WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭及其制法的制作方法

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭，本发明还涉及上述WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭的制备方法。

背景技术：

在航空、航天和航海领域，钛合金零部件需要在高速、高压和振动等条件下长期稳定服役，合金往往未达到极限强度时便发生断裂。为了提高钛合金零部件的使用寿命及稳定性，设计者对钛合金棒材提出了损伤容限要求，即合金在保持静强度的基础上，具有较低的裂纹扩展速率，较高的断裂韧性和抗疲劳性能。采用单纯改变合金化学成分的技术途径难以解决高强度、高断裂韧性和低裂纹扩展速率性能之间的矛盾，必须降低合金中氮和氢等有害杂质元素，合理控制碳、氧和铁等具有强化效果的间隙元素，才能减小位错迁移速率，避免形成裂纹源，最终满足损伤容限设计要求。获得高纯高均匀性的钛合金铸锭是提高损伤容限性的有效方法之一。

WSTi64E名义成分为Ti-6Al-4V，是在普通Ti-6Al-4V合金基础上发展起来的一种高损伤容限两相钛合金，该合金制备的大规格棒材、厚板或锻件能够用于大型宽体飞机整框、发动机风扇鼓桶以及海洋深潜器外壳等大尺寸零部件制造。大规格钛材在制备过程中往往容易发生合金元素偏析、变形抗力和变形速率不均匀等现象，进而降低了合金的损伤容限性能。

与其它元素相比，在2200K下，铝元素的饱和蒸气压约为240Pa，钛和钒元素的饱和蒸汽压均为10^-2Pa数量级，然而钛合金熔点接近1900K，在液态钛合金熔体中，氢、氧和氮元素极易形成气体，铝元素则随着熔体温度升高，挥发速率也随之增加，易挥发元素容易在坩埚壁冷凝形成渣壳；相比之下，钒元素则不易熔化，在较低温度下还可能形成不熔块形式的硬夹杂冶金缺陷，因此不同元素之间饱和蒸汽压差异阻碍了提升铸锭化学成分均匀性。

在真空自耗电弧熔炼工艺，以纯金属和海绵钛形式制备自耗电弧熔炼用电极块，再进行两次真空自耗熔炼，无法精确控制铝和钒等合金元素含量，还可能形成富铌形式的不熔块缺陷。因此，合金元素的配入方式和熔炼工艺是WSTi64E合金制备的关键。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭，解决了常规熔炼方法制备WSTi64E合金产生的铝元素偏析和硬夹杂的冶金缺陷问题。

本发明的另一目的是提供上述WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭，按照重量百分比有以下元素组成：Al：5.8％～6.5％，V：3.6％～4.4％，Fe：0.10％～0.25％，C：0.01％～0.05％，O：0.05％～0.12％，N<0.03％，H<0.0125％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.10％，以上组分重量百分比之和为100％。

本发明特点还在于，

V、Fe元素分别来源于钒含量为40.0％～60.0％的颗粒状铝钒合金，铁含量为50.0％～70.0％的颗粒状铝铁合金。

Al元素来源于源于铝豆、以及颗粒状铝钒和铝铁合金；C元素来源于纯度大于99.0％的石墨粉末，O元素来源于纯度大于99.0％的二氧化钛粉末。

本发明所采用的另一种技术方案是，上述WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，制备电极：

将颗粒状的铝钒合金、铝铁合金，和铝豆、碳粉和二氧化钛粉，以及小颗粒海绵钛进行单块电极混料，并压制成电极块；

步骤2，焊接自耗电极：

用夹具夹紧步骤1得到的电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接为自耗电极；

步骤3，采用真空自耗电弧炉进行对步骤2得到自耗电极进行三次真空熔炼，即得到WSTi64E钛合金铸锭。

本发明的特点还在于，

步骤1中颗粒状铝钒合金的钒含量为40.0％～60.0％，颗粒状铝铁合金的铁含量为50.0％～70.0％，碳粉为纯度大于99.0％的石墨粉末。

步骤2中电极为正方体电极。

步骤2中电极焊接的电流为300～500A，焊接电压为40～50V。

步骤3中一次熔炼参数为：坩埚规格Φ560～Φ640mm，熔前真空度≤2.0Pa，漏气率≤1.5Pa/min，熔炼电压30～40V，熔炼电流12～18kA，稳弧电流直流3.0～10.0A，冷却时间4～8h。

