一种钛合金铸件的制造方法与流程

本发明属于金属材料制备
技术领域：
，涉及一种钛合金铸件的制造方法。
背景技术：
：钛合金是以钛元素为基础加入其他元素组成的合金，是一种重要的结构金属，具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，被广泛用于各个领域。钛合金铸件常规制造方法是先通过真空自耗电弧炉熔炼出符合设计成分的钛合金锭，然后再进行多次熔炼，使合金锭中成分均匀，最后把钛合金锭加工到适合真空凝壳炉铸造用的尺寸，再通过真空自耗凝壳炉进行重熔后浇铸铸件。该制造方法中所用工艺复杂，过程繁琐，对合金锭进行多次熔炼会造成合金元素的过量烧损，使钛合金铸件的化学成分难以控制。技术实现要素：本发明的目的是提供一种钛合金铸件的制造方法，解决了现有钛合金铸件制造方法需对合金锭进行多次熔炼，使合金元素过量烧损的问题。本发明所采用的技术方案是，一种钛合金铸件的制造方法，包括以下步骤：步骤1：在钛铸锭内预埋合金包；步骤2：真空熔炼预埋有合金包的钛铸锭；步骤3：待钛铸锭和合金包熔化，在坩埚中形成熔池后，采用单向旋转磁场发生器搅拌熔体；步骤4：边搅拌边将金属熔液真空浇铸成型，然后脱壳处理，即制得钛合金铸件。本发明的技术特征还在于，步骤1中，在钛铸锭内预埋合金包，包括在钛铸锭上钻盲孔，将合金包放入盲孔内，用与钛铸锭相同材质的片材盖住盲孔孔口，最后对盲孔孔口进行封焊。步骤1中，封焊采用氩弧焊完成。步骤2的具体过程如下：步骤2.1：将预埋有合金包的钛铸锭焊接到真空自耗凝壳炉内的假电极上，使钛铸锭底面与坩埚底部距离为30mm～45mm，然后关闭真空自耗凝壳炉；步骤2.2：对真空自耗凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤2pa；调节真空自耗凝壳炉的电极气动压力为0.5～0.7mpa，冷却水总水压为0.4～0.6mpa，坩埚水压为0.2～0.4mpa，空载电压为70～80v；步骤2.3：起弧预热钛铸锭，起弧电压为30～35v，起弧电流为3000～4000a，预热电流为5000～6000a，预热时间为1～1.5min，在坩埚内形成熔池；步骤2.4：电弧熔炼钛铸锭，熔炼过程中，将熔炼电流逐步加大至18000～20000a，控制坩埚进口水温为17℃～20℃，坩埚出口水温低于50℃。单向旋转磁场发生器安装在坩埚与水套之间。步骤3中，单向旋转磁场发生器搅拌熔体过程中，单向旋转磁场发生器的电源电压为12v，电流为2～4a。步骤4具体包括以下步骤：步骤4.1：预热铸型；步骤4.2：将预热后的铸型移动到真空自耗凝壳炉内，关闭真空自耗凝壳炉，将金属熔液浇入铸型中，然后关闭单向旋转磁场发生器，金属熔液随炉冷却至室温，从真空自耗凝壳炉中取出铸型；步骤4.3：使铸型中铸件脱壳，清除铸件表面杂物，即制得的钛合金铸件。步骤4.1中，预热后铸型的温度为400～500℃。步骤4.2中，将金属熔液浇入铸型的过程中，铸型的温度为300～400℃。本发明的有益效果是，通过在钛锭上预埋合金，采用真空自耗凝壳炉熔炼，外加单向旋转磁场搅拌合金熔液，使熔液中合金元素均匀化分布后直接浇注成钛合金铸件，工艺简单，易于操作，大大提高了钛合金铸件的铸造效率；与现有生产钛合金铸件的工艺方法相比，缩短了钛合金铸件的生产流程，减少了熔炼的次数，避免了合金元素在多次熔炼过程中的挥发，提高了钛合金成分的均匀性，节省了钛合金铸件的生产成本；采用本申请钛合金铸件制造方法制备的钛合金，相比电弧熔炼再铸造铸件，具有组分更为均匀，晶粒更加细小的结构特点，而且铸件的抗拉强度、屈服强度更高，力学性能优良，应用的范围更加广阔。附图说明图1是本发明中单向旋转磁场发生器的电路示意图；图2是本发明实施例1中铸型的结构示意图；图3是本发明实施例1制备的ztc4钛合金铸件的金相图片；图4是实施例2制备的zta5钛合金铸件的金相图片；图5是实施例3制备的zta10钛合金铸件的金相图片；图6是实施例4制备的ztc4钛合金铸件的金相图片。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明一种钛合金铸件的制造方法，包括以下步骤：步骤1：在钛铸锭内预埋合金包，包括在钛铸锭上钻多个盲孔，相邻盲孔之间的间距为45mm～55mm，将合金包平均分成与盲孔数量相同的份数，再依次放入各盲孔内，用与钛铸锭相同材质的片材盖住盲孔孔口，最后对盲孔孔口进行封焊，封焊采用氩弧焊完成。