一种TC4钛合金残料的回收方法与流程

本发明涉及一种钛材加工技术，具体的说是涉及一种TC4钛合金残料的回收方法。

背景技术：

Ti-6Al-4V(TC4)钛合金强度高、综合性能优异、加工性能好，大量应用于航空、舰船、兵器、体育等领域，其生产量占钛合金总产量50%以上，但是由于生产成本高，限制了其进一步推广应用，因此世界各国都在探索降低成本的工艺及方法。在海绵钛原材料成本不能进一步显著下降的现状下，钛合金残料回收，是降低成本最为有效方法之一。现有技术主要采用真空电弧炉(VAR)熔炼回收，工艺路线为“钛残料定尺→表面处理→捆绑组焊电极→一次VAR熔炼→二次VAR熔炼→机加工”，可获得TC4钛残料熔炼回收圆形钛锭，但受需要捆绑组焊电极的限制，仅能回收尺寸规格较大的板状、棒状或坯头类残料，无法对尺寸较小的粒状残料回收，因此钛残料形状适用性差。由于VAR熔炼过热度低，高、低密度夹杂物不易去除，同时2次及以上次数熔炼也会导致O、N有害杂质元素增加，熔炼回收质量不够理想。此外，上述工艺方法仅能获得圆形钛锭，当用于轧板用途时，还需经过多火次加热、锻造、修磨扒皮及机加工获得轧制开坯所需方坯，修磨扒皮、切头尾等工序会大幅降低成材率，生产流程长、成本高。因此，现有技术在TC4钛合金残料熔炼回收及应用方面，存在钛残料形状适用性差、生产流程长、成本高、有害杂质元素增量大、高低密度夹杂物不易去除的缺点，在经济性及质量方面效果不够理想，需要探索新的熔炼回收方法。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供一种TC4钛合金残料的回收方法，其有效解决了传统钛残料形状适用性差、生产流程长、成本高、有害杂质元素增量大、高低密度夹杂物不易去除等问题。

本发明所采用的技术方案是：一种TC4钛合金残料的回收方法，包括以下步骤：

步骤一、选取待处理的TC4钛合金残料并去除其表面的杂质，烘干后获得表面洁净、干燥的钛残料备用；

步骤二、选取厚度为2~10mm 的TC4钛板进行定尺，并使用定尺后的钛板制备上部开口的钛残料装料箱，将步骤一处理后的TC4钛合金残料进行定尺，使定尺后的TC4钛合金残料尺寸小于装料箱尺寸，备用；

步骤三、选取纯铝带卷进行定尺获得铝薄板，且该定尺规格与步骤二中制备的钛残料装料箱的内腔尺寸一致；

步骤四、假定钛残料装料箱装箱后的总质量为M，根据TC4钛合金残料Al元素质量百分比x%、熔炼过程中Al元素挥发烧损百分比y%、熔炼回收钛锭Al元素质量百分比目标值z%，确定每个料箱所需加入纯铝的重量m，其中，配料公式为：[(M*x%+m) * (1-y%)]/[M+m-(M*x%+m) *y%)]=z%；

步骤五、根据步骤四中的计算的质量，称取步骤一中的TC4钛合金残料和步骤三中的铝薄板，并按照铝薄板和将步骤一选取的TC4钛合金残料由下至上交替铺设的方法进行布料，且装料箱最上层为TC4钛合金残料，布料完成后备用；

步骤六、将经步骤五布料好的装料箱放入EB冷床炉进料系统，并对进料室、熔炼室进行抽真空至进料室真空度≤0.6Pa、熔炼室真空度≤0.1Pa时，开始进行熔炼，熔炼过程中熔炼室真空度满足≤0.1Pa，电子枪功率为280~440kV，轰击电压为45±5kW，TC4钛合金残料受电子束轰击熔化为钛液后，经熔化冷床、精炼冷床，流入结晶器坩埚凝固，再经拉锭系统将铸锭拉至拉锭室随炉冷却后出炉，获得EB锭方锭；

步骤七、使用铣床和锯床对步骤六中制备的EB锭方锭进行铣面及锯切，获得产品。

所述步骤一中钛残料表面杂质的清洗采用抛丸酸洗或碱酸洗。

所述步骤二中钛残料装料箱由5块步骤二中的TC4钛板拼焊而成，各焊缝采用氩弧焊方法进行焊接。

所述步骤三中纯铝带卷的纯铝纯度≥99%，铝带卷的厚度为0.01~3.0mm。

所述步骤五中将TC4钛残料按照板状、棒状以及粒状进行划分，且在布料时，板状和棒状钛残料的间隙中填充有粒状钛材料。

所述步骤七中，单侧铣面厚度应≥5mm。

本发明的有益效果：

（1）本发明生产流程短、成本低，经一次EB冷床炉熔炼即可获得可直接用于开坯轧制的方锭，熔炼次数少，且无需多火次锻造、修磨扒皮，成材率高，因此具有生产流程短、成本低的优势；

