一种钛铝基合金的熔炼方法
【专利摘要】一种钛铝基合金的熔炼方法，属于钛铝基合金制造方法，解决现有熔炼方法添加有关元素会残留在合金中、产生热裂、偏析等缺陷的问题，用于提高钛铝基合金熔体的流动性。本发明在钛铝基合金的熔炼过程中通入氢气，通入氢气的分压不低于5kPa，氢气与钛铝基合金熔体作用时间不少于2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。本发明工艺简单、能耗和成本均比较低、易于在生产中实现，有效地提高了钛铝基合金熔体在浇注时的流动性，不仅适用于常见的自耗电弧熔炼及水冷坩埚感应熔炼等熔炼方式；而且还适用于熔模铸造、金属型铸造及离心铸造等大部分的铸造方法。
【专利说明】一种钛铝基合金的熔炼方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛铝基合金制造方法，尤其涉及一种钛铝基合金的熔炼方法，用于提高钛铝基合金熔体的流动性。
【背景技术】
[0002]随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能不断提高，要求高温材料具有更高的强度、更高的抗氧化性能和更轻的密度。Y -TiAl基合金材料中，金属键和共价键共存，具有良好的高温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，被认为是一种具有广阔应用前景的下一代新型轻质高温结构材料，可用于制造压气机、燃气涡轮机叶片、压气机定子挡风板、定子机座以及其他形状复杂的大尺寸铸造和锻造零件，以部分替代笨重的镍基高温合金，可减重约 50%。
[0003]钛铝基合金熔体本身粘度较大、流动性差，且通常采用的凝壳熔炼限制了过热度的提高，导致钛铝基合金熔体充型薄壁零件的能力较弱，有形成缩孔、缩松及热裂的倾向，影响了产品的质量，所以进一步提高钛铝基合金熔体的流动性显得十分紧迫。
[0004]如图1所示，钛铝基合金熔体的流动性，由其本身的物化性能决定；钛铝基合金熔体的充型性能，由钛铝基合金熔体的流动性和外界条件决定；钛铝基合金熔体本身的物化性能包括宏观物性参数、熔体粘度、表面张力、结晶温度范围、结晶潜热和气体夹渣含量，这些性能由熔体的微观结构和合金成分决定；外界条件包括浇注条件(浇注温度、浇注压力和浇注速度)，铸件结构(壁`厚大小和截面变化幅度)和铸型性质(表面润湿性、蓄热能力和铸型温度)。
[0005]在外界条件确定的情况下，加入S1、B、N1、Fe可以降低合金的粘度，提高钛铝基合金熔体流动性，从而有效提高其充型性能。但是这些元素在熔体中的分布不均匀会产生热裂、偏析等缺陷，最终会残留在合金中，带来其它的负面效应，因此，单一地通过合理控制元素的添加量往往达不到理想效果。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种钛铝基合金的熔炼方法，解决现有熔炼方法添加有关元素会残留在合金中、产生热裂、偏析等缺陷的问题，以提高钛铝基合金熔体的流动性。
[0007]本发明所提供的一种钛铝基合金的熔炼方法，其特征在于:
[0008]在钛招基合金的熔炼过程中通入氢气,通入氢气的分压不低于5kPa,氢气与钛招基合金熔体作用时间不少于2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。
[0009]所述的熔炼方法，其特征在于:
[0010]对合金熔炼炉抽真空后通入氢气，由单质金属及中间合金组成的原料熔炼所需的钛铝基合金，获得待浇注钛铝基合金熔体。
[0011]所述的熔炼方法，其特征在于:
[0012]在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的I~2倍，氩气的纯度为 99.999% ο
[0013]所述的熔炼方法，其特征在于，其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤:
[0014]熔炼合金步骤:在合金熔炼炉中，抽真空后，通入氩气或者直接开始熔炼钛铝基合金，得到钛铝基合金熔体；
[0015]通入氢气步骤:对合金熔炼炉再抽真空，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，获得待浇注钛铝基合金熔体。
[0016]所述的熔炼方法，其特征在于:
[0017]所述熔炼合金步骤中，所述合金熔炼炉为非自耗电弧熔炼炉时，通入氩气作为保护气，钛铝基合金熔体经过三次熔炼:第一次利用由单质金属及中间合金组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。
[0018]所述的熔炼方法，其特征在于:
[0019]所述通入氢气步骤中，在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的I~2倍，氩气的纯度为99.999%。
