一种用于直接制造无缝管的TC4钛合金铸锭的制备方法与流程

本发明涉及一种用于直接制造无缝管的tc4钛合金铸锭的制备方法，属于钛合金熔炼技术领域。

背景技术：

tc4(ti-6al-4v)合金是一种α+β双相钛合金，将其制造成钛合金无缝管，相比传统钢管、不锈钢管、铜合金管等具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温、可焊等优良的综合性能，在航空航天、海洋工程、化工、汽车、电力和船舶等诸多领域有广泛的应用前景。目前tc4钛合金无缝管的传统制造工艺是先采用真空自耗电弧炉熔炼出合金铸锭，锻压后进行钻孔挤压或斜轧穿孔，再通过轧制、拉拔、旋压等方法制备出不同规格和用途的成品管材，其存在工艺流程长、成材率低、难以获得超长管材等缺点，导致管材成本居高不下，应用受到极大限制。

利用tc4钛合金铸锭无需锻造过程，直接制造无缝管可以明显缩短工艺流程和提高成材率，显著降低生产成本。但传统真空自耗电弧法熔炼的tc4钛合金铸锭存在成分和组织不均匀、高低密度夹杂难以去除等缺点，往往需要2~3次重熔和必需进行锻压加工来解决上述存在的问题，无法实现铸锭直接制造钛合金无缝管。单次电子束冷床熔炼技术制备tc4钛合金铸锭具有品质高和直接制造无缝管的能力，但目前的技术大都采用海绵钛、铝钒中间合金和铝豆为原料进行混料、压块、烘干后直接熔炼，其存在原料混合不均匀、铝元素在高温高真空下挥发无规律等缺点，导致熔炼的铸锭成分和组织不均匀，难以满足铸锭直接制造无缝管的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于直接制造无缝管的tc4钛合金铸锭的制备方法，通过先将原料均匀合金化，再进行电子束冷床熔炼，制备出成分组织均匀、无高低密度夹杂的高品质tc4钛合金铸锭，实现超长tc4钛合金无缝管的直接制造，缩短制造工艺流程、提高成材率、显著降低生产成本。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于直接制造无缝管的tc4钛合金铸锭的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）以海绵钛、铝钒中间合金和铝豆为原料，按照元素质量分数ti为87~89%、al为7.5~8.5%、v为3.5~4.5%的比例进行配料。

（2）将步骤（1）称取的原料混合均匀后进行压块、烘干，烘干后采用真空等离子焊接方法制备成电极。

（3）将步骤（2）得到的电极放入真空自耗电弧炉中熔炼使原料合金化，熔炼过程中，真空度为0.1pa~0.5pa，熔炼电流为14~16ka，电压31~33v，稳弧电流为直流18~20ka，熔炼速度为6~8kg/min。

（4）将步骤（3）得到的原料合金经表面扒皮处理后放入电子束冷床炉进行熔炼，熔炼过程中，真空度为0.1~0.5pa，熔炼速度为300~400kg/h，熔炼拉锭速度为11~15mm/min，熔炼完成待铸锭冷却4~5h后即获得可用于直接制造无缝管的tc4钛合金铸锭。

所述步骤（1）中海绵钛等级为0级，ti含量≥99.7%；铝钒中间合金中v元素含量为50%~60%，杂质元素含量≤0.8%，余量为al元素；al豆的纯度≥99.8%。

所述步骤（1）中海绵钛粒度为8~13mm；铝钒中间合金粒度为5~10mm；al豆粒度为15~20mm。

本发明的有益效果：

本发明充分利用电子束冷床熔炼tc4钛合金铸锭的优点，通过先将原料均匀合金化，再进行电子束冷床熔炼的新工艺方法，不仅能够制备出成分组织均匀、无高低密度夹杂的高品质tc4钛合金铸锭，而且利用该铸锭直接制造的tc4钛合金无缝管力学性能优异，同时缩短其制造工艺流程和提高成材率；本发明工艺简单、操作方便、能够显著降低tc4钛合金无缝管生产成本，推动其大规模应用，具有明显的市场应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的tc4钛合金铸锭的x射线衍射图谱。

图2为实施例1制备的tc4钛合金铸锭的光学显微组织形貌。

图3为实施例1制备的tc4钛合金铸锭获得的无缝管的拉伸应力应变曲线。

图4为实施例2制备的tc4钛合金铸锭获得的无缝管的拉伸应力应变曲线。

图5为实施例3制备的tc4钛合金铸锭获得的无缝管的拉伸应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

（1）以海绵钛、铝钒中间合金和铝豆为原料，按照元素质量分数ti、al、v分别为88%、8%、4%的比例进行配料；海绵钛粒度为9~11mm；铝钒中间合金粒度为7~9mm；al豆粒度为16~18mm。

（2）将步骤（1）称取的原料混合均匀后进行压块、烘干，烘干后采用真空等离子焊接方法制备成电极。

（3）将步骤（2）得到的电极放入真空自耗电弧炉中熔炼使原料合金化，熔炼过程中，真空度为0.1pa~0.5pa，熔炼电流为14ka，电压31v，稳弧电流为直流18ka，熔炼速度为6kg/min。

