CN116716501B - 一种航空航天用钛合金及其熔炼工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金领域，公开了一种航空航天用钛合金及其熔炼工艺，熔炼工艺包括采用0级海绵钛、Ti‑15Mo中间合金、纯镍屑、铝‑钇合金和硼粉作为原料制备自耗电极；对所述自耗电极进行三次真空熔炼，真空度在<2.0Pa，得到成品的钛合金铸锭。本发明通过在钛合金熔炼过程中，加入适量的硼（B）、稀土元素钇（Y），调控钛合金的组织，细化晶粒，提高钛合金的冷轧性能，强韧化钛合金，同时还能改善钛合金的加工性能。
Description
技术领域
本发明属于合金领域，尤其涉及一种航空航天用钛合金及其熔炼工艺。
背景技术
钛合金具有比强度高、密度低、无磁性、耐腐蚀、耐高温等优良的综合性能，在航空航天、兵器及船舶等领域中应用非常广泛，钛合金在飞机中所占质量的百分比已经成为航空技术先进性的一个重要标志。目前，钛合金相对于其它金属而言，一方面因其自身形核率差、受外来质点影响较小，而导致其结晶性能较差；另一方面，钛合金在室温条件下塑性较差，容易在加工过程中产生开裂，需要在高变形温度及较低的应变速率条件下加工成形，热加工变形范围较窄，变形抗力太大，从而使其在各方面的应用大大受到限制。
Mo是钛合金中应用比较广泛的合金元素，属于同晶型β稳定元素，具有明显的固溶强化效果，还能提高合金的塑性及稳定性。在钛合金中添加Ni元素可以提高该合金的耐磨性、耐腐蚀性及机械抗性。Al是钛合金中最重要的添加元素，作为α稳定元素，能提高α/β转变温度，有较好的固溶强化作用。B元素的价格相对低廉，在钛合金中添加B元素可形成TiB，从而使其具有较好的晶粒细化作用，从而提高钛合金的强韧性。稀土元素(RE)化学性质比较活泼，具有负电性，容易与氧等形成稳定的化合物，即RE2O3型氧化物，是钛合金中广泛的添加元素，主要用于除去对合金不利的氧元素，不仅能净化基体，而且形成细小的氧化物颗粒弥散分布能细化晶粒、强化基体，同时对合金的疲劳性能、热稳定性等方面也有很大的改善。此外，稀土还能抑制晶粒的长大，因此能改善合金的综合性能。
因此，有必要提供一种航空航天用钛合金及其熔炼工艺，通过在钛合金熔炼过程中，加入适量的硼（B）、稀土元素钇（Y），调控钛合金的组织，细化晶粒，提高钛合金的冷轧性能，强韧化钛合金，同时还能改善钛合金的加工性能。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种改善钛合金组织及冷轧性能的航空航天用钛合金及其熔炼工艺，通过在钛合金熔炼过程中，加入适量的硼（B）、稀土元素钇（Y），配合三次真空熔炼工艺调控钛合金的组织，细化晶粒，提高钛合金的冷轧性能，使钛合金强韧化，改善钛合金的加工性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种航空航天用钛合金的熔炼工艺，包括：
采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金和硼粉作为原料制备自耗电极；
对自耗电极进行三次真空熔炼，真空度在<2.0Pa，得到成品的钛合金铸锭。
在本发明的一些实施例中，钛合金铸锭的元素组成及其质量百分比为：Mo：0.3-0.6%、Ni：0.8-1.0%、Al：0.5-0.8%、B：0.02-0.05%，稀土元素Y：0.01-0.03%，余量为Ti和杂质元素，杂质元素包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%。
在本发明的一些实施例中，采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金和硼粉作为原料制备自耗电极，包括：
将原料混合后压制成块体，将多个块体焊接在一起得到自耗电极。
在本发明的一些实施例中，对自耗电极进行三次真空熔炼，包括：
采用真空自耗电弧炉对自耗电极进行第一次熔炼，得到第一铸锭；
采用真空自耗电弧炉对第一铸锭进行第二次熔炼，得到第二铸锭；
采用真空自耗电弧炉对第二铸锭进行第三次熔炼，得到成品的钛合金铸锭。
在本发明的一些实施例中，第一次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用7-10A直流电流，将电压升高至30-32V熔炼30分钟,然后将电压升高至32-34V熔炼1小时后,将电压降低至28-30V熔炼30分钟，然后冷却1.5小时得到第一次铸锭。
