一种电子束冷床炉采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法

专利名称：一种电子束冷床炉采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法
技术领域：
本发明属于钛合金铸锭制造技术领域，尤其是涉及一种电子束冷床炉 采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法。
背景技术：
钛合金铸锭中经常出现高密度夹杂和低密度夹杂等冶金缺陷，且上述 缺陷成为钛合金零部件的疲劳裂紋源，并且降低钛合金零部件的使用寿
命。为了生产优质高洁净航空发动机转动件用钛合金，在20世纪80年代 末，国际上引入了冷床熔炼技术。到目前为止，美国三大钛公司均装备了 冷床炉，并已形成35000T/年的冷床炉生产能力。美国约40%的飞机发动 机旋转件用钛合金铸锭是通过冷床炉+真空自耗电弧炉熔炼生产的。电子 東冷床炉熔炼技术除能比较好地消除高密度和低密度夹杂，获得细晶均质 铸锭外，还具有以下很多优点例如可以大幅度降低钛合金板材的生产成 本；能大量回收残料，可以100%地利用残料作原料；可生产扁锭、空心锭， 减少板材与管材生产时的后续加工；对某些用途可以一次熔炼成锭。美国 率先针对电子東冷床炉单次熔炼技术展开了研究，电子東冷床炉单次熔炼 Ti-6A1-4V合金铸锭直接轧制的板材有望在航空、兵器等领域获得实际应 用，并形成了 AMS 6945标准。
美国1988年针对航空应用中质量要求较高的转子零件的夹杂控制问 题，对电子東冷床炉+真空自耗电弧炉的2次熔炼生产钛合金铸锭开展了 大量的研究工作。原料质量配比为Ti-6A1-4V合金返回料为68%、块状 纯钛料为17%、海绵钛10%和合金元素含量为5%,熔炼了直径为(D635mm, 重量为4300kg4个电子東冷床炉一次铸锭。沿铸锭的长度方向在6个高度 处进行取样分析，测得了 Al、 V、 O的含量。Al含量在铸锭初始阶段含量较低，当铸锭达到125mm，铸锭的熔化和铸造的热平衡进入稳定阶段，Al、 V、 0的成分变化较小，单次熔炼的成分控制在标准规定的范围内。
Timet公司拥有一台3. 2MW电子東冷床炉，有5个电子枪，3个750kw, 2个500kW,可生产508 mm x 1524 mmx 4699mm且重达16. 4t的钬板坯和 直径914mm x 4699 mm且重达13. 6t的钛铸锭。文献报道了，采用该公司 的电子東冷床炉，原料质量配比为62. 4%的Ti-6A1-4V返回料、31. 6°/。海绵 钛、6%的Al豆和V0A1中间合金，熔炼了 3994kg铸锭。铸锭每隔12. 5cm 取液态样进行化学成分分析，测得的成分结果为Al: 6. 05 ~ 6. 66% , V: 3. 9 ~ 4. 25%， Fe: 0. 14 ~ 0. 155% ， C: 0. 02 ~ 0. 026% , 0: 0. 16 ~ 0. 181%。 电子東冷床炉单次熔炼Ti-6A1-4V铸锭Al、 V、 O元素沿长度方向的分布 情况表明，Al易挥发元素得到了很好的控制，在标准偏差范围内。
ATI公司拥有一台世界上最大的电子東冷床炉，该电子束冷床炉配有 8个电子枪，总功率为5. 4MW,熔炼速度可以达到3. 624T/h，可以生产各 种形状及尺寸的钬及钬合金铸锭，扁锭的尺寸为863. 583mmxl422. 372mm, 圆形铸锭的直径为761. 985mm,重量达到25. 368吨。ATI公司开展了电子 東冷床炉单次熔炼Ti-6A1-4V钬合金铸锭的生产试验，目的是为了验证电 子東冷床炉熔炼的铸锭在航空领域的应用前景。截至到2006年，共生产 了 5个Ti-6A1-4V合金铸锭，并轧制成不同规格的板材，化学成分均匀，
在标准要求的范围之内。
