CN1319681C - 大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法 - Google Patents
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Abstract
大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法，它涉及一种TiAl基合金锭的熔铸方法。本发明解决了现有的TiAl基合金熔炼方法中，采用直接浇铸材料利用率低；采用ISM熔铸技术难以得到大尺寸铸锭；采用VAR熔铸技术，铸锭成分不均匀，无法精确控制低熔点元素的挥发损失量问题。它由以下两个步骤完成：a、采用ISM熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极；b、采用VAR熔炼技术重熔TiAl基合金电极制备TiAl基合金铸锭；ISM熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极的方法由以下步骤完成：a′、TiAl基合金原料的熔化；b′、TiAl基合金电极的镶铸。利用该方法可熔铸出成分均匀一致的大尺寸的TiAl基合金铸锭。
Description
技术领域：
本发明涉及一种TiAl基合金锭的熔铸方法，具体涉及一种大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法。
背景技术：
TiAl基合金是一种理想的高温轻质结构材料，有望广泛应用于航空航天和汽车等领域的热端部件上。获得该合金构件的一个重要途径是热机械处理，它的基本环节包括铸锭+锻造+机械加工。为了提高加工效率，对大尺寸TiAl基合金锭的需求日益迫切，采用直接浇铸方式铸造的TiAl基合金锭，其材料的利用率只有30％，其余部分存在缩孔和缩松。TiAl基合金凝固特点及物性特点决定了TiAl基合金锭的铸造难度，TiAl基合金熔炼过程的特殊性表现在：(1)、合金元素溶解过程的反应热高；(2)、对间隙元素的敏感性高；(3)、相对于钛合金来说合金元素含量高；(4)、合金成分容错度小；(5)、合金中各元素物性差别大；(6)、合金熔体化学活性高。上述的这些特点给获得高质量的合金熔体增加了困难，这些特点决定了熔化炉必须利用水冷铜坩埚容纳活性合金熔体，以避免坩埚对合金熔体的污染。现有的熔炼方法都采用了真空和水冷铜坩埚技术，其中应用最为广泛的是采用真空自耗电极电弧熔炼(Vacuum ArcRemelting——VAR)和水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼(Induction Skull Melting——ISM)。采用ISM熔炼技术，TiAl基合金在熔炼过程中熔体温度及挥发损失量可以精确控制，所浇注的TiAl基合金铸锭可以保证铸锭成分，但利用ISM熔炼技术，采用常规铸锭技术很难得到较大尺寸的铸锭，一方面由TiAl基合金凝固过程的特点决定；另一方面决定于ISM熔炼所用的坩埚容量较小。采用VAR熔炼技术，合金在熔炼过程中，电极的熔化及熔体的凝固同时进行，较容易地实现顺序凝固，但在熔炼过程中，由于电极本身的成分均匀性对铸锭成分均匀性影响显著，如果用原始材料，如海绵钛、铝锭、块(颗粒)状合金元素直接用VAR熔化，得到的铸锭成分不均匀，而且低熔点元素的挥发损失量很大，更严重的是目前无法精确地控制低熔点元素的挥发损失量。
发明内容：
本发明的目的是为解决现有的TiAl基合金熔炼方法中，采用直接浇铸技术材料的利用率低；采用水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼技术难以得到较大尺寸的铸锭；采用真空自耗电极电弧熔炼技术，存在铸锭成分不均匀，无法精确控制低熔点元素的挥发损失量问题而提供的一种大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法。