本发明是一种ti153大尺寸合金铸锭真空自耗电弧炉熔炼工艺，属于大尺寸钛合金铸锭熔炼技术领域。
背景技术：
ti153钛合金是一种ti-v-cr-sn-al系亚稳态β型钛合金。ti153钛合金的主要特点是比强度高、断裂韧性好、锻造温度低和抗应力腐蚀能力强，适合于制造高强度的钛合金锻件。ti153钛合金综合力学性能优异，可以通过热处理在广阔范围内进行调整，实现不同强度、塑性和韧性水平的匹配。满足探伤容限设计的需要和高结构效益、高可靠性及低制造成本的要求。随着航空工业的发展，ti153钛合金已经广泛的应用于飞机的冷镦铆钉和螺栓；同时，在民用中主要用于要求较高强度的各种接头和传动装置。但ti153钛合金合金成分复杂，ti153钛合金的名义成分为ti-15v-3cr-3sn-3al。在铸锭的熔炼过程中，由于复杂的化学成分和各化学元素本身的性质极易导致元素偏析，化学成分不合格导致铸锭合格率低，因此对ti153钛合金大规格铸锭熔炼工艺提出了更高的要求。
技术实现要素：
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种ti153大尺寸合金铸锭真空自耗电弧炉熔炼工艺，其目的是针对ti153钛合金锻件要求，实现工业化大规模生产ti153钛合金铸锭，达到铸锭产品质量稳定、铸锭组织及成分均匀、元素偏析小的要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种ti153大尺寸合金铸锭真空自耗电弧炉熔炼工艺，其特征在于：该工艺方法包括对ti153合金进行三次真空自耗电弧炉熔炼，得到成品铸锭；在第三次真空自耗电弧炉熔炼时，成品铸锭熔炼速度为3～5kg/min，在熔炼过程中充入氦气加强冷却，氦气流量为450～550ml/min。
进一步，成品铸锭的直径为φ540～650mm。
在一种实施中，第一次真空自耗电弧炉熔炼的熔炼速度保持为6～10kg/min。
在一种实施中，第一次真空自耗电弧炉熔炼得到的铸锭直径为φ460mm。
在一种实施中，第二次真空自耗电弧炉熔炼的熔炼速度保持为9～13kg/min。
在一种实施中，第二次真空自耗电弧炉熔炼得到的铸锭直径为φ540mm。
在一种实施中，在第三次真空自耗电弧炉熔炼时，成品铸锭熔炼速度为4.6～5kg/min，在熔炼过程中充入氦气加强冷却，氦气流量为450～480ml/min。
在一种实施中，在第三次真空自耗电弧炉熔炼时，成品铸锭熔炼速度为4.5～5kg/min，在熔炼过程中充入氦气加强冷却，氦气流量为500～520ml/min。
本发明技术方案与现有技术相比具有的特点及优点如下：
1、本发明ti153钛合金大尺寸铸锭真空自耗电弧炉制备方法，针对的成品铸锭直径大于500mm，其中第三次真空自耗电弧炉熔炼的熔炼速度不高于5kg/min。常规真空自耗电弧炉熔炼的大尺寸钛合金铸锭熔炼速度为10～15kg/min，本发明技术方案通过采用procast模拟研究和试验相结合，反复研究确定了3～5kg/min的熔炼速度，从研究过程可以看出，低于3kg/min的熔炼速度，在实际生产中容易导致熔炼电弧断裂，甚至出现爆炸的情况，使生产不能连续。该参数的的确定虽然降低了熔炼的生产效率，但是能够明显地保障了合金成分的一致性，解决了长期困扰熔炼中成分不均匀的问题，并能够保证真空自耗电弧炉中ti153钛合金高温熔液熔池较浅，浅熔池熔炼有利于铸锭冷却凝固，减少了元素在熔液中的迁移时间，有效降低了合金元素偏析。