步骤3中坩埚规格Φ640～Φ850mm，熔前真空度≤1.8Pa，漏气率≤1.2Pa/min，熔炼电压30～40V，熔炼电流14～24kA，稳弧电流交流5.0～12.0A，冷却时间6～8h。

步骤3中三次熔炼参数为：坩埚规格Φ720～Φ920mm，熔前真空度≤1.5Pa，漏气率≤1.0Pa/min，熔炼电压32～40V，熔炼电流20～28kA，稳弧电流交流8.0～18.0A，冷却时间6～8h。

本发明的有益效果是，本发明采用颗粒状铝钒和铝铁中间合金代替块状纯钒和纯铁，选用高品位0.83～12.7mm小颗粒海绵钛，严格控制原材料中的氧含量及其它杂质元素含量，采用添加高纯碳粉和二氧化钛粉精确控制间隙元素含量。电极压制前采用单块电极混料，充分混合均匀；电极在非钨极真空等离子焊箱中完成整个电极焊接过程，避免了钨或其他杂质的污染以及电极氧化；采用真空自耗电弧炉进行三次熔炼，熔炼过程对真空度、漏气率等参数进行严格控制，使整个铸锭化学成分横向和纵向均匀性均得到提高、杂质元素含量降低。成功突破了工业5吨级和8吨级超大规格铸锭化学成分均匀性控制技术，控制了铝元素在熔炼过程中的烧损，避免了高熔点钒元素形成不熔块等冶金缺陷，有效的解决了成分偏析，杂质和间隙元素的含量控制、批次稳定性等问题，适用于Φ720～Φ920mm规格WSTi64E钛合金铸锭的工业化生产。制备得到的WSTi64E钛合金铸锭能够用于加工大型板材、整体框梁和环形锻件，适用于制造海洋压力容器、宽体飞机机身以及大型发动机鼓桶等关键零部件。

附图说明

图1是对采用本发明方法得到的铸锭纵向5点取样示意图；

图2是对采用本发明方法得到的铸锭横向9点取样示意图；

图3是本发明实例3得到的铸锭纵向5点Al、V元素含量分布图；

图4是本发明实例3得到的铸锭横向9点Al化学成分含量分布图；

图5是本发明实例3得到的铸锭横向9点V化学成分含量分布图。

图中，1.铸锭，2.纵向取样点，3.横向取样点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭，按照重量百分比有以下元素组成：Al：5.8％～6.5％，V：3.6％～4.4％，Fe：0.10％～0.25％，C：0.01％～0.05％，O：0.05％～0.12％，N<0.03％，H<0.0125％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。

上述WSTi64E高损伤容限超大规格钛合金铸锭制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，制备电极：

按照各元素重量百分比为：Al：5.8％～6.5％，V：3.6％～4.4％，Fe：0.10％～0.25％，C：0.01％～0.05％，O：0.05％～0.12％，N<0.03％，H<0.0125％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.10％，以上组分重量百分比之和为100％，计算合金配比并分别称取钒含量为40.0％～60.0％的颗粒状铝钒合金，铁含量为50.0％～70.0％的颗粒状铝铁合金，以及颗粒状铝豆，碳粉和二氧化钛粉，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料，并用大型液压机压制成电极块，压制压力≥20MPa，压制时间≥4s。

其中碳粉为纯度大于99.0％的石墨粉末；二氧化钛粉纯度大于99.0％。

步骤2，焊接自耗电极：

用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接成一个正方体电极，即为自耗电极，电极焊接的电流为300～500A，焊接电压为40～50V；

