【技术领域】
本发明属于钛合金熔炼和锻造技术领域，具体涉及一种tb13钛合金熔炼及开坯锻造方法。
背景技术：
钛合金tb13(ti-4al-22v)是一种β型钛合金，具有优良的超弹性，冷加工性。主要应用于电子、机械、家电、医疗卫生及眼镜架等生活日用品等各个领域。
tb13合金含有较高含量的β稳定元素v，使合金在室温下可得到单相的β组织，也使其获得了良好的冷加工性。生产实践中，熔炼原材料通常以alv中间合金的方式添加al、v元素。tb13合金需要v含量较高的alv85合金，但其v含量处于83-86％之间，若出现v含量较低的情况就很难满足tb13合金中al、v元素的配比。同时，该合金由于合金元素含量较高，对杂质元素的含量非常敏感，必须严格控制杂质元素的含量。
在钛合金分类中，为实现β化或者近β化，需添加大量的合金元素，降低合金的β转化温度。常用β-ti合金的相转变温度处于700-800℃之间，热加工时温度过高，保温时间过长会导致材料脆性增强。因此，该合金的热加工工艺参数中，对温度的窗口要求较高。尤其是不能过高，易产生高温脆性，发生脆断。
为实现tb13合金良好的力学性能，熔炼方法与开坯锻造工艺是研究该合金的重要方向。β-ti合金是对热加工参数非常敏感的一类钛合金。如采用较大锭型，势必提高开坯锻造的加热温度，并需要较长的保温时间。同时加工的火次也会增加，又增加了合金的高温受热时间。例如φ460-1200kg的钛合金锭型，开坯锻造的温度处于1050-1150℃，保温时间4-5h。至少需要2火次才能变形至□110mm(即截面边长为110mm的方形坯料)。这些因素都将对合金的性能产生不良的影响。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种tb13钛合金熔炼及开坯锻造方法，以减少能耗，减少铸锭过程中发生高温脆性的风险，提高了材料的强度及塑性。
本发明采用以下技术方案，一种tb13钛合金熔炼及开坯锻造方法，具体包括以下步骤：
步骤1、以0级海绵钛、alv中间合金、工业纯铝为原料，按照tb13钛合金的成分配比进行称料、混料，并倒入模具型腔内；所述alv中间合金中各元素重量百分比为v＝86.5％-88.5％，o≤0.30％，c≤0.05％；
步骤2、启动压机，对模具型腔内的混合原料进行压制，得出电极块，所述电极块的尺寸为φ100mm；
步骤3、重复执行步骤1至步骤2得到多个电极块，并组焊为自耗电极；
步骤4、将自耗电极进行至少4次自耗重熔，得到tb13钛合金铸锭，所述tb13钛合金铸锭尺寸为φ380mm，重量为500-800kg。
步骤5、将tb13钛合金铸锭于800-850℃装炉，加温度至950-980℃，到温后保温3-3.5h，一次性实现将φ380mm的tb13钛合金铸锭锻造为截面边长为110mm的方形坯料。
进一步地，所述0级海绵钛为小颗粒海绵钛，其粒径为3-12.7mm；所述alv中间合金的颗粒粒径小于等于8mm。
进一步地，步骤2中得到的电极块单重为10kg。
进一步地，所述压机为2000t液压机。
进一步地，步骤4中首次重熔时，真空自耗熔炼炉内真空度大于等于100pa，后续自耗炉熔炼真空度大于等于10-1pa。
进一步地，所述真空熔炼炉为1.5t真空自耗熔炼炉。
进一步地，步骤5中锻造设备选用1600t快锻机。
本发明的有益效果是：本发明适合于近β或β型钛合金的熔炼与开坯锻造的工艺制度，β钛合金采用小锭型、低温锻造工艺，减少铸锭在开坯锻造过程中高温区的停留时间，提高了材料的强度及塑性，为后续加工奠定了良好的基础，这类钛合金的β相转变点基本处于700-800℃的范围，材料的性能受热加工工艺的影响很大，本发明对于合金元素含量较多的β钛合金，通过多次熔炼实现充分熔合，洁净，均匀的小型铸锭，并实施低温锻造工艺，减少铸锭发生高温脆性的风险，提高了材料的强度及塑性，为后续加工奠定了良好的基础。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种tb13钛合金熔炼及开坯锻造方法，该方法研究一种小锭型低温锻造工艺。采用至少4次的真空自耗熔炼方法制备600kg左右的tb13合金小型铸锭，然后在较低的温度下进行大变形量开坯锻造，实现该合金的良好性能。