（2）本发明对钛残料的形状适应性好，只需进行布料装箱，而无需对钛残料进行捆绑组焊电极，因此不仅能回收尺寸规格较大的板状、棒状或坯头类残料，也可回收尺寸较小的粒状钛残料，操作灵活方便，钛残料形状适用性好；

（3）传统VAR熔炼为获得稳定的电离电弧，需一定含量的气体含量作为电离介质，而高真空度无法获得稳定电离电弧，因此VAR熔炼无法实现高真空度熔炼，其熔炼真空度在0.1~5Pa范围，且经过2次熔炼，因此O、N有害杂质元素增量较大，而本发明可一次熔炼获得方锭(坯)，熔炼室达到10-1~10-3高真空度范围，因此O、N有害杂质元素增量小；

（4）本发明高、低密度夹杂容易去除，且EB冷床熔炼过程中，钛液熔化、精炼、凝固分开进行，精炼过程中有足够的时间使高密度夹杂溶解或沉积被冷床凝壳捕获，同时也有足够的时间使低密度夹杂上浮挥发及溶解消除，因此高、低密度夹杂更易去除干净。

附图说明

图1为本发明中装料箱的结构示意图；

图2为装料箱布料横截面结构示意图；

图中标记：1、装料箱，2、纯铝薄板，3、板状钛残料，4、棒状钛残料，5、粒状钛残料。

具体实施方式

如图所示，一种TC4钛合金残料EB冷床炉熔炼的回收方法，包括以下步骤：

步骤一、选取待处理的TC4钛合金残料并去除其表面的杂质，烘干后获得表面洁净、干燥的钛残料备用；

步骤二、选取厚度为2~10mm 的TC4钛板进行定尺，并使用定尺后的钛板制备上部开口的钛残料装料箱，将步骤一处理后的TC4钛合金残料进行定尺，使定尺后的TC4钛合金残料尺寸小于装料箱尺寸，备用；

步骤三、选取纯铝带卷进行定尺获得铝薄板，且该定尺规格与步骤二中制备的钛残料装料箱的内腔尺寸一致；

步骤四、由于TC4合金主要合金元素包括Ti、Al、V，Al相比于其它合金元素熔点低、饱和蒸汽压大，熔炼过程中挥发烧损严重，需要在配料时添加，以获得熔炼回收钛锭目标Al元素含量；而Ti、V合金元素，相对于Al元素挥发烧损可忽略不计，无需配料时添加，配料时，首先假定钛残料装料箱装箱后的总质量为M，根据TC4钛合金残料Al元素质量百分比x%、熔炼过程中Al元素挥发烧损百分比y%、熔炼回收钛锭Al元素质量百分比目标值z%，确定每个料箱所需加入纯铝的重量m，其中，配料公式为：[(M*x%+m) * (1-y%)]/[M+m-(M*x%+m) *y%)]=z%；

步骤五、根据步骤四中的计算的质量，称取步骤一中的TC4钛合金残料和步骤三中的铝薄板，并按照铝薄板和将步骤一选取的TC4钛合金残料由下至上交替铺设的方法进行布料，且装料箱最上层为TC4钛合金残料，布料完成后备用；

步骤六、将经步骤五布料好的装料箱放入EB冷床炉进料系统，并对进料室、熔炼室进行抽真空至进料室真空度≤0.6Pa、熔炼室真空度≤0.1Pa时，开始进行熔炼，熔炼过程中熔炼室真空度满足≤0.1Pa，电子枪功率为280~440kV，轰击电压为45±5kW，TC4钛合金残料受电子束轰击熔化为钛液后，经熔化冷床、精炼冷床，流入结晶器坩埚凝固，再经拉锭系统将铸锭拉至拉锭室随炉冷却后出炉，获得EB锭方锭；

步骤七、使用铣床和锯床对步骤六中制备的EB锭方锭进行铣面及锯切，获得产品。

所述步骤一中钛残料表面杂质的清洗采用抛丸酸洗或碱酸洗。

所述步骤二中钛残料装料箱由5块步骤二中的TC4钛板拼焊而成，各焊缝采用氩弧焊方法进行焊接。

所述步骤三中纯铝带卷的纯铝纯度≥99%，铝带卷的厚度为0.01~3.0mm。

所述步骤五中将TC4钛残料按照板状、棒状以及粒状进行划分，且在布料时，板状和棒状钛残料的间隙中填充有粒状钛材料。

所述步骤七中，单侧铣面厚度应≥5mm。

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

采用本方法对板状、棒状及粒状TC4钛合金残料进行熔炼回收，目标是获得190*1055*900mm方锭(坯)。钛残料成分标定值如表1所示。

表1 TC4钛合金残料化学成分 (wt.%)