在本发明的一些实施例中，第二次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用8-12A交流电流，将电压升高至32-34V熔炼15分钟，然后将电压升高至34-36V熔炼1小时后,再将电压控制在30-32V熔炼15分钟，然后冷却3小时得到第二铸锭。
在本发明的一些实施例中，第三次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用10-16A交流电流，将电压升高至34-36V熔炼10分钟，然后将电压升高至36-38V熔炼40分钟，再将电压降低至32-34V熔炼10分钟，然后冷却6小时得到成品的钛合金铸锭。
本发明还公开了一种航空航天用钛合金，采用上述熔炼工艺制得。
在本发明的一些实施例中，钛合金的元素组成及其质量百分比为：Mo：0.3-0.6%、Ni：0.8-1.0%、Al：0.5-0.8%、B：0.02-0.05%，稀土元素Y：0.01-0.03%，余量为Ti和杂质元素，杂质元素包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%。
本发明的技术效果和优点：
（1）本发明通过在钛合金熔炼过程中，加入适量的硼（B）、稀土元素钇（Y），配合三次真空熔炼工艺调控钛合金的组织，细化晶粒，提高钛合金的冷轧性能，达到使钛合金强韧化，改善钛合金的加工性能的目的。
（2）本发明通过在钛合金中添加稀土元素Y,第一方面，可以降低晶核的表面张力,提高形成晶核几率和形成晶核速率,提高晶核的扩散激活能,降低晶核的扩散速率,从而降低晶核长大的速率,阻止晶核长大；第二方面，稀土元素也会影响钛合金的再结晶及晶粒长大过程,从而对加工态组织产生明显的影响；第三方面，稀土元素可以形成第二相弥散质点，细化晶粒，增加位错密度,产生强化作用；第四方面，稀土元素会夺取固溶体中的间隙氧,降低间隙固溶强化相,从而产生软化作用；第五方面，稀土元素易于在位错区偏聚,为第二相粒子析出提供条件，第二相粒子析出能够阻碍位错运动,而且可以细化和改善合金的组织，从而提高温钛合金蠕变性能。
（3）本发明通过在钛合金的基础上加入B元素，提高了钛合金的强度和加工性能，使钛合金具有更好的压力加工性能和成形性能。
（4）采用真空自耗熔炼（VAR）技术熔炼实现了大直径铸锭熔炼，并采用三段式熔炼方式，能够去除钛合金中的气体、夹杂物和低熔点的有害杂质，有效改善钛合金横纵方向之间的差异，保证钛合金铸锭性能的稳定性和一致性，提高熔炼效率，通过三次熔炼可获得成分均匀，无偏析及夹杂的钛合金铸锭。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明一种航空航天用钛合金的熔炼工艺的流程图；
图2为实施例1制得的铸锭形貌示意图；
图3为实施例2制得的铸锭形貌示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种航空航天用钛合金的熔炼工艺，包括：
采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金和硼粉作为原料制备自耗电极；
对自耗电极采用三次真空熔炼，真空度在<2.0Pa，得到成品的钛合金铸锭。
在本发明的一些实施例中，钛合金铸锭的元素组成及其质量百分比为：Mo：0.3-0.6%、Ni：0.8-1.0%、Al：0.5-0.8%、B：0.02-0.05%，稀土元素Y：0.01-0.03%，余量为Ti和杂质元素，杂质元素包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%。
在本发明的一些实施例中，采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金和硼粉作为原料制备自耗电极，包括：
将原料混合后压制成块体，将多个块体焊接在一起得到自耗电极。
在本发明的一些实施例中，对自耗电极采用三次真空熔炼，包括：
采用真空自耗电弧炉对自耗电极进行第一次熔炼，得到第一铸锭；
采用真空自耗电弧炉对第一铸锭进行第二次熔炼，得到第二铸锭；
采用真空自耗电弧炉对第二铸锭进行第三次熔炼，得到成品的钛合金铸锭。
在本发明的一些实施例中，第一次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用7-10A直流电流，将电压稳定在30-32V熔炼30分钟,然后将电压升高至32-34V熔炼1小时后,将电压降低至28-30V熔炼30分钟，然后冷却1.5小时得到第一次铸锭。