焊点要求为银灰色或淡黄色，防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷。

步骤3，采用真空自耗电弧炉进行对步骤2得到自耗电极进行三次真空熔炼：

一次熔炼：将步骤2得到自耗电极置于坩埚规格Φ560～Φ640mm，熔前真空度≤2.0Pa，漏气率≤1.5Pa/min，熔炼电压30～40V，熔炼电流12～18kA，稳弧电流直流3.0～10.0A，冷却时间4～8h，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，坩埚规格Φ640～Φ850mm，熔前真空度≤1.8Pa，漏气率≤1.2Pa/min，熔炼电压30～40V，熔炼电流14～24kA，稳弧电流交流5.0～12.0A，冷却时间6～8h，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，坩埚规格Φ720～Φ920mm，熔前真空度≤1.5Pa，漏气率≤1.0Pa/min，熔炼电压32～40V，熔炼电流20～28kA，稳弧电流交流8.0～18.0A，冷却时间6～8h，即得到WSTi64E钛合金铸锭。

本发明采用颗粒状铝钒和铝铁中间合金代替块状纯钒和纯铁，选用高品位0.83～12.7mm小颗粒海绵钛，严格控制原材料中的氧含量及其它杂质元素含量，采用添加高纯碳粉和二氧化钛粉精确控制间隙元素含量。电极压制前采用单块电极混料，充分混合均匀；电极在非钨极真空等离子焊箱中完成整个电极焊接过程，避免了钨或其他杂质的污染以及电极氧化；采用真空自耗电弧炉进行三次熔炼，熔炼过程对真空度、漏气率等参数进行严格控制，使整个铸锭化学成分横向和纵向均匀性均得到提高、杂质元素含量降低。成功突破了工业5吨级和8吨级超大规格铸锭化学成分均匀性控制技术，控制了铝元素在熔炼过程中的烧损，避免了高熔点钒元素形成不熔块等冶金缺陷，有效的解决了成分偏析，杂质和间隙元素的含量控制、批次稳定性等问题，适用于Φ720～Φ920mm规格WSTi64E钛合金铸锭的工业化生产。制备得到的WSTi64E钛合金铸锭能够用于加工大型板材、整体框梁和环形锻件，适用于制造海洋压力容器、宽体飞机机身以及大型发动机鼓桶等关键零部件。

实施例1

步骤1，按照各元素重量百分比为：Al6.5％，V4.4％，Fe0.25％，C0.05％，O0.10％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％，分别称取钒含量为40.0％～60.0％的颗粒状铝钒合金，铁含量为50.0％～70.0％的颗粒状铝铁合金，以及颗粒状铝豆，碳粉和二氧化钛粉，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料；

步骤2，将步骤1混合的原料倒入大型液压机模腔并压制成致密电极块，压制力20MPa，保压时间4s；

步骤3，用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流300A，焊接电压40V，焊点要求为银灰色或淡黄色，防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷；

步骤4，采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行三次真空熔炼，具体为：

一次熔炼：结晶器规格Φ560mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔炼电压30V～35V，熔炼电流12kA～14kA，漏气率控制在1.5Pa/min以下，稳弧电流采用直流3A～5A，熔炼后冷却时间4.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，结晶器规格Φ640mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔炼电压30V～35V，熔炼电流14kA～16kA；漏气率控制在1.2Pa/min以下，稳弧电流采用交流5A～8A，熔炼后冷却时间6.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼；结晶器规格Φ720mm，熔前真空度≤1.5Pa，熔炼电压32V～37V，熔炼电流20kA～22kA；漏气率控制在1.0Pa/min以下，稳弧电流采用交流8A～11A，熔炼后冷却时间6.0小时，得到Φ720mm的WSTi64E钛合金铸锭。