它由以下步骤完成：a、采用水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔炼技术熔铸TiAl基合金自耗电极；b、采用真空自耗电极电弧熔炼技术重熔TiAl基合金电极制备TiAl基合金铸锭；所述的水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极由以下步骤完成：a′、TiAl基合金原料的熔化：将海绵钛3放到水冷铜坩埚2内摆放好，海绵钛3的上端距水冷铜坩埚2的顶端留有1/4～1/3的空间，再将下层铝块6、中间合金5、上层铝块4按从下到上的顺序埋放在海绵钛3内的中部，将容纳水冷铜坩埚2的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氩气至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反复三次，始终将容纳水冷铜坩埚2的真空室的真空度保持在0.01～1Pa之间，之后接通水冷铜坩埚2电源，将水冷铜坩埚2内的合金原料熔化，电源频率控制在5～7kHz之间，电源功率控制在150～350kW之间，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保温5～10min，再将电源功率降低至200～300kW，保温3～5min；b′、TiAl基合金电极的浇注：在电极头1下方的外表面上浇注TiAl基合金熔体，每次浇注的长度L为15～35cm，浇注温度为1550～1650℃，保证每炉熔体成分差＜0.2％，浇注后的TiAl基合金电极锭7在真空室中冷却至300℃以下，向真空室中充空气，取出TiAl基合金电极锭7，如此反复，直至所需要的电极长度。
本发明具有以下有益效果：一、本发明利用ISM熔炼技术和常规的VAR熔炼技术结合起来的双联技术制备TiAl基合金铸锭，利用ISM熔炼技术获得合金成分均匀的优点和常规的VAR熔炼技术局部熔化、顺序凝固的特点，采用ISM熔炼技术熔铸电极和常规的VAR熔炼技术进行重熔的双联熔铸技术熔铸成的TiAl基合金锭，可以显著提高铸锭的成品率，并且易于控制合金成分精度，利用ISM-VAR的双联熔铸技术可以浇铸出大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金铸锭。二、采用直接浇注方法浇铸成的TiAl基合金锭，其铸锭成品率＜40％；采用本发明的双联熔铸技术熔铸成的TiAl基合金锭，其铸锭成品率＞60％。三、在TiAl基合金原料的熔化方法中，金属原料采用分层摆放的方式，可防止热爆的发生，同时还可保证合金成分用量的精确。四、根据VAR熔炼炉的技术要求熔铸一次电极，主要参数为电极直径和电极长度，由于电极质量大于水冷铜坩埚感应熔炼炉的容量，因此需要运用镶铸技术以保证TiAl基合金锭实现大质量电极的制备。该技术运用的关键是：(1)、每次浇注电极的长度；(2)、浇注温度；(3)、镶铸表面状态。利用镶铸技术可将TiAl基合金熔体与电极头牢固的连接起来。五、在ISM熔炼过程中根据镶铸的需要，要对TiAl基合金熔体成分和温度进行控制，控制TiAl基合金熔体温度时采用T＝F(G，P)模型，其中T、G、P分别为温度、炉料质量和熔炼功率，保证TiAl基合金熔体的浇注温度在1550～1650℃之间，控制TiAl基合金熔体成分时采用C＝F(Me+Ms+Mi+T+G)模型，其中C、Me、Ms、Mi、T、G分别为某组元的含量、该组元的挥发损失量、该组元在凝壳中的含量、该组元在炉料中的初始含量、TiAl基合金熔体温度和炉料质量，保证每炉TiAl基合金熔体成分差＜0.2％；控制每次浇注长度除考虑水冷铜坩埚的容量外，还需根据合金本身的收缩特性防止应力过大而造成电极断裂，因此每次浇注长度应控制在15～35cm之间。六、本发明的熔铸方法具有简单、容易实现的优点，利用该方法熔铸出的TiAl基合金铸锭成分均匀一致，铸锭成品率高，并可熔铸出大尺寸的TiAl基合金铸锭。
附图说明：
图1是在水冷铜坩埚2中摆放金属原料的示意图，图2是熔铸TiAl基合金电极锭7的示意图，图3是电极头1的主视结构示意图，图4是TiAl基合金铸锭的取样位置图，图5是TiAl基合金铸锭内部的金相组织图。
具体实施方式：