tb13钛合金属于β钛合金，本发明采用小锭型、低温锻造工艺，减少铸锭在开坯锻造过程中高温区的停留时间，提高了材料的强度及塑性，为后续加工奠定了良好的基础。
具体包括以下步骤：
步骤1、以0级海绵钛、alv中间合金、工业纯铝豆为原料，按照tb13钛合金的成分配比进行称料、混料，并倒入模具型腔内；
合金力学性能与铸锭成分的对比分析得出：c、o含量的增大会恶化材料力性，alv中间合金理想的控制含量：c≤0.02％、o≤0.15％。因此，对原材料0级海绵钛、alv合金的杂质含量要严格控制。
本发明中原材料采用0级海绵钛、工业纯铝豆、alv中间合金。其中alv中间合金的颗粒尺寸≤8mm，即其粒径小于等于8mm，同时要适当提高v的含量，则alv中间合金中各元素重量百分比为具体要求为：v＝86.5-88.5％，o≤0.30％，c≤0.05％。海绵钛选为小颗粒，其粒径为3-12.7mm。
步骤2、启动压机，对模具型腔内的混合原料进行压制，得出电极块；电极块单重为10kg，尺寸为φ100，长度为400mm。
根据tb13钛合金的成分配比，分别称料、混料后，压制得出电极块尺寸为φ100-10kg，长约400mm。选用设备为2000t液压机。
步骤3、重复执行步骤1至步骤2得到多个电极块，并组焊为自耗电极；
步骤4、将自耗电极进行至少4次自耗重熔，得到tb13钛合金铸锭，铸锭重量为500-800kg，tb13钛合金铸锭尺寸为φ380(即铸锭截面直径为380mm)。
首次重熔时，选用φ160mm水冷铜坩埚，且真空度不低于100pa，即真空自耗熔炼炉内真空度大于等于100pa，后续真空自耗炉熔炼真空度不低于10-1pa，选用设备为1.5t真空自耗熔炼炉。
步骤5、将tb钛合金铸锭于800-850℃装炉，加温度至950-980℃，到温后保温3-3.5h，采用自由锻造的方式，进行开坯锻造。一次性实现φ380→□110的变形(即一次性将φ380mm的tb13钛合金铸锭锻造为截面边长为110mm的方形坯料)，一火次变形量达到89％，即一火次变形量大于85％，中间可适当回火。锻造设备选用设备为1600t快锻机。
实施例1tb13(ti-4al-22v)合金的φ380-600kg铸锭熔炼及开坯锻造方法：先将原材料0级海绵钛、工业纯铝豆、alv中间合金按照ti-4.2al-21v(wt％)配比，进行称料，混料。电极块压制选用2000t液压机，电极块单重10kg，尺寸为φ100×400mm。
共制备60个电极块，组焊为12个自耗电极。后续经过真空自耗熔炼4次，获得φ380-600kg铸锭。铸锭上部、中部、下部元素含量的检测结果为：v％＝21.05％、21.10％、20.96％；al％＝4.20％、4.25％、4.24％；c％＝0.015％、0.018％、0.017％；o％＝0.14％、0.13％、0.14％。该锭号材料在后续加工过程中，未发现内部存在组织与成分偏析的现象。
开坯锻造的设备为1600t快锻机，加热温度950-980℃，铸锭于800-850℃装炉，到温后保温3-3.5h。采用自由锻造的方式，一次性实现φ380→□110的变形，中间回火一次。锻后方坯外观平整，无较大较深的表面裂纹。经后续加工，tb13合金两种规格丝材的室温力学性能见表1。相对于大锭型，高温锻造工艺，本发明方案制备的tb13合金丝材的强度与塑性指标均有所提高。尤其是，延伸率a达到22％-28％，旧工艺丝材的延伸率a处于13％-20％之间。断面收缩率z达到70％以上，旧工艺丝材的z值一般不超过65％。表明，本发明方案制备的tb13合金丝材具有更优良的室温力学性能。
表1tb13合金室温力学性能