实施例2

步骤1，按照各元素重量百分比为：Al6.2％，V4.0％，Fe0.15％，C0.03％，O0.095％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％，分别称取钒含量为40.0％～60.0％的颗粒状铝钒合金，铁含量为50.0％～70.0％的颗粒状铝铁合金，以及颗粒状铝豆，碳粉和二氧化钛粉，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料；

步骤2，将步骤1混合的原料倒入大型液压机模腔并压制成致密电极块，压制力25MPa，保压时间6s；

步骤3，用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流400A，焊接电压45V，焊点要求为银灰色或淡黄色，防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷；

步骤4，采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行三次真空熔炼，具体为：

一次熔炼：结晶器规格Φ640mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔炼电压32V～37V，熔炼电流14kA～16kA，漏气率控制在1.5Pa/min以下，稳弧电流采用直流5A～8A，熔炼后冷却时间6.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，结晶器规格Φ720mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔炼电压32V～37V，熔炼电流18kA～20kA；漏气率控制在1.2Pa/min以下，稳弧电流采用交流8A～10A，熔炼后冷却时间6.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼；结晶器规格Φ850mm，熔前真空度≤1.5Pa，熔炼电压34V～40V，熔炼电流20kA～22kA；漏气率控制在1.0Pa/min以下，稳弧电流采用交流10A～12A，熔炼后冷却时间7.0小时，得到Φ850mm的WSTi64E钛合金铸锭。

实施例3

步骤1，按照各元素重量百分比为：Al5.8％，V3.6％，Fe0.10％，C0.01％，O0.05％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％，分别称取钒含量为40.0％～60.0％的颗粒状铝钒合金，铁含量为50.0％～70.0％的颗粒状铝铁合金，以及颗粒状铝豆，碳粉和二氧化钛粉，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料；

步骤2，将步骤1混合的原料倒入大型液压机模腔并压制成致密电极块，压制力28MPa，保压时间6s；

步骤3，用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流500A，焊接电压50V，焊点要求为银灰色或淡黄色，防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷；

步骤4，采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行三次真空熔炼，具体为：

一次熔炼：结晶器规格Φ720mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔炼电压35V～40V，熔炼电流16kA～18kA，漏气率控制在1.5Pa/min以下，稳弧电流采用直流8A～10A，熔炼后冷却时间8.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，结晶器规格Φ850mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔炼电压35V～40V，熔炼电流22kA～24kA；漏气率控制在1.2Pa/min以下，稳弧电流采用交流10A～12A，熔炼后冷却时间8.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；

三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼；结晶器规格Φ920mm，熔前真空度≤1.5Pa，熔炼电压35V～40V，熔炼电流24kA～28kA；漏气率控制在1.0Pa/min以下，稳弧电流采用交流16A～18A，熔炼后冷却时间8.0小时，得到Φ920mm的WSTi64E钛合金铸锭。

按照图1和2所示，对实施例中制得的规格分别为Φ720mm、Φ850mm和Φ920mm的WSTi64E合金5吨、5吨和8吨级工业大型铸锭的纵向头、上、中、下、尾5点和横截面9点进行取样及化学成分检测，数据显示铸锭各部位各元素成分分布均匀以及批次间的稳定性较好；以及对铸锭头、中、尾部位切片进行X射线透射，结果显示未发现任何成分偏析和冶金缺陷；其中实例3得到的Φ920mm规格WSTi64E钛合金铸锭纵向5点和横向9点化学成分分析结果分别如图3、4、5所示(纵坐标为元素重量百分比)，其中纵向5点化学成分在表1中列出，图4、图5分别表示各元素的不同取样点的含量分布。可见各元素成分分布均匀。

表1Φ920mm规格WSTi64E钛合金铸锭纵向5点化学成分列表

由测试结果可知，采用本发明的熔炼工艺技术生产的WSTi64E钛合金工业级大型铸锭成分均匀，并且批次稳定性良好，适用于工业化生产。