专利名称：一种电子束冷床炉熔炼制备tc4钛合金铸锭的方法
技术领域：
本发明属于钛合金铸锭制备技术领域，具体涉及一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法。
背景技术：
目前在发动机上使用量最大的钛合金主要是Ti-6A1_4V和Ti_6242S。传统的飞机发动机用钛合金熔炼技术是三次真空自耗电弧熔炼，采用三次熔炼可以均匀化学成分，减少铸锭中的偏析和夹杂。但由于海绵钛生产工艺的固有特性和真空自耗电弧熔炼工艺的固有缺陷，这种工艺生产的钛合金铸锭中偶尔存在夹杂冶金缺陷。为了解决这一技术难题，上世纪80年代末，国际上采用了自耗熔炼结合冷床熔炼 技术来代替传统的三次真空自耗电弧熔炼工艺。冷床熔炼技术通过把钛合金的熔炼过程分为原料溶化区、精炼区和铸锭凝固区三个区域，通过溶解和密度分离两种原理去除原料中的低密度夹杂和高密度夹杂。目前，冷床熔炼技术已经成为生产航空发动机转动件用优质钛铸锭的国际工业标准。电子束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，还可以大幅度降低钛合金材的生产成本，美国率先针对电子束冷床炉单次熔炼技术展开了研究。电子束冷床熔炼要求在真空(约10_3Pa至10_2Pa)环境下工作，可以有效地去除合金中的气体元素和易挥发元素，提高铸锭纯度，但也引起易挥发合金元素(主要是Al、Cr元素)的控制困难，挥发量非常大。采用海绵钛、铝豆以及Al-V中间合金等常规原材料熔炼TC4钛合金铸锭时，Al元素的挥发量高达40%以上。因此开发一种能够控制Al挥发的电子束冷床炉熔炼TC4钛合金铸锭的方法，减少Al元素挥发，提高原材料的利用率和电子束冷床炉的使用效率，是电子束冷床炉熔炼高Al含量钛合金铸锭的趋势所在。
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，提供一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法。该方法采用Ti-Al中间合金代替铝豆常规原材料，减少了 Al元素的挥发量，提高了原材料的利用率和电子束冷床炉的使用效率；另外，采用的Ti-Al中间合金具有脆性、易破碎，降低了劳动强度，大大提高了生产效率。与真空自耗电弧炉三次熔炼技术和真空自耗电弧炉结合电子束冷床炉二次熔炼技术相比，本发明的电子束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，获得高质量的铸锭，提高钛合金零件的使用寿命，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。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种电子束冷床炉熔炼制备TC4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、将海绵钛和铝豆混合均匀后压制成电极块，然后采用氩弧焊将多个所述电极块焊接成电极，再将所述电极置于真空自耗电弧炉中，一次熔炼得到Ti-Al中间合金；所述Ti-Al中间合金中Al的质量百分比含量为40% 50%，余量为Ti和其他不可避免的杂质；步骤二、将步骤一中所述Ti-Al中间合金破碎成粒度不大于5mm的Ti-Al中间合金颗粒；步骤三、将海绵钛、Al-V中间合金和步骤二中所述Ti-Al中间合金颗粒混合均匀后压制成电极块，将多个所述电极块拼接在一起形成电极，再将所述电极置于电子束冷床炉中，一次熔炼得到TC4钛合金 铸锭。上述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，步骤一所述铝豆中Al的质量为Ti-Al中间合金中Al质量的I. O I. 04倍。上述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，所述铝豆的质量纯度不小于99. 6%ο上述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，步骤一中所述其他不可避免的杂质为Fe、Si、O、C和N，且Ti-Al中间合金中Fe的质量百分含量不大于O. 3%，Si的质量百分含量不大于O. 2%, O的质量百分含量不大于O. 3%, C的质量百分含量不大于O. 1%，N的质量百分含量不大于O. 1%。上述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，步骤一中所述氩弧焊的焊接电流为250A 350A。上述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，步骤一中所述真空自耗电弧炉的熔炼真空度不大于14Pa，熔炼电流为1600A 1800A，熔炼电压为29V 30V。