[0020]本发明通入氢气的时间可以是熔炼合金开始的阶段，或者是浇注铸件前的阶段，保证氢气与钛铝基合金熔体最短作用时间即可。在熔炼合金过程中，炉腔内可以存在不与合金熔体及氢气反应的氩气存在，不会影响氢气对于钛铝基合金熔体流动性的改变。本发明适用各种常用的熔炼炉，如非自耗电弧熔炼炉、自耗电弧熔炼炉及水冷坩埚感应熔炼炉 坐寸ο
[0021]与对合金熔体进行机械或电磁搅拌相比，本发明所需时间短，氢气成本比较低，在钛铝基合金的熔炼过程中，氢即扩散到钛铝基合金熔体中，达到提高熔体流动性的目的；氢元素作为一种临时合金化元素，在熔炼、浇注过程中存在于钛铝基合金中，随后通过真空退火将合金中的氢除去，不残留在合金中，有利于改善合金组织，避免了由于氢脆现象导致钛铝基合金塑性韧性降低，除氢可随合金的热处理过程同时进行，不会带来更多步骤；另外，实验表明，氢气不会导致氢气孔产生，保证了铸件的质量。
[0022]本发明工艺简单、能耗和成本均比较低、易于在生产中实现，有效地提高了钛铝基合金熔体在浇注时的流动性，不仅适用于常见的自耗电弧熔炼及水冷坩埚感应熔炼等熔炼方式；而且还适用于熔模铸造、金属型铸造及离心铸造等大部分的铸造方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为钛铝基合金充型性能的影响因素框图；
[0024]图2 (a)为获得合金螺旋形流动性试样的装置立体示意图；
[0025]图2(b)为流道的俯视图；
[0026]图2(c)为流道的横截面示意图；
[0027]图3为氢气分压条件下钛铝基合金熔体的流动指数。
【具体实施方式】
[0028]以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。[0029]实施例1:
[0030]对非自耗电弧熔炼炉抽真空至6Xl(T3Pa，然后通入氢气，其中氢气的分压为5kPa0
[0031]钛铝基合金熔体经过四次熔炼:第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第三次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为三次合金铸锭；对所述三次合金铸锭翻转后，再进行第四次熔炼，得到成分及过热度均匀的待浇注钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。
[0032]熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。
[0033]实施例2:
[0034]对非自耗电弧熔炼炉合金熔炼炉抽真空至6X10_3Pa，然后后通入氢气，在通入氢气的同时通入IS气，其中氢气的分压为IOkPa, IS气的分压为20kPa,気气的纯度为99.999%。
[0035]钛铝基合金熔体经过四次熔炼:第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第三次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为三次合金铸锭；对所述三次合金铸锭翻转后，再进行第四次熔炼，得到成分及过热度均匀的待浇注钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。
[0036]熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气及氩气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。
[0037]实施例3:
[0038]其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤:
[0039]熔炼合金步骤:在水冷坩埚感应熔炼炉中，抽真空至6X 10_3Pa，然后直接开始熔炼钛铝基合金，熔炼的原料为260g海绵钛和130g纯铝。待原料完全熔化后，保温5分钟，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。
[0040]通入氢气步骤:对水冷坩埚感应熔炼炉再抽真空至6 X 10_3Pa，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，通入氢气的分压为5kPa，通入氢气后熔炼时间为2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。
[0041]熔炼结束并关闭电磁感应电源后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。
[0042]实施例4:
[0043]其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤:`[0044]熔炼合金步骤:在非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至6 X 10_3Pa，通入氩气开始熔炼钛铝基合金，其中氩气的分压为15kPa，氩气的纯度为99.99%。
