一种钛合金大型匀质铸锭的制备方法与流程

【技术领域】

本发明属于钛合金熔炼方法技术领域，具体涉及一种钛合金大型匀质铸锭的制备方法。

背景技术：

在规模生产实践中，钛及钛合金铸锭的制备常采用真空自耗重熔法。真空自耗熔炼操作方便，可以有效控制杂质元素的含量，经过多次重熔可以得到成分均匀的大型铸锭。

真空自耗熔炼必须预先制备自耗电极，大型铸锭相应的合金电极块单重也较大，常采用混料机对钛及其合金元素进行机械混合。例如常规钛合金ti-6al-4v电极块的制备：将海绵钛、中间合金、钛白粉等一起倒入混料机中，旋转一定时间后，将混合料倒入模具中，压制成钛合金电极块。

混料过程中，存在物料不均匀分布的潜在风险，这主要是由原料颗粒尺寸与密度不同所引起的。由于常规海绵钛的颗粒大小不等，处于2-25.4mm。合金料(如铝钒合金)的颗粒较小，一般小于8mm，且部分呈粉末状。经过混料机混合后，会出现较小颗粒与较大颗粒相对聚集，区域性分布的现象。装入模具、压制成型的过程，在很大程度上并没有改变这种分布趋势。糟糕的是小颗粒区域中包含较多的小颗粒海绵钛与中间合金料，大颗粒区域中含有较大颗粒海绵钛与较少的中间合金料。具备这样特点的电极块组焊后，经过多次真空自耗熔炼，并不能根本改变原先的区域分布。可以想象铸锭的某一部分中，就会存在两种不同组分的区域分布，即形成了成分偏析。原先小颗粒聚集的区域，钛元素含量较低，合金化元素含量较高，合金的相变点偏低。原先大颗粒聚集的区域钛元素含量较高，合金化元素含量较低，合金的相变点偏高。这种成分偏析不会在后续的热加工中消除，将一直遗传到钛材成品，造成组织不合格，产品报废。

要制备2-3吨的大型铸锭，单个电极块的重量大于100kg。若直接一次性压制，上述混料的不均匀性增大，实际生产过程中经常出现成分偏析的现象。因此，大型铸锭的电极块，常采用分块压制，组焊的方法。但这样的操作只是降低了成分偏析出现的风险，也不能从理论上消除混料过程大小颗粒区域性分布的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钛合金大型匀质铸锭的制备方法，以解决铸锭中出现的成分偏析的问题。

本发明采用以下技术方案，一种钛合金大型匀质铸锭的制备方法，该方法中使用模具型腔，模具型腔内放置有可拆卸的辅助支架，辅助支架用于将模具型腔内部空间分成水平排布的n个格挡，其中n≥16为正整数；

该制备方法具体包括以下步骤：

步骤1、将海绵钛按照颗粒大小分为大颗粒海绵钛和小颗粒海绵钛；

步骤2、将大颗粒海绵钛、小颗粒海绵钛分别与中间料进行称料，并将得出n份混合原料，分别倒入n个格挡中，且满足相邻两个格挡内的混合原料分别包含大颗粒海绵钛和小颗粒海绵钛；

步骤3、将辅助支架从模具型腔取出；

步骤4、启动压机，采用短行程立式压制将模具型腔内的混合原料一次性压制成大单重电极块；

步骤5、重复执行步骤1至步骤4，获取多个大单重电极块，组焊为自耗电极，并将自耗电极进行2-3次真空自耗熔炼得到均匀性良好的钛合金大型匀质铸锭。

进一步地，海绵钛为0级海绵钛，大颗粒海绵钛的粒径大于12.7mm，小颗粒海绵钛的粒径小于等于12.7mm。

进一步地，每个格挡在水平方向上的长边尺寸为60-120mm。

进一步地，辅助支架包括多个竖直且相互交叉设置的支板，每个支板的材料均为纯钛或钛合金ti-6al-4v。

进一步地，辅助支架的每个支板的竖直截面为：上部为矩形，且下部的厚度逐渐减小呈楔形。

进一步地，步骤4中得到的电极块，其压制方向上的长度小于垂直压制方向上的长度。

进一步地，步骤4中电极块单重为100-180kg。

进一步地，压机选用3500t液压机。

本发明的有益效果是：在不提高海绵钛品级与成本的前提下，将海绵钛预先筛分，将大颗粒与小颗粒分别与中间合金料混合。压制电极时，利用辅助支架预先放置于模具型腔中，将整个型腔体积分为几个部分，并将大小颗粒相间放置，使其均匀有序地分布，再将支架取出后，统一压制成型。如此布料的自耗电极，电极块压制完成后，组焊为自耗电极，便可进行后续的真空自耗熔炼。在熔炼过程中，大小颗粒的区域可以有效地相互扩散熔合，不会出现成分偏析。本发明通过分而治之，相间分布，统一压制，提高了铸锭的内在品质。