上述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，步骤三中所述电极中Al的质量百分含量为x+9s/mX 100%, V的质量百分含量为3. 5% 4. 5%，余量为Ti和其他不可避免的杂质，其中X为5. 8% 6. 7%, s为电子束冷床炉内熔池的表面积,单位为m2, m为熔炼速度，单位为kg/h。上述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，步骤三中所述电子束冷床炉的熔炼速度为80kg/h 150kg/h，熔化功率为250kW 300kW，铸模功率25kW 40kffo本发明与现有技术相比具有以下优点I、本发明采用Ti-Al中间合金代替铝豆常规原材料，减少了 Al元素的挥发量，采用铝豆时Al的挥发率在40%左右，而采用本发明制备的Ti-Al中间合金时Al的挥发率降至14%左右，挥发率降低一倍多，提高了原材料的利用率和电子束冷床炉的使用效率。2、本发明采用真空自耗电弧炉熔炼制备的Ti-Al中间合金具有脆性、易破碎，与通常采用的不能打击破碎的Ti-Al中间合金相比，本发明的Ti-Al中间合金采用常规的破碎机就可以获得所需粒度的颗粒状中间合金，降低了劳动强度，提高了生产效率。对于不能打击破碎的Ti-Al中间合金可在车床上加工成屑料，生产效率为lkg/h，而对于本发明制备的具有脆性的Ti-Al中间合金可在鄂式破碎机上进行破碎，生产效率超过500kg/h，生产效率大大提高。3、与真空自耗电弧炉三次熔炼技术和真空自耗电弧炉结合电子束冷床炉二次熔炼技术相比，本发明的电子束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，获得高质量的铸锭，提高钛合金零件的使用寿命，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。下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施例方式实施例I步骤一、将O级海绵钛和铝豆(质量纯度为99. 6%)按照57 43的质量比混合均匀后用500T油压机在压力不大于15MPa的条件下压制成尺寸为Φ50πιπιΧ 300mm的电极块，然后将4个所述电极块采用氩弧焊在氩气保护下，焊接电流为300A的条件下焊接成尺寸为Φ 50mmX 1200mm的电极,再将所述电极置于50kg真空自耗电弧炉中，在熔炼真空度不大于14Pa，熔炼电流为1700A，熔炼电压为30V的条件下一次熔炼得到具有脆性、易破碎的Ti-Al 中间合金；所述铝豆中Al的质量约为Ti-Al中间合金中Al质量的I. 02倍；所述Ti-Al中间合金的化学成分如表I所示表I Ti-Al中间合金化学成分
__ 化学巧分(质量,数)/% __AlFe__Si__O__C__N__Ti
41.9 < 0.048 <0.04 <0.05 <0 Oi < 0.007 令量步骤二、采用颚式破碎机将步骤一中所述Ti-Al中间合金破碎成粒反U. 25mm 3mm的Ti-Al中间合金颗粒；步骤三、将O级海绵钛、A1-55V中间合金(V质量百分含量为58. 6%，余量为Al)和步骤二中所述Ti-Al中间合金颗粒按照81. 3 6.7 12的质量比混合均匀，然后采用1200T油压机在压力不小于25MPa的条件下压制成尺寸为135mmX 103mmX 300mm的电极块，将8个所述电极块拼接在一起形成尺寸为135mmX206mmX 1200mm的电极，再将所述电极置于熔池尺寸为500mmX 300mmX 80mm (长X宽X高)的电子束冷床炉中(熔池表面积为O. 15m2)，在熔炼速度为95kg/h，熔化功率为280kW，铸模功率30kW的条件下一次熔炼得到TC4钛合金铸锭。本实施例制备的TC4钛合金铸锭的化学成分如表2所示表2实施例I制备的TC4钛合金铸锭的化学成分
名义化学_化学成分(质量分数)/%_
成分主要成分杂质__Ti Al V Fe C__N__H__O