日本东邦公司拥有一台2000kw的电子束冷床炉，由4个电子枪提供 热源且4个的功率为600 KW,可生产的钛锭规格为675xl750mm(重10吨) 和700x1000mm (重8T)。到目前为止由于Al挥发元素的控制困难，曰本 东邦公司的电子東冷床炉主要用于熔炼纯钛锭，原料主要为海绵钛、钛屑 及其它返回料。2001年公司决定开展电子東冷床炉在钬合金熔炼方面的研 究，并取得了较好的研究结果。
综上所述，电子束冷床炉自身具有与传统自耗电弧炉无法比拟的优 点，得到人们的认可。然而该工艺在熔炼过程中真空度较高，蒸汽压比Ti高的Al、 Cr、 Mn等元素成分控制较困难。目前电子東冷床炉一次熔炼钛 合金铸锭技术大量使用返回料，但是由于返回料的产量还是相当有限的， 因而限制该技术在钛合金铸锭熔炼方面的应用。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种电子東冷床炉釆用常规原材料制备钛合金铸锭的方法，其制备工艺简 单、操作方便、使用效果好且能釆用单质铝和铝的中间合金等常规原材料 成功制备钛合金铸锭，能有效解决现有钛合金铸锭生产工艺中必须大量使 用返回料的缺陷和不足。
为解决上述技术问题，本发明釆用的技术方案是 一种电子束冷床炉釆 用常规原材料制备钛合金铸锭的方法，其特征在于该方法包括以下步骤
步骤一、确定制备钛合金铸锭用原料的各组分种类及其对应的添加 量，所述制备钛合金铸锭用原料由单质铝、铝的中间合金、附加添加物和 作为基体的海绵钛组成首先，根据公式M-(O. 5~0. 7)X+(0. 7~0. 9)Y确 定所述钛合金铸锭用原料中单质铝和铝的中间合金的添加量，其中X为单 质铝的添加量，Y为铝的中间合金的添加量，M为需制备成型钬合金铸锭 中铝的含量；其次，根据制备成型钛合金铸锭的实际成分，相应确定除单 质铝和铝的中间合金外需添加的附加添加物种类及其添加量；最后，根据 所确定出的单质铝、铝的中间合金和附加添加物的添加量，相应推出海绵 钬的添加量；
步骤二、按照步骤一中所述制备钛合金铸锭用原料各组分的添加量， 分别称取相应质量的单质销、铝的中间合金、海绵钬和附加添加物；
步骤三、将称好的所述制备钛合金铸锭用原料的各组分混合后放入油 压机内压制成电极；
步骤四、釆用电子束冷床炉相继对所压制成的电极进行熔炼和铸模， 制得成型的钛合金铸锭；所述电子束冷床炉的熔炼速度为80~150kg/h,熔化功率为250 - 300kw,铸模功率25~40kw;所述电子束冷床炉的结晶 器即铸模用坩埚的直径为220mm。
步骤一中所述的铝的中间合金为Al-Si、 A1-Mo、 Al-Nb、 A1-Sn或Al-V 合金的一种或多种。
步骤一中所述制备钛合金铸锭用原料中，铝元素、海绵钛与除铝元素 和海绵钛外其它元素的质量百分比为1~16% : 72~98% : 1~22%。
本发明与现有技术相比具有以下优点
1、 设计合理、制备工艺步骤简单且操作方便。
2、 使用效果好，本发明较真空自耗电弧炉三次熔炼技术而言，本发 明即电子東冷床炉一次熔炼技术在降低钛材的加工成本及提高生产效率 方面具有更强的优势；同时可提高钛合金铸锭的洁净度，获得高质量铸锭， 提高钛合金零件的实用寿命，满足航空航天飞行器、汽车以及体育用品对 高质量钛材的需求。
3、 本发明采用单质铝和铝的中间合金等常规原材料即可成功制备出 钛合金铸锭，在扩大上述原材料的使用范围，更大限度利用钛资源的同时， 进一步减少了钛合金铸锭的生产成本和制备难度。
综上所述，本发明制备工艺简单、操作方便、使用效果好且能釆用单 质铝和铝的中间合金等常规原材料成功制备钛合金铸锭，并且所制备的钛 合金铸锭性能优良，能有效解决现有钛合金铸锭上产工艺中必须大量使用 返回料的缺陷和不足。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。


图l为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式