2、本发明技术方案中的第三次真空自耗电弧炉熔炼时，在真空自耗电弧炉水冷铜坩埚底部充入氦气，氦气流量控制在450～550ml/min之间。普通钛合金铸锭熔炼过程均不充氦熔炼。由于铸锭冷却收缩在铸锭与水冷铜坩埚内表面会形成间隙，从水冷铜坩埚底部充入氦气能够增大了间隙间的导热系数，因此加强了铸锭冷却。
具体实施方式：
实施例1
该实例针对ti153合金，通过三次真空自耗电弧炉熔炼，最终得到φ540mm、总量约2吨的ti153钛合金成品铸锭，该制备方法如下：
步骤一、将海绵钛和合金料采用机械方法进行混匀，并压制成电极；每块电极重111.5kg，直径φ310mm，长400mm，共18块，总重量2007kg；将9块电极采用真空等离子焊箱焊接在一起，共焊接出两支一次锭电极；
步骤二、将步骤一中焊接好的一次锭电极采用真空自耗电弧炉进行第一次熔炼，熔炼速度保持为6～7kg/min，一次熔炼后得到直径φ410mm、高1720mm的ti153一次铸锭两支；
步骤三、二次熔炼使用的电极为一次铸锭，将两支一次铸锭通过真空自耗电弧炉炉内焊焊接在一起，进行第二次真空自耗电弧炉熔炼；熔炼速度保持为9～10kg/min，二次熔炼后得到直径φ480mm、高2550mm的tb6二次铸锭一支；
步骤四、进行成品铸锭真空自耗电弧炉熔炼，成品铸锭熔炼的电极是上一次熔炼得到的二次铸锭；成品铸锭熔炼速度4.6～5kg/min，且在熔炼过程中水冷铜坩埚底部充入氦气加强冷却，氦气流量为450-480ml/min，熔炼后得到直径φ540mm的ti153铸锭。
对φ540mm的成品ti153钛合金2吨铸锭头、中、底部化学成分检测，其成分合格，元素偏析小，具体成分见表1。
实施例2
该实例针对ti153合金，通过三次真空自耗电弧炉熔炼，最终得到φ610mm、总量约3吨的ti153钛合金成品铸锭，该制备方法如下：
步骤一、将海绵钛和合金料采用机械方法进行混匀，并压制成电极；每块电极重110kg，直径φ310mm，长400mm，共28块，总重量3080kg；将7块电极采用真空等离子焊箱焊接在一起，共焊接出四支一次锭电极；
步骤二、将步骤一中焊接好的一次锭电极采用真空自耗电弧炉进行第一次熔炼，熔炼速度保持为8～9kg/min，一次熔炼后得到直径φ460mm、高1100mm的ti153一次铸锭四支；
步骤三、二次熔炼使用的电极为一次铸锭，将两支一次铸锭通过真空自耗电弧炉炉内焊焊接在一起，进行第二次真空自耗电弧炉熔炼；熔炼速度保持为11-12kg/min，二次熔炼后得到直径φ540mm、高1560mm的ti153二次铸锭两支；
步骤四、进行成品铸锭真空自耗电弧炉熔炼，成品铸锭熔炼的电极是上一次熔炼得到的二次铸锭；将两支二次铸锭通过真空自耗电弧炉炉内焊焊接在一起，进行成品铸锭熔炼。成品铸锭熔炼速度4.5～5kg/min，且在熔炼过程中水冷铜坩埚底部充入氦气加强冷却，氦气流量为500-520ml/min，熔炼后得到直径φ610mm的ti153大尺寸铸锭。
对φ610mm的ti153钛合金大尺寸铸锭头、中、底部化学成分检测，其成分合格，元素偏析小，具体成分见表1。
表1ti153钛合金大尺寸铸锭化学成分
以上所述，仅是采用本发明生产合格ti153钛合金铸锭的两个实例，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作出的任何简单修改、变更及等效变化，或运用相同原理用于其它钛合金牌号铸锭熔炼，均仍属于本发明技术方案的保护范围。