CN113337743B - 一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法 - Google Patents
一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种规格为Φ720mm的Ti‑1023合金铸锭的制备方法，具体包括以下步骤：S1、压制电极块：选取海绵钛、VAlFe、VAl和Al豆合金混合均匀，压制成电极块；S2、焊接电极：将步骤S1压制得到的电极块在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极；S3、铸锭熔炼：将步骤S2得到的电极置于真空自耗电弧炉中，依次经过三次熔炼后，即可得到规格为Φ720mm的Ti‑1023合金铸锭。该方法减轻了Fe元素的偏析；采用该方法制备的Ti‑1023合金铸锭Fe元素极差可控制在0.3％(wt)以内，同时采用该铸锭制备的Φ350mm规格大规格棒材无β斑，力学性能符合宇航技术标准。
Description
技术领域
本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法。
背景技术
钛合金具有优良的比强度、比刚度和耐腐蚀等性能，在航空航天领域广泛应用，其中Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-1023)由于具有高强度、高断裂韧度、高淬透性等优良性能而被广泛用于生产飞机起落架等大尺寸关键承力构件。目前Ti-1023合金铸锭大多以VAR真空熔炼制备，其添加了较多的Fe元素，在铸锭凝固过程不可避免的产生凝固偏析，在铸锭心部常常出现不含α相或α相稀少的区域，即β斑，该现象对构件疲劳性能有较大的影响。随着航空工业发展，工程用大型化钛合金构件需求进一步提升，而大规格铸锭是大规格构件制备的基础，因此制备大规格铸锭迫在眉睫。现有技术一般采用恒熔速熔炼，熔炼过程熔池深度快速增加，直至补缩开始后，熔池深度才开始下降，导致铸锭最终跳闸前熔池较深，跳闸后缺乏搅拌及液相补充，铸锭上半部分偏析严重。由于钛合金导热率较低，铸锭规格进一步增大后，Fe元素的偏析会进一步加重，因此高均匀超大规格Ti-1023合金铸锭制备，成为材料领域中的一个技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，该方法提供了受熔速下降率控制的铸锭熔炼方法，采用多阶段降熔速，通过控制不同阶段的熔炼速度及不用阶段之间熔速下降率，逐级减小熔池热量，提前控制熔池深度，减轻了铸锭心部的成分偏析。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、压制电极块：选取海绵钛、VAlFe、VAl和Al豆合金混合均匀，压制成电极块；
S2、焊接电极：将步骤S1压制得到的电极块在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极；
S3、铸锭熔炼：将步骤S2得到的电极置于真空自耗电弧炉中，依次经过三次熔炼后，即可得到规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭。
进一步地，所述步骤S1中各原料的的合金的重量百分比配比为Ti-10V-2Fe-3Al。
进一步地，所述步骤S3中三次熔炼的第一次熔炼采用电流控制，第二次熔炼采用恒熔速控制，第三次熔炼采用降熔速和恒熔速控制。
进一步地，所述第一次熔炼采用电流控制的熔炼参数为：漏气率控制在1.0Pa/min以下，熔炼电流为10.0kA～20.0kA，稳弧电流为直流8.0～20.0A，熔炼电压为29～37V。
进一步地，所述第二次熔炼采用恒熔速控制的熔炼参数为：漏气率控制在0.8Pa/min以下，熔炼熔速为8kg/min～14kg/min，稳弧电流为交流10～30A，熔炼电压为32～38V。
进一步地，所述第三次熔炼采用降熔速控制的熔炼参数为：漏气率控制在0.60Pa/min以下。
进一步地，所述第三次熔炼的熔炼期分为五个阶段，分别采用不同的熔速进行熔炼：第一阶段采用恒熔速方法进行熔炼，熔速为12kg/min～18kg/min，稳弧电流为交流20～26A，熔炼电压为34～38V；第二阶段采用降熔速方法进行熔炼，熔速下降率控制在0.15kg/min2以下；第三阶段采用恒熔速方法进行熔炼，熔速为8kg/min～12kg/min，稳弧电流为交流15～20A，熔炼电压为30～34V；第四阶段采用降熔速方法进行熔炼，熔速下降率控制在0.1kg/min2以下；第五阶段采用恒熔速方法进行熔炼直至补缩，熔速为4kg/min～7kg/min，稳弧电流为交流9～15A，熔炼电压为26～32V。
