其特征在于，所述钛合金铸锭的规格为Φ820～Φ920mm。
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