（4）将步骤（3）得到的原料合金经表面扒皮处理后放入电子束冷床炉进行熔炼，熔炼过程中真空度为0.1pa~0.5pa，熔炼速度为300kg/h，熔炼拉锭速度为11mm/min。

（5）对（4）得到tc4钛合金铸锭光表面后沿着铸锭纵向在每隔相同距离进行取样检测其成分，样品依次标号1.2.3……，其化学成分见表1，可见其满足国标gb/t3620.1-2016的要求。

测完成分后，用两辊锥形斜轧穿孔机进行穿孔获得tc4钛合金无缝管，沿着无缝管的纵向每隔相同的距离切取3个拉伸试样，各项指标取均值，管材的rp=912.3mpa、rp0.2=833.7mpa、a%=10.5%。其力学性能与传统方法生产的无缝管力学性能接近。

表1本发明制备的tc4钛合金铸锭化学成分及国标要求（质量分数，%）

。

实施例2

（1）以海绵钛、铝钒中间合金和铝豆为原料，按照元素质量分数ti、al、v分别为88%、8%、4%的比例进行配料；海绵钛粒度为10~13mm；铝钒中间合金粒度为8~10mm；al豆粒度为18~20mm。

（2）将步骤（1）称取的原料混合均匀后进行压块、烘干，烘干后采用真空等离子焊接方法制备成电极。

（3）将步骤（2）得到的电极放入真空自耗电弧炉中熔炼使原料合金化，熔炼过程中，真空度为0.1pa~0.5pa，熔炼电流为16ka，电压33v，稳弧电流为直流19ka，熔炼速度为8kg/min。

（4）将步骤（3）得到的原料合金经表面扒皮处理后放入电子束冷床炉进行熔炼，熔炼过程中，真空度为0.1pa~0.5pa，熔炼速度为360kg/h，熔炼拉锭速度为13mm/min。

（5）对（4）得到tc4钛合金铸锭车光表面后沿着铸锭纵向在每隔相同距离进行取样检测其成分，样品依次标号1.2.3……，其化学见表2，可见其满足国标gb/t3620.1-2016的要求。

测完成分后，用两辊锥形斜轧穿孔机进行穿孔获得tc4钛合金无缝管，沿着无缝管的纵向每隔相同的距离切取3个拉伸试样，各项指标取均值，管材的rp=914.6mpa、rp0.2=839.3mpa、a%=11.3%。

表2本发明制备的tc4钛合金铸锭化学成分及国标要求（质量分数，%）

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实施例3

（1）以海绵钛、铝钒中间合金和铝豆为原料，按照元素质量分数ti、al、v分别为88%、8%、4%的比例进行配料；海绵钛粒度为8~10mm；铝钒中间合金粒度为5~6mm；al豆粒度为15~17mm。

（2）将步骤（1）称取的原料混合均匀后进行压块、烘干，烘干后采用真空等离子焊接方法制备成电极。

（3）将步骤（2）得到的电极放入真空自耗电弧炉中熔炼使原料合金化，熔炼过程中，真空度为0.1pa~0.45pa，熔炼电流为15ka，电压32v，稳弧电流为直流18ka，熔炼速度为7kg/min。

（4）将步骤（3）得到的原料合金经表面扒皮处理后放入电子束冷床炉进行熔炼，熔炼过程中真空度为0.1pa~0.5pa，熔炼速度为400kg/h，熔炼拉锭速度为15mm/min。

（5）对（4）得到tc4钛合金铸锭车光表面后沿着铸锭纵向在每隔相同距离进行取样检测其成分，样品依次标号1.2.3……，其化学见表2，可见其满足国标gb/t3620.1-2016的要求。

测完成分后，用两辊锥形斜轧穿孔机进行穿孔获得tc4钛合金无缝管，沿着无缝管的纵向每隔相同的距离切取3个拉伸试样，各项指标取均值，管材的rp=908.3mpa、rp0.2=831mpa、a%=11.4%。

表3本发明制备的tc4钛合金铸锭化学成分及国标要求（质量分数，%）

图1为实施例1制备的tc4钛合金铸锭的x射线衍射图谱，由图可以看出tc4钛合金是双相钛合金，ti元素与al元素和v元素没有中间化合物的生成，al元素全部固溶于α-ti中，v元素全部固溶于β-ti中，所以在图谱中无法看到这些元素，图2为实施例1制备的tc4钛合金铸锭的光学显微组织形貌，由图可以看出原始β晶界清晰可见，原始β晶粒内部存在α集束，α集束长而平直，并具有较大的纵横比，这种组织属于魏氏组织，实施例2和3所述制备的tc4钛合金铸锭也具有相似的结构和性质。

以上所述，仅是本发明较佳的实施例，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进行简单的修改、变更以及等效结构的变化，均仍属于本发明技术。