【附图说明】

图1为本发明实施例中辅助支架将模具型腔划分为十六份及支板横截面的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种钛合金大型匀质铸锭的制备方法，该方法尤其适用于真空自耗熔炼制备2-3吨大型钛合金铸锭。如图1所示，该方法中使用模具型腔，在模具型腔内预先放置有可拆卸的辅助支架，辅助支架用于将模具型腔内部空间分成水平排布的n个格挡，其中n≥16为正整数。

辅助支架可以根据电极块的单重、配料元素的具体要求、模具型腔的规格等条件设计不同的结构和划分不同的份数。另外，每个格挡在水平方向上的长边尺寸为60-120mm。

为了适应钛材的工装条件，辅助支架包括多个竖直且相互交叉设置的支板，每个支板的材料均为纯钛或常用钛合金ti-6al-4v，为了方便取出，辅助支架的每个支板的竖直截面为上宽下窄的斜面型，即辅助支架的每个支板的竖直截面为上部为矩形，且下部的厚度逐渐减小呈楔形。

该制备方法具体包括以下步骤：

步骤1、预先将海绵钛按照颗粒大小进行筛分，筛分为大颗粒海绵钛和小颗粒海绵钛；海绵钛选择为0级海绵钛，大颗粒海绵钛为粒径大于12.7mm，小颗粒海绵钛的粒径小于等于12.7mm。

步骤2、将大颗粒海绵钛和小颗粒海绵钛分别与中间料进行称料，并将得出的n份混合原料，分别倒入n个格挡中，且满足相邻两个格挡内的混合原料分别包含大颗粒海绵钛和小颗粒海绵钛；

根据钛合金的配比与辅助支架的分割份数，分别称料、混料，倒入相应的格挡中，特别是大、小颗粒海绵钛分别与中间合金料混合，相间分布，如图1所示，横竖方格形辅助支架将模具型腔划分为十六份，则需要称料、混料十六次，其中“+”、“-”表示大小颗粒海绵钛分别与中间合金料混合，相间分布于模具型腔中。

步骤3、松动辅助支架，在不影响格挡中原有布料的情况下，将辅助支架从模具型腔取出。

步骤4、启动压机，采用短行程立式压制将模具型腔内的混合原料一次性压制成大单重电极块；该方法压制成的电极块单重大于等于100kg，优选的电极块单重为100-180kg。

短行程立式压制是指压机上模架抬起的高度尽量小，缩短压机的行程。其内涵是指立式压制方向的尺寸是电极块形状的最小尺寸，得到的电极块的高度小于直径，即得到的电极块的压制方向上的长度小于电极块垂直压制方向上的长度，这样有利于电极块压实密度的均匀性，选用设备为3500t液压机。

步骤5、重复执行步骤1至步骤4，获取多个大单重电极块，并组焊为自耗电极，并依次将每个自耗电极进行2-3次真空自耗熔炼得到均匀性良好的钛合金大型匀质铸锭。

实施例1ta2纯钛φ620-2880kg铸锭熔炼方法：原材料选用0级海绵钛、工业纯fe钉，钛白粉。合金配比按照成分ti-0.25fe-0.20o(wt％)。预先将海绵钛进行筛分，以12.7mm分界简单地分为大小两种颗粒。

在φ460的模具型腔中预先放置方格形辅助支架，将型腔分为十六份。分别按10kg的重量配料、称料16次，倒入16个格档中。特别将大小颗粒混合料相间放置。松动取出支架后，一次性压制成φ460-160kg的ta2纯钛电极块。压成的大单重电极块厚度约300mm。

共制备18个电极块，组焊为2个自耗电极。后续经过真空自耗熔炼2次，获得φ620-2880kg铸锭。铸锭上部、中部、下部fe元素含量的检测结果为0.25％、0.23％、0.24％。o元素含量的检测结果为0.20％、0.18％、0.21％。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。

实施例2tc4(ti-6al-4v)钛合金φ620-3000kg铸锭熔炼方法：原材料选用0级海绵钛、alv55中间合金、工业纯铝豆，合金配比按照ti-6.2％al-4.2％v(wt％)。预先将海绵钛进行筛分，以12.7mm分界简单地分为大小两种颗粒。

在φ380的模具型腔中预先放置方格形辅助支架，将型腔分为十六分。分别按6.25kg的重量配料、称料十六次，倒入十六个格档中。特别将大小颗粒混合料相间放置。松动取出支架后，一次性压制成φ380-100kg的tc4钛合金电极块。压成的大单重电极块厚度约300mm。

共制备30个电极块，组焊为4个自耗电极。后续经过真空自耗熔炼3次，获得φ620-3000kg铸锭。铸锭上部、中部、下部元素含量的检测结果为：al％＝6.25％、6.30％、6.26％；v％＝4.20％、4.25％、4.24％；fe％＝0.15％、0.13％、0.14％；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。

压料用辅助支架可以根据电极块的单重，原材料及配料的要求，模具型腔的规格等条件设计不同的结构，并不局限于本发明中提到的结构类型。