进一步地，所述步骤S3的三次熔炼所采用的坩埚规格逐渐增大。
进一步地，所述步骤S3中的每次熔炼后都将铸锭进行平头处理，然后掉头，再进行下一次熔炼。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明用以制备成分均匀的Φ720mm规格Ti-1023合金铸锭，该方法提供了受熔速下降率控制的铸锭熔炼方法，采用多阶段降熔速，通过控制不同阶段的熔炼速度及不用阶段之间熔速下降率，逐级减小熔池热量，提前控制熔池深度，减轻了铸锭心部的成分偏析。
本发明中，通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
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为实施例中Fe元素极差与铸锭规格关系；
图2为现有技术采用恒熔速工艺下铸锭制备棒材的低倍照片；
图3为实施例中恒熔速+降熔速工艺下铸锭制备棒材的低倍照片；
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。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装置的例子。
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。
一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、压制电极块：选取海绵钛、VAlFe、VAl和Al豆合金混合均匀，压制成电极块；
S2、焊接电极：将步骤S1压制得到的电极块在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极；
S3、铸锭熔炼：将步骤S2得到的电极置于真空自耗电弧炉中，依次经过三次熔炼后，即可得到规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭。
进一步地，所述步骤S1中各原料的的合金的重量百分比配比为Ti-10V-2Fe-3Al。
进一步地，所述步骤S3中三次熔炼的第一次熔炼采用电流控制，第二次熔炼采用恒熔速控制，第三次熔炼采用降熔速和恒熔速控制。
进一步地，所述第一次熔炼采用电流控制的熔炼参数为：漏气率控制在1.0Pa/min以下，熔炼电流为10.0kA～20.0kA，稳弧电流为直流8.0～20.0A，熔炼电压为29～37V。
进一步地，所述第二次熔炼采用恒熔速控制的熔炼参数为：漏气率控制在0.8Pa/min以下，熔炼熔速为8kg/min～14kg/min，稳弧电流为交流10～30A，熔炼电压为32～38V。
进一步地，所述第三次熔炼采用降熔速控制的熔炼参数为：漏气率控制在0.60Pa/min以下。
进一步地，所述第三次熔炼的熔炼期分为五个阶段，分别采用不同的熔速进行熔炼：第一阶段采用恒熔速方法进行熔炼，熔速为12kg/min～18kg/min，稳弧电流为交流20～26A，熔炼电压为34～38V；第二阶段采用降熔速方法进行熔炼，熔速下降率控制在0.15kg/min2以下；第三阶段采用恒熔速方法进行熔炼，熔速为8kg/min～12kg/min，稳弧电流为交流15～20A，熔炼电压为30～34V；第四阶段采用降熔速方法进行熔炼，熔速下降率控制在0.1kg/min2以下；第五阶段采用恒熔速方法进行熔炼直至补缩，熔速为4kg/min～7kg/min，稳弧电流为交流9～15A，熔炼电压为26～32V。
进一步地，所述步骤S3的三次熔炼所采用的坩埚规格逐渐增大。
进一步地，所述步骤S3中的每次熔炼后都将铸锭进行平头处理，然后掉头，再进行下一次熔炼。
下面结合具体的工艺处理过程进行说明：
实施例1：
S1、压制电极块：按照合金的配比为Ti-10V-2Fe-3Al(Wt％)，选用海绵钛、VAlFe、VAl和Al豆合金进行电极块压制，压制之前对海绵钛和中间合金进行挑料，确保原料质量，将挑好的原料混合均匀后在油压机上压制成电极块；
S2、焊接电极：将步骤S1压制得到的电极块在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极；