Τ -6Α1-4Υ 佘量 6.16 3 9^ <0.03 < 0.04 <0.014 <0.001 <0.06本实施例采用Ti-Al中间合金代替铝豆常规原材料，减少了 Al元素的挥发量，提高了原材料的利用率和电子束冷床炉的使用效率；制备的Ti-Al中间合金具有脆性、易破碎，降低了劳动强度，大大提高了生产效率；采用的电子束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较强的优势，最终制备的TC4钛合金铸锭具有高洁净度和高质量的特点，提高了钛合金零件的使用寿命，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。实施例2步骤一、将I级海绵钛和铝豆(质量纯度为99. 8%)按照58 42的质量比混合均匀后用500T油压机在压力不大于15MPa的条件下压制成尺寸为Φ50πιπιΧ 300mm的电极块，然后将3个所述电极块采用氩弧焊在氩气保护下，焊接电流为350A的条件下焊接成尺寸为Φ50mmX900mm的电极,再将所述电极置于50kg真空自耗电弧炉中，在熔炼真空度不大于14Pa，熔炼电流为1600A，熔炼电压为29V的条件下一次熔炼得到具有脆性、易破碎的Ti-Al中间合金；所述铝豆中Al的质量为Ti-Al中间合金中Al质量的I. 03倍；所述Ti-Al中间合金的化学成分如表3所示表3 Ti-Al中间合金化学成分
权利要求
1.一种电子束冷床炉熔炼制备TC4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、将海绵钛和铝豆混合均匀后压制成电极块，然后采用氩弧焊将多个所述电极块焊接成电极，再将所述电极置于真空自耗电弧炉中，一次熔炼得到Ti-Al中间合金；所述Ti-Al中间合金中Al的质量百分比含量为40% 50%，余量为Ti和其他不可避免的杂质； 步骤二、将步骤一中所述Ti-Al中间合金破碎成粒度不大于5mm的Ti-Al中间合金颗粒; 步骤三、将海绵钛、Al-V中间合金和步骤二中所述Ti-Al中间合金颗粒混合均匀后压制成电极块，将多个所述电极块拼接在一起形成电极，再将所述电极置于电子束冷床炉中，一次熔炼得到TC4钛合金铸锭。
2.根据权利要求I所述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一所述招豆中Al的质量为Ti-Al中间合金中Al质量的I. O I. 04倍。
3.根据权利要求2所述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，其特征在于，所述铝豆的质量纯度不小于99. 6%。
4.根据权利要求I所述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述其他不可避免的杂质为Fe、Si、O、C和N，且Ti-Al中间合金中Fe的质量百分含量不大于O. 3%, Si的质量百分含量不大于O. 2%, O的质量百分含量不大于O. 3%,C的质量百分含量不大于O. 1%, N的质量百分含量不大于O. 1%。
5.根据权利要求I所述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述氩弧焊的焊接电流为250A 350A。
6.根据权利要求I所述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述真空自耗电弧炉的熔炼真空度不大于14Pa，熔炼电流为1600A 1800A，熔炼电压为29V 30V。
7.根据权利要求I所述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤三中所述电极中Al的质量百分含量为x+9s/mX 100%, V的质量百分含量为3.5% 4. 5%，余量为Ti和其他不可避免的杂质，其中X为5. 8% 6. 7%，s为电子束冷床炉内熔池的表面积，单位为m2, m为熔炼速度,单位为kg/h。
8.根据权利要求I所述的一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤三中所述电子束冷床炉的熔炼速度为80kg/h 150kg/h，熔化功率为250kW 300kff,铸模功率25kW 40kW。
全文摘要
本发明公开了一种电子束冷床炉熔炼制备TC4钛合金铸锭的方法，该方法为一、将海绵钛和铝豆混合均匀后压制成电极块，焊接成电极后置于真空自耗电弧炉中，一次熔炼得到Ti-Al中间合金；二、将Ti-Al中间合金破碎成Ti-Al中间合金颗粒；三、将海绵钛、Al-V中间合金和Ti-Al中间合金颗粒混合均匀后压制成电极块，拼接成电极后置于电子束冷床炉中，一次熔炼得到TC4钛合金铸锭。本发明以Ti-Al中间合金代替铝豆，减少了Al元素的挥发量，提高了原材料的利用率和电子束冷床炉的使用效率，采用的电子束冷床炉一次熔炼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，可提高钛合金铸锭的洁净度，获得高质量铸锭。
文档编号C22C1/03GK102912186SQ20121040553
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者于兰兰, 毛小南, 雷文光, 侯智敏, 张英明, 罗雷, 赵永庆, 张鹏省 申请人:西北有色金属研究院