[0045]钛铝基合金熔体经过三次熔炼:第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。
[0046]通入氢气步骤:对非自耗电弧合金熔炼炉再抽真空至6X10_3Pa，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，通入氢气分压为15kPa，通入氢气后熔炼时间为2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。
[0047]熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。
[0048]实施例5:
[0049]其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤:
[0050]熔炼合金步骤:在非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至6 X 10_3Pa，通入氩气开始熔炼钛铝基合金，其中氩气的分压为15kPa，氩气的纯度为99.99%。
[0051]钛铝基合金熔体经过三次熔炼:第一次利用260g海绵钛和130g纯铝组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。每次熔炼逐步提高电弧电流，最大电弧电流为1300A，熔炼时间为2分钟。
[0052]通入氢气步骤:对合金熔炼炉再抽真空至6 X 10_3Pa，然后通入氢气，在通入氢气的同时通入氩气，其中氢气分压为 20kPa，氩气分压20kPa，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛招基合金熔体作用，其中氢气分压为20kPa,lS气分压20kPa,通入氢气后熔炼时间为2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。
[0053]熔炼结束并断开电弧电流后，直接浇入螺旋石墨型，获得在氢气及氩气氛围下熔炼的合金熔体的螺旋形试样，随炉冷却一定时间后取出试样。
[0054]在实施例4中，通过控制熔炼过程中通入氢气分压的大小，获得氢气压力分别为5kPa (序号1)、10迚&(序号2)、15迚&(序号3)、20kPa (序号4)的合金流动性试样；作为对比例，在实施例4中，通入氢气步骤中不通入氢气，得到无氢气的合金流动性试样。
[0055]如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，获得合金螺旋形流动性试样的装置由浇口 I和流道2连接构成，浇口 I为漏斗形，流道2为螺旋形，其横截面为倒置梯形。
[0056]相同氢气分压的试验进行三次，以三次试验得到螺旋形试样的长度，即熔体流动指数的算术平均值作为测试结果，5种不同氢气分压的熔体流动指数如表1所示。
[0057]表1试验工艺参数及熔体流动指数
[0058]
【权利要求】
1.一种钛铝基合金的熔炼方法，其特征在于: 在钛招基合金的熔炼过程中通入氢气，通入氢气的分压不低于5kPa,氢气与钛招基合金熔体作用时间不少于2分钟，获得待浇注钛铝基合金熔体。
2.如权利要求1所述的熔炼方法，其特征在于: 对合金熔炼炉抽真空后通入氢气，由单质金属及中间合金组成的原料熔炼所需的钛铝基合金，获得待浇注钛铝基合金熔体。
3.如权利要求2所述的熔炼方法，其特征在于: 在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的I~2倍，氩气的纯度为99.999%。
4.如权利要求1所述的熔炼方法，其特征在于，其包括熔炼合金步骤和通入氢气步骤: 熔炼合金步骤:在合金熔炼炉中，抽真空后，通入氩气或者直接开始熔炼钛铝基合金，得到钛铝基合金熔体； 通入氢气步骤:对合金熔炼炉再抽真空，然后通入氢气，对得到的钛铝基合金熔体继续熔炼，使氢气与钛铝基合金熔体作用，获得待浇注钛铝基合金熔体。
5.如权利要求4所述的熔炼方法，其特征在于: 所述熔炼合金步骤中，所述合金熔炼炉为非自耗电弧熔炼炉时，通入氩气作为保护气，钛铝基合金熔体经过三次熔炼:第一次利用由单质金属及中间合金组成的原料进行熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为合金铸锭；对所述合金铸锭翻转后，进行第二次熔炼，待钛铝基合金熔体冷却成为二次合金铸`锭；对所述二次合金铸锭翻转后，再进行第三次熔炼，得到成分及过热度均匀的钛铝基合金熔体。
6.如权利要求4所述的熔炼方法，其特征在于: 所述通入氢气步骤中，在通入氢气的同时通入氩气，通入氩气的压力为氢气压力的I~2倍，氩气的纯度为99.999%。
【文档编号】C22C1/02GK103509958SQ201310301483
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】刘鑫旺, 张兆龙, 刘富初, 樊自田 申请人:华中科技大学