S3、铸锭熔炼：将步骤S2得到的电极置于真空自耗电弧炉中，依次经过三次熔炼：
将步骤S2得到的自耗电极进行第一次电流控制熔炼，一次熔炼采用Φ560mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.9Pa/min，熔炼电流为19kA，稳弧电流为直流18A，熔炼电压为36V，熔炼完成后再车床上做平头处理。
将一次熔炼得到的Φ560mm规格铸锭进行第二次恒熔速控制熔炼，将一次熔炼过程中需平头处理的铸锭掉头组焊，采用Φ640mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.7Pa/min，熔炼熔速为13kg/min，稳弧电流为交流28A，熔炼电压为37V，熔炼完成后再车床上做平头处理。
将二次熔炼得到的Φ640mm规格铸锭进行第三次降熔速和恒熔速控制熔炼，将二次熔炼过程中需平头处理的铸锭掉头组焊，采用Φ720mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.60Pa/min。正常熔炼期开始后，第一阶段熔速为18kg/min，稳弧电流为交流26A，熔炼电压为37V；熔炼800kg后，开始第二阶熔炼，该阶段熔速下降率为0.15kg/min2，采用该方式继续熔炼40min后，开始第三阶段熔炼；第三阶段熔速为12kg/min，稳弧电流为交流19A，熔炼电压为34V；第四阶段采用降熔速熔炼，熔速下降率为0.1kg/min2，熔炼50min后，开始第五阶段熔炼；第五阶段熔速为7kg/min，稳弧电流为交流15A，熔炼电压为31V。
以上采用阶梯降熔速方法，第一阶段采用较大恒熔速，可迅速建立熔池，熔池深度快速增加，达到饱满状态；随后，一方面为避免熔池深度持续快速上升，另一方避免熔速下降过度，导致边部凝固速度增加，将熔池下方液相包裹，第二阶段采用合适比率，将熔速下降至合适范围内；保持当前熔速，进入第三阶段恒熔速熔炼阶段，熔池深度缓慢上升，直至达到稳定状态；为进一步降低补缩前熔池深度，第四阶段采用降熔速方法熔炼，降至可维持熔池到边的合适熔速；随后采用该熔速进入第五阶段恒熔速熔炼阶段，直至进入补缩。
采用上述步骤制备的规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭Fe元素极差为0.26％(wt)，在铸锭规格进一步增大后，Fe元素的偏析并没有进一步加重，反而低于正常值，如图1所示；锻造为Φ350mm规格棒材，经相变点以下25℃进行固溶时效热处理检验，棒材高低倍组织满足AMS 4986B宇航技术规范标准要求，测试合金棒材的力学性能σb＝1140Mpa、σ0.2＝1029Mpa、A＝8.0％、Z＝30％、KIC＝61.2Mpam1/2，满足AMS4986B标准要求的σb≥1103Mpa、σ0.2≥1000Mpa、A≥6％、Z≥10％、KIC≥60.0Mpam1/2。最终，获得了成分均匀的Φ720mm规格Ti-1023铸锭，如图2、3所示，采用该铸锭制备的大规格棒材在β-25℃检查时无β斑，力学性能符合宇航技术标准。
实施例2：
S1、压制电极块：按照合金的配比为Ti-10V-2Fe-3Al(Wt％)，选用海绵钛、VAlFe、VAl和Al豆合金进行电极块压制，压制之前对海绵钛和中间合金进行挑料，确保原料质量，将挑好的原料混合均匀后在油压机上压制成电极块；
S2、焊接电极：将步骤S1压制得到的电极块在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极；
S3、铸锭熔炼：将步骤S2得到的电极置于真空自耗电弧炉中，依次经过三次熔炼：
将步骤S2得到的自耗电极进行第一次电流控制熔炼，一次熔炼采用Φ560mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.7Pa/min，熔炼电流为15kA，稳弧电流为直流12A，熔炼电压为33V，熔炼完成后再车床上做平头处理。
将一次熔炼得到的Φ560mm规格铸锭进行第二次恒熔速控制熔炼，将一次熔炼过程中需平头处理的铸锭掉头组焊，采用Φ640mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.5Pa/min，熔炼熔速为11kg/min，稳弧电流为交流18A，熔炼电压为34V，熔炼完成后再车床上做平头处理。