实施例1如图1所示，本发明所述的电子東冷床炉釆用常规原材料制备钛合金
铸锭的方法，包括以下步骤
步骤一、确定制备钛合金铸锭用原料的各组分种类及其对应的添加 量，所述制备钛合金铸锭用原料由单质铝、铝的中间合金、附加添加物和
作为基体的海绵钛组成首先，根据公式M-(O. 5~0. 7)X+(0. 7~0. 9)Y确 定所述钛合金铸锭用原料中单质铝和铝的中间合金的添加量，其中X为单 质铝的添加量，Y为铝的中间合金的添加量，M为需制备成型钛合金铸锭
中铝的含量；其次，根据制备成型钛合金铸锭的实际成分，相应确定除单 质铝和铝的中间合金外需添加的附加添加物种类及其添加量；最后，根据 所确定出的单质铝、铝的中间合金和附加添加物的添加量，相应推出海绵 钛的添加量。所述制备钛合金铸锭用原料中，铝元素、海绵钛与除铝元素 和海绵钛外其它元素的质量百分比为1~16% : 72~98% : 1~22%。所述铝 的中间合金为A1-Si、 A卜Mo、 Al-Nb、 A1-Sn或A1-V合金的 一种或多种。
本实施例中，所述铝的中间合金为A1-85V合金，其中Fe<0.3wt%， Si<0. 3wt°/。， C<0. 3wt%。所述单质钼为铝豆(Al豆)，其中Fe<0. 2wt%， Si<0. 12wt%, Ga<0. 03wt%， Cu<0. 01wt%， Mg<0. 01wt%， Zn<0. 03wt%。所述 需制备成型钛合金铸锭为TB6钛合金铸锭，其实际成分为Al:3. 2~2. 9 wt%, V:10. 4 ~ 11. 7wt%, Fe: 2. 25 ~ 2. 72wt%。
首先，根据公式M= (0. 5 ~ 0. 7) X+ (0. 7 ~ 0. 9) Y确定Al豆和Al-85V合 金的添加量X和Y， M为TB6钛合金铸锭中AL元素的含量。之后，根据制 备成型钛合金铸锭即TB6钛合金铸锭的成分相应需添加的附加添加物为 Fe丝并相应确定Fe丝的添加量，Fe丝中0<0. lwt%、 Cu<0. lwt%。最后， 确定完Al豆、A1-85V合金和Fe丝的添加量后，相应推出最后一个组分海 绵钛的添加量。
本实施例中，所述制备钛合金铸锭用原料各组分的重量百分比分别 为Fe丝2wt % ,海绵钬75. 42wt % ， Al豆8. 82wt % , Al-85V合金11. 76wt%。步骤二、按照步骤一中所述制备钛合金铸锭用原料各组分的添加量， 分别称取相应质量的单质铝、铝的中间合金、海绵钛和附加添加物。
本实施例中，分别称取2wt。/。Fe丝，75.42wt。/c海绵钛，8,82wt%Al 豆，11. 76wt% A1-85V合金。
步骤三、将称好的所述制备钛合金铸锭用原料的各组分混合后放入油 压机内压制成电极。
步骤四、釆用电子東冷床炉相继对所压制成的电极进行熔炼和铸模， 制得成型的钛合金铸锭；所述电子東冷床炉的熔炼速度为80~150kg/h, 熔化功率为250 ~ 300kw,铸模功率25~40kw;所述电子東冷床炉的结晶 器即铸模用坩埚的直径为220mm,所述成型的钛合金铸锭的铸模成型工艺 在所述结晶器内进行。
本实施例中，所述电子束冷床炉的熔炼速度为100kg/h，熔化功率为 2S0kw，铸模功率为30kw。
实施例2
本实施例中，与实施例l不同的是所述铝的中间合金为Al-60Mo合 金和Al-10Si合金。Al-60Mo合金中Fe<0. 3wt%, Si<0. 3wt%, C<0. 3wt%; Al-10Si合金中Fe<0. 3wt°/。、 0<0. 15wt%、 C<0. lwt%、 N<0. lwt%。所述单质 铝为铝豆(A1豆)，其中Fe<0. 2wt%、Si<0. 12wt%、Ga<0. 03wt%、Cu<0. 01wt%、 Mg<0. 01wt%、 Zn<0. 03wt%。所述需制备成型钛合金铸锭为TC11钛合金铸 锭，其实际成分为Al: 6. 2 ~ 6. 9wt%, Mo: 3. 53 ~ 3. 89wt%, Zr: 1. 34 ~ 1. 63 wt%, Si: 0.3-0. 32wt%。所述附加添加物为海绵锆，其中Si<0. 01wt%、 0<0. lwt%、 C<0. 05wt%、 N<0. 2wt%、 H<0. 0125wt%。所述制备钬合金铸锭用 原料各组分的重量百分比分别为Al-60Mo合金5. 83wt% ， Al-10Si合金 3wt%,海绵钬83. 67 wt%, Al豆6wt。/。，海绵锆1.5wt0/。。