具体实施方式一：结合1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式由以下两个步骤完成：a、采用水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔炼技术熔铸TiAl基合金自耗电极；b、采用真空自耗电极电弧熔炼技术重熔TiAl基合金电极制备TiAl基合金铸锭；所述的水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极由以下步骤完成：a′、TiAl基合金原料的熔化：将海绵钛3放到水冷铜坩埚2内摆放好，海绵钛3的上端距水冷铜坩埚2的顶端留有1/4～1/3的空间，再将下层铝块6、中间合金5、上层铝块4按从下到上的顺序埋放在海绵钛3内的中部，将容纳水冷铜坩埚2的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氩气至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反复三次，始终将容纳水冷铜坩埚2的真空室的真空度保持在0.01～1Pa之间，之后接通水冷铜坩埚2电源，将水冷铜坩埚2内的合金原料熔化，电源频率控制在5～7kHz之间，电源功率控制在150～350kW之间，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保温5～10min，再将电源功率降低至200～300kW，保温3～5min；b′、TiAl基合金电极的浇注：在电极头1下方的外表面上浇注TiAl基合金熔体，每次浇注的长度L为15～35cm，浇注温度为1550～1650℃，保证每炉熔体成分差＜0.2％，浇注后的TiAl基合金电极锭7在真空室中冷却至300℃以下，向真空室中充空气，取出TiAl基合金电极锭7，如此反复，直至所需要的电极长度。为了防止热爆及控制水冷铜坩埚2内的TiAl基合金原料的熔化顺序，电源功率以阶梯形式增加，将电源功率增加至不同的最大值(小于350kW)。
具体实施方式二：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的a′步骤中，海绵钛3的上端距水冷铜坩埚2的顶端留有1/3的空间，将容纳水冷铜坩埚2的真空室抽真空至0.5Pa，充氩气至850Pa，再抽真空至0.5Pa，如此反复三次，始终将容纳水冷铜坩埚2的真空室的真空度保持在0.5Pa，水冷铜坩埚2的电源频率为6kHz，电源功率为300kW，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保温10min，再将功率降低至250kW，保温5min；b′步骤中，每次浇注电极的长度L为30cm，浇注温度为1600℃，浇注后的TiAl基合金电极锭7在真空室中冷却至250℃。将金属原料放在水冷铜坩埚2内摆放好，并反复抽真空、充氩气，这样可降低水冷铜坩埚2内的有害气体的分压，从而降低了TiAl基合金熔体中所溶解的氧和氮的含量。
具体实施方式三：结合图2、图3说明本实施方式，本实施方式的电极头1采用TC4合金材料制成。采用该合金材料制成的电极头1，其强度好，便于夹持。
具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式由以下两个步骤完成：a、采用水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极；b、采用真空自耗电极电弧熔炼技术重熔TiAl基合金电极制备TiAl基合金铸锭；用水冷铜坩埚2真空感应凝壳熔铸技术熔铸TiAl基合金自耗电极的方法由以下步骤完成：a′、TiAl基合金原料的熔化：按重量百分比配比Al：32.5％、V：2.75％、Cr：1.36％、Ni：0.76％、其余为海绵钛3待用，先将海绵钛3放到水冷铜坩埚2内摆放好，海绵钛3的上端距水冷铜坩埚2的顶端留有1/4～1/3的空间，再将Al块、V、Cr、Ni、Al块按从下到上的顺序埋放在海绵钛3内的中部，将容纳水冷铜坩埚2的真空室抽真空至0.8Pa，充氩气至1000Pa，再抽真空至0.8Pa，如此反复三次，始终将容纳水冷铜坩埚2的真空室的真空度保持在0.8Pa之间，之后接通水冷铜坩埚2的电源，将水冷铜坩埚2内的合金原料熔化，电源频率控制在5～7kHz之间，电源功率控制在300kW，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保温10min，再将功率降低至200kW，保温3～5min；b′、TiAl基合金电极的镶铸：先将电极头1下方的外表面加工出环形槽1-1，然后在环形槽1-1的外表面浇注TiAl基合金熔体，每次浇注的长度L为25cm，浇注温度为1590℃，保证每炉TiAl基合金熔体成分差＜0.2％，浇注后的TiAl基合金电极锭7在真空室中冷却至300℃以下，向真空室中充空气，取出TiAl基合金电极锭7，如此反复，直至所需要的电极长度。熔铸成的TiAl基合金铸锭采用车床车取切削的办法取样，进行化学成分的湿法化学分析，分析结果见表1。