步骤一、表面处理，采用抛丸酸洗的方法，将TC4钛合金残料表面氧化皮、油污等杂质去除干净，并烘干，获得表面洁净、干燥的钛残料；

步骤二、定尺，选择4mm厚度规格TC4钛合金板进行定尺，定尺规格分别为4*400*400mm/2块、4.0*400*1600mm/3块，用于制备装料箱；对板状、棒状待回收TC4钛合金残料进行定尺，使其宽度＜400mm、长度＜1600mm，方便后续装箱；对0.3mm、0.03mm、1.0mm厚度规格纯铝带卷进行定尺，获得薄板用于布料装箱备用，定尺宽长名义规格390*1590mm，纯度≥99%；

步骤三、使用氩弧焊的方法将步骤二中选取的4mm厚度规格的TC4钛板进行焊接，获得装料箱，其中顶面不焊钛板，用于钛合金残料布料装箱。料箱强度，可满足吊装、熔炼进料要求；

步骤四、根据待回收TC4钛合金残料形态及装料箱尺寸，设定每个装料箱TC4钛合金残料与装料箱重量之和为500kg，称量每个装料箱重量，计算并称量每个装料箱所需TC4钛合金残料备用。例如称量料箱重量为40.3kg，则该料箱所需TC4钛合金残料重量为459.7kg。

根据拟采用的EB冷床炉熔炼回收工艺参数(见步骤五)，熔炼过程中Al元素挥发烧损百分比基准值为21.4%，假定熔炼回收钛锭Al元素质量百分比目标值为6.0%，计算出每个料箱所需加入纯铝薄板重量为8.9kg，并称取，即1.0mm、0.3mm、0.03mm厚度纯铝薄板各4张，将纯铝薄板分为4组，每组由1.0mm、0.3mm、0.03mm纯铝薄板各1张组成，备用。

装料箱及每个装料箱所需TC4钛合金残料、纯铝薄板备好后，开始进行布料装箱，采用4层交替布料，即纯铝薄板、TC4钛合金残料分别布料4层。首先将第一组总厚度为1.33mm的纯铝薄板平铺于料箱底面，然后布料装箱TC4钛合金残料，板状、棒状钛残料之间较大空隙，可使用粒状钛残料填平，整体应布料厚度均匀。按照上述方法，对纯铝薄板、TC4钛合金残料分层交替布料，使纯铝薄板在料箱横截面均匀分布，其中料箱最上层布料TC4钛合金残料。

按照上述方法，对熔炼所需全部装料箱进行布料装箱，熔炼备用。

步骤五，EB冷床炉熔炼：采用矩形截面结晶器拉锭系统，进行TC4钛合金残料熔炼。将布料好的料箱装入EB冷床炉进料系统，并对进料室、熔炼室进行抽真空，当进料室真空度≤0.4Pa、熔炼室真空度≤0.08Pa时，开始进行熔炼。熔炼过程中熔炼室真空度满足≤0.08Pa，电子枪功率为280~380kV，轰击电压为45±5kW。TC4钛合金残料受电子束轰击熔化为钛液后，经熔化冷床、精炼冷床，流入结晶器坩埚凝固，经拉锭系统将铸锭拉至拉锭室随炉冷却后出炉，获得方锭(坯)毛坯，尺寸为202*1075*5650mm。

步骤六，机加工：使用铣床及锯床对方锭进行铣面、锯切。上、下面铣面加工去除厚度6mm，侧面铣面加工去除厚度10mm，两端锯切去除尺寸50~200mm，获得190*1055*5400mm方锭（坯），并在头中尾取样，化验成分。对方锭（坯）坯进行锯切，得到可直接用于轧制开坯的190*1055*900mm/6块方锭（坯）。

TC4钛合金残料熔炼回收方锭(坯)成分如表2所示，各元素成分含量满足并优于GB/T 3620.1国标。对方锭（坯）进行板材制备，一火轧制温度1060℃，二火轧制温度960℃，轧至10mm目标厚度，成品进行800℃热处理，获得的成品板力学性能如表3所示，性能满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准。

表2 TC4钛合金方锭(坯)化学成分 (wt.%)

表3 TC4合金板力学性能

本发明一方面可减少捆绑组焊电极及二次熔炼工序，生产流程更短；另一方面，可实现粒状小颗粒散料回收，钛残料形状适用性好，操作方便；此外，无需多火次锻造、扒皮修磨、机加工，就可获得可直接用于轧制的方锭（坯），从钛残料至方锭（坯）得料率可达到87.3%，显著高于上述方法75%得料率，成本更低，经济优势明显。因此，本发明是一种短流程、低成本、高质量的TC4钛合金残料熔炼回收方法。