首先，分别称取5. 83wt% A卜60Mo合金，3wt% Al-10Si合金，83. 67 wt %海绵钛，6wt。/。Al豆，1. 5wt。/。海绵锆；之后，将称好的所述制备钛合金 铸锭用原料的各组分混合后放入油压机内压制成电极。最后，将釆用电子束冷床炉相继对所压制成的电极进行熔炼和铸模；所述电子東冷床炉的熔 炼速度为120kg/h，熔化功率为300kw,铸模功率25kw。本实施例中，其 余步骤均勻实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种电子束冷床炉采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、确定制备钛合金铸锭用原料的各组分种类及其对应的添加量，所述制备钛合金铸锭用原料由单质铝、铝的中间合金、附加添加物和作为基体的海绵钛组成首先，根据公式M＝(0.5～0.7)X+(0.7～0.9)Y确定所述钛合金铸锭用原料中单质铝和铝的中间合金的添加量，其中X为单质铝的添加量，Y为铝的中间合金的添加量，M为需制备成型钛合金铸锭中铝的含量；其次，根据制备成型钛合金铸锭的实际成分，相应确定除单质铝和铝的中间合金外需添加的附加添加物种类及其添加量；最后，根据所确定出的单质铝、铝的中间合金和附加添加物的添加量，相应推出海绵钛的添加量；步骤二、按照步骤一中所述制备钛合金铸锭用原料各组分的添加量，分别称取相应质量的单质铝、铝的中间合金、海绵钛和附加添加物；步骤三、将称好的所述制备钛合金铸锭用原料的各组分混合后放入油压机内压制成电极；步骤四、采用电子束冷床炉相继对所压制成的电极进行熔炼和铸模，制得成型的钛合金铸锭；所述电子束冷床炉的熔炼速度为80～150kg/h，熔化功率为250～300kw，铸模功率25～40kw；所述电子束冷床炉的结晶器即铸模用坩埚的直径为220mm。
2. 按照权利要求1所述的一种电子東冷床炉釆用常规原材料制备钛合 金铸锭的方法，其特征在于步骤一中所述的铝的中间合金为Al-Si、 Al-Mo、 Al-Nb、 Al-Sn或Al-V合金中的一种或多种。
3. 按照权利要求1所述的一种电子束冷床炉釆用常规原材料制备钛合 金铸锭的方法，其特征在于步骤一中所述制备钛合金铸锭用原料中，销 元素、海绵钛与除铝元素和海绵钛外其它元素的质量百分比为1~16%: 72 ~ 98% : 1~ 22%。
全文摘要
本发明公开了一种电子束冷床炉采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法，包括以下步骤一、确定制备钛合金铸锭用原料的各组分种类及其对应的添加量；二、称量；三、将称好的制备钛合金铸锭用原料的各组分混合后放入油压机内压制成电极；四、采用电子束冷床炉相继对所压制成的电极进行熔炼和铸模，制得成型的钛合金铸锭。本发明制备工艺简单、操作方便、使用效果好且能采用单质铝和铝的中间合金等常规原材料成功制备钛合金铸锭，并且所制备的钛合金铸锭性能优良，能有效解决现有钛合金铸锭上产工艺中必须大量使用返回料的缺陷和不足。
文档编号C22C1/02GK101586197SQ20091002309
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者于兰兰, 侯智敏, 张英明, 毛小南, 雷 罗, 雷文光 申请人:西北有色金属研究院