表1采用双联铸锭方法熔铸成的TiAl基合金铸锭的化学分析测试结果
| Al | V | Cr | Ni | |
| 上部边缘 | 32.56 | 2.82 | 1.42 | 0.75 |
| 上部中间 | 32.65 | 2.81 | 1.44 | 0.74 |
| 上部心部 | 32.63 | 2.74 | 1.38 | 0.78 |
| 下部边缘 | 32.54 | 2.76 | 1.38 | 0.81 |
| 下部中间 | 32.56 | 2.84 | 1.36 | 0.79 |
| 下部心部 | 32.57 | 2.80 | 1.36 | 0.75 |
| 成分理论值 | 32.57 | 2.75 | 1.36 | 0.76 |
从表1中可看出，采取本双联熔铸技术，可以实现目标合金成分，而且铸锭内部无孔洞缺陷(参见附图5)。
Claims (3)
1、一种大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法，它由以下两个步骤完成：a、采用水冷铜坩埚(2)真空感应凝壳熔炼技术熔炼TiAl基合金自耗电极；b、采用真空自耗电极电弧熔炼技术重熔TiAl基合金电极制备TiAl基合金铸锭；其特征在于所述的水冷铜坩埚(2)真空感应凝壳熔炼技术熔铸TiAl基合金自耗电极由以下步骤完成：a′、TiAl基合金原料的熔化：将海绵钛(3)放到水冷铜坩埚(2)内摆放好，海绵钛(3)的上端距水冷铜坩埚(2)的顶端留有1/4～1/3的空间，再将下层铝块(6)、中间合金(5)、上层铝块(4)按从下到上的顺序埋放在海绵钛(3)内的中部，将容纳水冷铜坩埚(2)的真空室抽真空至0.01～1Pa，充氩气至500～1200Pa，再抽真空至0.01～1Pa，如此反复三次，始终将水冷铜坩埚(2)内的真空度保持在0.01～1Pa之间，之后接通水冷铜坩埚(2)电源，将水冷铜坩埚(2)内的合金原料熔化，电源频率控制在5～7kHz之间，电源功率控制在150～350kW之间，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，保温5～10min，再将电源功率降低至200～300kW，保温3～5min；b′、TiAl基合金电极的浇注：在电极头(1)下方的外表面上浇注TiAl基合金熔体，每次浇注的长度(L)为15～35cm，浇注温度为1550～1650℃，保证每炉熔体成分差＜0.2％，浇注后的TiAl基合金电极锭(7)在真空室中冷却至300℃以下，向真空室中充空气，取出TiAl基合金电极锭(7)，如此反复，直至所需要的电极长度。
2、根据权利要求1所述的大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法，其特征在于a′步骤中的海绵钛(3)的上端距水冷铜坩埚(2)顶端留有1/3的空间，将容纳水冷铜坩埚(2)的真空室抽真空至0.5Pa，充氩气至850Pa，再抽真空至0.5Pa，如此反复三次，始终将容纳水冷铜坩埚(2)的真空室的真空度保持在0.5Pa，水冷铜坩埚(2)的电源频率为6kHz，电源功率以≤0.5kW/s的速率增加，电源功率为300kW，保温10min，再将功率降低至250kW，保温5min；b′步骤中每次浇注电极的长度(L)为30cm，浇注温度为1600℃，浇注后的TiAl基合金电极锭(7)在真空室中冷却至250℃。
3、根据权利要求1所述的大尺寸无孔洞缺陷的TiAl基合金锭的熔铸方法，其特征在于b′步骤中的电极头(1)采用TC4合金材料制成。
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