在本发明的一些实施例中，第二次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用8-12A交流电流，将电压升高至32-34V熔炼15分钟，然后将电压升高至34-36V熔炼1小时后,再将电压控制在30-32V熔炼15分钟，然后冷却3小时得到第二铸锭。
在本发明的一些实施例中，第三次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用10-16A交流电流，将电压升高至34-36V熔炼10分钟，然后将电压升高至36-38V熔炼40分钟，再将电压控制在32-34V熔炼10分钟，冷却6小时后得到成品的钛合金铸锭。
另一方面，本发明还公开了一种航空航天用钛合金，采用上述的熔炼工艺制得。
在本发明的一些实施例中，钛合金的元素组成及其质量百分比为：Mo：0.3-0.6%、Ni：0.8-1.0%、Al：0.5-0.8%、B：0.02-0.05%，稀土元素Y：0.01-0.03%，余量为Ti和杂质元素，杂质元素包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%。
为了更好的说明本方案，还提供了以下实施例。
实施例1
S1、采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金及硼粉作为原料，按照以下成分重量百分比进行配比：Mo：0.5%、Ni：1.0%、Al：0.8%、B：0.04%，Y：0.02%，将原料混合后，通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起，组成自耗电极。
S2、对自耗电极进行三次真空熔炼：
第一次熔炼时，真空自耗电弧炉的坩埚直径为Φ750mm，总熔炼时间2小时，稳弧电流采用9A直流电流，将电压升高至32V熔炼30分钟，然后将电压升高至34V熔炼60分钟,再将电压控制在30V熔炼30分钟，然后冷却1.5小时得到第一铸锭；
第二次熔炼时，将第一铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼第二次，坩埚直径为Φ840mm，总熔炼时间为1.5小时，稳弧电流采用12A交流电流，将电压升高至33V熔炼15钟，然后将电压升高至35V熔炼1小时后,再将电压控制在32V熔炼15分钟，然后冷却3小时得到第二铸锭；
第三次熔炼时，将第二铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼第三次，坩埚直径为Φ910mm，总熔炼时间为1小时，稳弧电流采用15A交流电流，将电压升高至35V熔炼10分钟，然后将电压升高至37V熔炼40分钟，再将电压降低至33V熔炼10分钟，然后冷却6小时得到成品的钛合金铸锭。
将成品的钛合金铸锭用车床平头及扒皮后，在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状样品，通过ICP光谱分析仪进行成分测定，具体成分质量百分含量如表1所示，余量为Ti和杂质，其中杂质包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%。
表1 实施例1成品钛合金铸锭成分质量百分含量
由表1可知，本实施例制得的钛合金铸锭成分均符合预设的范围，图2为该铸锭的低倍形貌示意图，铸锭表面质量良好，无偏析及夹杂，且没有出现冷隔和不到边等缺陷。
制得的钛合金铸锭经六火次锻造后，室温拉伸性能：屈服强度为857MPa，抗拉强度为988MPa，延伸率为19.6%，具有显著的强塑性，从而有效改善该钛合金的冷加工性能。
实施例2
S1、采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金及硼粉作为原料，按照以下成分重量百分比进行配比：Mo：0.4%、Ni：1.0%、Al：0.6%、B：0.03%，Y：0.03%，将原料混合后，通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起，组成自耗电极。
S2、对自耗电极进行三次真空熔炼：
第一次熔炼时，真空自耗电弧炉的坩埚直径为Φ750mm，总熔炼时间2小时，稳弧电流采用8A直流电流，将电压升高至30V熔炼30分钟，然后将电压升高至32V熔炼60分钟,再将电压控制在30V熔炼30分钟，然后冷却1.5小时得到第一铸锭；
第二次熔炼时，将第一铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼第二次，坩埚直径为Φ840mm，总熔炼时间为1.5小时，稳弧电流采用10A交流电流，将电压升高至32V熔炼15钟，然后将电压升高至34V熔炼60分钟,再将电压控制在32V熔炼15分钟，然后冷却3小时得到第二铸锭；