将二次熔炼得到的Φ640mm规格铸锭进行第三次降熔速和恒熔速控制熔炼，将二次熔炼过程中需平头处理的铸锭掉头组焊，采用Φ720mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.40Pa/min。正常熔炼期开始后，第一阶段熔速为15kg/min，稳弧电流为交流24A，熔炼电压为36V；熔炼800kg后，开始第二阶熔炼，该阶段熔速下降率为0.1kg/min2，采用该方式继续熔炼50min后，开始第三阶段熔炼；第三阶段熔速为10kg/min，稳弧电流为交流17A，熔炼电压为32V；第四阶段采用降熔速熔炼，熔速下降率为0.05kg/min2，熔炼80min后，开始第五阶段熔炼；第五阶段熔速为6kg/min，稳弧电流为交流12A，熔炼电压为29V。
以上采用阶梯降熔速方法，第一阶段采用较大恒熔速，可迅速建立熔池，熔池深度快速增加，达到饱满状态；随后，一方面为避免熔池深度持续快速上升，另一方避免熔速下降过度，导致边部凝固速度增加，将熔池下方液相包裹，第二阶段采用合适比率，将熔速下降至合适范围内；保持当前熔速，进入第三阶段恒熔速熔炼阶段，熔池深度缓慢上升，直至达到稳定状态；为进一步降低补缩前熔池深度，第四阶段采用降熔速方法熔炼，降至可维持熔池到边的合适熔速；随后采用该熔速进入第五阶段恒熔速熔炼阶段，直至进入补缩。
采用上述步骤制备的规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭Fe元素极差为0.24％(wt)，在铸锭规格进一步增大后，Fe元素的偏析并没有进一步加重，反而低于正常值，如图1所示；锻造为Φ350mm规格棒材，经相变点以下25℃进行固溶时效热处理检验，棒材高低倍组织满足AMS4986B宇航技术规范标准要求，测试合金棒材的力学性能σb＝1170Mpa、σ0.2＝1080Mpa、A＝9.0％、Z＝45％、KIC＝63.5Mpam1/2，满足AMS4986B标准要求的σb≥1103Mpa、σ0.2≥1000Mpa、A≥6％、Z≥10％、KIC≥60.0Mpam1/2。最终，获得了成分均匀的Φ720mm规格Ti-1023铸锭，如图2、3所示，采用该铸锭制备的大规格棒材在β-25℃检查时无β斑，力学性能符合宇航技术标准。
实施例3：
S1、压制电极块：按照合金的配比为Ti-10V-2Fe-3Al(Wt％)，选用海绵钛、VAlFe、VAl和Al豆合金进行电极块压制，压制之前对海绵钛和中间合金进行挑料，确保原料质量，将挑好的原料混合均匀后在油压机上压制成电极块；
S2、焊接电极：将步骤S1压制得到的电极块在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极；
S3、铸锭熔炼：将步骤S2得到的电极置于真空自耗电弧炉中，依次经过三次熔炼：
将步骤S2得到的自耗电极进行第一次电流控制熔炼，一次熔炼采用Φ560mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.8Pa/min，熔炼电流为15kA，稳弧电流为直流12A，熔炼电压为33V，熔炼完成后再车床上做平头处理。
将一次熔炼得到的Φ560mm规格铸锭进行第二次恒熔速控制熔炼，将一次熔炼过程中需平头处理的铸锭掉头组焊，采用Φ640mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.3Pa/min，熔炼熔速为8kg/min，稳弧电流为交流12A，熔炼电压为32V，熔炼完成后在车床上做平头处理。
将二次熔炼得到的Φ640mm规格铸锭进行第三次降熔速和恒熔速控制熔炼，将二次熔炼过程中需平头处理的铸锭掉头组焊，采用Φ720mm的坩埚，熔炼过程中漏气率为0.15Pa/min。正常熔炼期开始后，第一阶段熔速为12kg/min，稳弧电流为交流20A，熔炼电压为34V；熔炼800kg后，开始第二阶熔炼，该阶段熔速下降率为0.05kg/min2，采用该方式继续熔炼80min后，开始第三阶段熔炼；第三阶段熔速为8kg/min，稳弧电流为交流15A，熔炼电压为30V；第四阶段采用降熔速熔炼，熔速下降率为0.02kg/min2，熔炼200min后，开始第五阶段熔炼；第五阶段熔速为4kg/min，稳弧电流为交流10A，熔炼电压为27V。
以上采用阶梯降熔速方法，第一阶段采用较大恒熔速，可迅速建立熔池，熔池深度快速增加，达到饱满状态；随后，一方面为避免熔池深度持续快速上升，另一方避免熔速下降过度，导致边部凝固速度增加，将熔池下方液相包裹，第二阶段采用合适比率，将熔速下降至合适范围内；保持当前熔速，进入第三阶段恒熔速熔炼阶段，熔池深度缓慢上升，直至达到稳定状态；为进一步降低补缩前熔池深度，第四阶段采用降熔速方法熔炼，降至可维持熔池到边的合适熔速；随后采用该熔速进入第五阶段恒熔速熔炼阶段，直至进入补缩。
采用上述步骤制备的规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭Fe元素极差为0.22％(wt)，在铸锭规格进一步增大后，Fe元素的偏析并没有进一步加重，反而低于正常值，如图1所示；锻造为Φ350mm规格棒材，经相变点以下25℃进行固溶时效热处理检验，棒材高低倍组织满足AMS4986B宇航技术规范标准要求，测试合金棒材的力学性能σb＝1205Mpa、σ0.2＝1103Mpa、A＝14.0％、Z＝54％、KIC＝67.6Mpam1/2，满足AMS4986B标准要求的σb≥1103Mpa、σ0.2≥1000Mpa、A≥6％、Z≥10％、KIC≥60.0Mpam1/2。最终，获得了成分均匀的Φ720mm规格Ti-1023铸锭，如图2、3所示，采用该铸锭制备的大规格棒材在β-25℃检查时无β斑，力学性能符合宇航技术标准。
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 (7)
1.一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、压制电极块：选取海绵钛、VAlFe、VAl和Al豆合金混合均匀，压制成电极块；
S2、焊接电极：将步骤S1压制得到的电极块在氩气保护的等离子焊箱中焊接成熔炼用自耗电极；
S3、铸锭熔炼：将步骤S2得到的电极置于真空自耗电弧炉中，依次经过三次熔炼后，即可得到规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭，所述步骤S3中三次熔炼的第一次熔炼采用电流控制，第二次熔炼采用恒熔速控制，第三次熔炼采用降熔速和恒熔速控制；
所述第三次熔炼的熔炼期分为五个阶段，分别采用不同的熔速进行熔炼：第一阶段采用恒熔速方法进行熔炼，熔速为12kg/min～18kg/min，稳弧电流为交流20～26A，熔炼电压为34～38V；第二阶段采用降熔速方法进行熔炼，熔速下降率控制在0.05～0.15kg/min2；第三阶段采用恒熔速方法进行熔炼，熔速为8kg/min～12kg/min，稳弧电流为交流15～20A，熔炼电压为30～34V；第四阶段采用降熔速方法进行熔炼，熔速下降率控制在0.02～0.1kg/min2；第五阶段采用恒熔速方法进行熔炼直至补缩，熔速为4kg/min～7kg/min，稳弧电流为交流9～15A，熔炼电压为26～32V。
2.根据权利要求1所述的一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中各原料的的合金的重量百分比配比为Ti-10V-2Fe-3Al。
3.根据权利要求1所述的一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述第一次熔炼采用电流控制的熔炼参数为：漏气率控制在1.0Pa/min以下，熔炼电流为10.0kA～20.0kA，稳弧电流为直流8.0～20.0A，熔炼电压为29～37V。
4.根据权利要求1所述的一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述第二次熔炼采用恒熔速控制的熔炼参数为：漏气率控制在0.8Pa/min以下，熔炼熔速为8kg/min～14kg/min，稳弧电流为交流10～30A，熔炼电压为32～38V。
5.根据权利要求1所述的一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述第三次熔炼采用降熔速控制的熔炼参数为：漏气率控制在0.60Pa/min以下。
6.根据权利要求1所述的一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤S3的三次熔炼所采用的坩埚规格逐渐增大。
7.根据权利要求1所述的一种规格为Φ720mm的Ti-1023合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的每次熔炼后都将铸锭进行平头处理，然后掉头，再进行下一次熔炼。
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