第三次熔炼时，将第二铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼第三次，坩埚直径为Φ910mm，总熔炼时间为1小时，稳弧电流采用15A交流电流，将电压升高至36V熔炼10分钟，然后将电压升高至38V熔炼40分钟，再将电压降低至34V熔炼10分钟，然后冷却6小时得到成品的钛合金铸锭。
将成品的钛合金铸锭用车床平头及扒皮后，在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状样品，通过ICP光谱分析仪进行成分测定，具体成分质量百分含量如表2所示，余量为Ti和杂质，其中杂质包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%。
表2 实施例2成品钛合金铸锭成分质量百分含量
由表2可知，本实施例制得的钛合金铸锭成分均符合预设的范围，图3为该铸锭的低倍形貌示意图，铸锭表面质量良好，无偏析及夹杂，且没有出现冷隔和不到边等缺陷。
制得的钛合金铸锭经六火次锻造后，室温拉伸性能：屈服强度为887MPa，抗拉强度为996MPa，延伸率为20.5%，具有较好的强塑性，从而有效改善该钛合金的冷加工性能。
综上，本发明通过在钛合金熔炼过程中，加入适量的硼（B）、稀土元素钇（Y），调控钛合金的组织，细化晶粒，起到提高钛合金的冷轧性能，强韧化钛合金的作用，同时还能改善合金的加工性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种航空航天用钛合金的熔炼工艺，其特征在于，包括：
采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金和硼粉作为原料制备自耗电极；
对所述自耗电极进行三次真空熔炼，真空度在<2.0Pa，得到成品的钛合金铸锭；
所述钛合金铸锭的元素组成及其质量百分比为：Mo：0.3-0.6%、Ni：0.8-1.0%、Al：0.5-0.8%、B：0.02-0.05%，稀土元素Y：0.01-0.03%，余量为Ti和杂质元素，所述杂质元素包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%；
所述的对所述自耗电极进行三次真空熔炼，包括：
采用真空自耗电弧炉对所述自耗电极进行第一次熔炼，得到第一铸锭；
采用真空自耗电弧炉对所述第一铸锭进行第二次熔炼，得到第二铸锭；
采用真空自耗电弧炉对所述第二铸锭进行第三次熔炼，得到成品的钛合金铸锭；
所述第一次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用7-10A直流电流，将电压升高至30-32V熔炼30分钟,然后将电压升高至32-34V熔炼1小时后,将电压降低至28-30V熔炼30分钟，然后冷却1.5小时得到第一次铸锭；
所述第二次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用8-12A交流电流，将电压升高至32-34V熔炼15分钟，然后将电压升高至34-36V熔炼1小时后,再将电压控制在30-32V熔炼15分钟，然后冷却3小时得到第二铸锭；
所述第三次熔炼的工艺参数包括：稳弧电流采用10-16A交流电流，将电压升高至34-36V熔炼10分钟，然后将电压升高至36-38V熔炼40分钟，再将电压降低至32-34V熔炼10分钟，然后冷却6小时得到成品的钛合金铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种航空航天用钛合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、铝-钇合金和硼粉作为原料制备自耗电极，包括：
将所述原料混合后压制成块体，将多个块体焊接在一起得到所述自耗电极。
3.一种航空航天用钛合金，其特征在于，所述钛合金采用权利要求1-2任意一项所述的熔炼工艺制得。
4.根据权利要求3所述的一种航空航天用钛合金，其特征在于，所述钛合金的元素组成及其质量百分比为：Mo：0.3-0.6%、Ni：0.8-1.0%、Al：0.5-0.8%、B：0.02-0.05%，稀土元素Y：0.01-0.03%，余量为Ti和杂质元素，所述杂质元素包括：Fe≤0.25%、C≤0.06%、N≤0.04%、H≤0.006%、O≤0.2%。
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