步骤2：真空熔炼预埋有合金包的钛铸锭步骤2.1：将预埋有合金包的钛铸锭焊接到真空自耗凝壳炉内的假电极上，使钛铸锭底面与坩埚底部距离大于30mm，然后关闭真空自耗凝壳炉；步骤2.2：对真空自耗凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤2pa；调节真空自耗凝壳炉的电极气动压力为0.5～0.7mpa，冷却水总水压为0.4～0.6mpa，坩埚水压为0.2～0.4mpa，空载电压为70～80v；步骤2.3：起弧预热钛铸锭，起弧电压为30～35v，起弧电流为3000～4000a，预热电流为5000～6000a，预热时间为1～1.5min，起弧预热钛铸锭过程中，部分钛铸锭熔化，在坩埚内形成熔池；步骤2.4：电弧熔炼钛铸锭，熔炼过程中，将熔炼电流逐步加大至18000～20000a，使坩埚进口水温为17℃～20℃，坩埚出口水温低于50℃；步骤3：待钛铸锭和合金包熔化，在坩埚内形成熔池后，采用单向旋转磁场发生器搅拌熔体，单向旋转磁场发生器安装在坩埚与水套之间，搅拌熔体过程中，单向旋转磁场发生器的电源电压为12v，电流为2～4a；步骤4：边搅拌边将金属熔液真空浇铸成型步骤4.1：预热铸型，预热铸型的温度为400～500℃；步骤4.2：将预热后的铸型移动到真空自耗凝壳炉内，关闭真空自耗凝壳炉，将坩埚翻转，使金属熔液浇入铸型中，浇注在3～5s内完成，浇注过程中，铸型的温度为300～400℃；浇注完成后关闭单向旋转磁场发生器，铸型中金属熔液随炉冷却至室温，最后从真空自耗凝壳炉中取出铸型；步骤4.3：对铸型中铸件进行脱壳处理后，清除铸件表面杂物，即制得钛合金铸件。实施例1制备一种ztc4钛合金铸件，包括以下步骤：步骤1：准备ta2钛铸锭和合金包，ta2钛铸锭为圆柱形铸锭，直径为200mm，高度为700mm；合金包由alv55粉末与铝粉末混合组成，alv55粉末质量占钛铸锭熔化量的5％～9％，alv55粉末的粒度为60～100目，铝粉末质量占钛铸锭熔化量的1％～3％；ta2钛铸锭和alv55粉末的化学成分如表1所示：表1ta2、ta5和alv55中化学成分的质量分数(％)牌号tivsifecnhoalta2余量––0.230.0160.0280.0040.16–ta5余量––0.160.0170.0300.0050.184.1alv55–50.0～59.0≤0.30≤0.35≤0.15––≤0.20余量距ta2钛铸锭底面向上50mm处，在ta2钛铸锭侧壁上向上均匀排钻8个盲孔，相邻盲孔之间的间隔为50mm，盲孔直径为25mm，深度为50mm；在ta2钛铸锭内预埋合金包，先将合金包均分为8份，然后在每一个盲孔内放置一份合金包，用1mm厚的ta2薄圆片盖住盲孔的孔口，最后采用氩弧焊对盲孔孔口进行封焊。步骤2：真空熔炼预埋有合金包的钛铸锭步骤2.1：将预埋有合金包的钛铸锭焊接到真空自耗凝壳炉内的假电极上，使钛铸锭底面与坩埚底部距离为40mm，然后关闭真空自耗凝壳炉；步骤2.2：对真空自耗凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤2pa；调节真空自耗凝壳炉的电极气动压力为0.6mpa，冷却水总水压为0.5mpa，坩埚水压为0.3mpa，空载电压为70v；步骤2.3：起弧预热钛铸锭，起弧电压为35v，起弧电流为3000a，起弧后预热钛锭和凝壳，预热电流为5500a，预热时间为1min，在坩埚内形成熔池；步骤2.4：电弧熔炼钛铸锭，熔炼过程中，将熔炼电流逐步加大至18000a，使坩埚进口水温为19℃，坩埚出口水温低于40℃。步骤3：待钛铸锭和合金包熔化，在坩埚内形成熔池后，采用单向旋转磁场发生器搅拌熔体，单向旋转磁场发生器的原理图如图1所示，给单向旋转磁场发生器通直流电，其产生纵向磁场，纵向磁场使熔池中的金属液旋转产生搅拌作用。单向旋转磁场发生器安装在坩埚与水套之间，搅拌熔体过程中，单向旋转磁场发生器的电源电压为12v，电流为3a；采用单向旋转磁场发生器推动金属液旋转运动，外加单向旋转磁场作用于结晶器内熔融的金属液，金属液是导电体，产生感生电流，该电流与感应器产生的磁场相互作用产生电磁力，推动金属液旋转运动，与金属液形成相对运动，搅拌熔体。在熔化的液体中存在大量的质构组织，这些质构组织来源于熔化过程中的ɑ-al树枝晶，经过磁场搅拌破碎了的ɑ-al树枝晶可以做为钛液后期浇注凝固的结晶晶核，起到细化晶粒组织，形成高强度组织结构(ɑ+β)相。磁场能对钛合金组织中的片状ɑ起到破碎作用，经试验证明，未加单向旋转磁场作用的钛合金晶粒平均直径为4.8mm，加单向旋转磁场作用的钛合金晶粒平均直径为2.3mm，化合物只在晶粒内部析出，呈针状和颗粒状，针状化合物最大尺寸224μm，最小尺寸50μm，颗粒状化合物最大尺寸63μm，最小尺寸10μm。因此，外加单向旋转磁场细化晶粒，能够有效解决合金成分的均匀性问题，降低合金元素烧损率，提高钛合金铸件的产品质量。步骤4：真空浇铸成型步骤4.1：参照图2，组装铸型，再预热铸型，预热后铸型的温度为500℃；步骤4.2：将预热后的铸型移动到真空自耗凝壳炉内，关闭真空自耗凝壳炉，将金属熔液浇入铸型的型腔中，浇注在3s内完成，浇注过程中，铸型的温度为350℃，浇注完成后关闭单向旋转磁场发生器，金属熔液随炉冷却至室温，从真空自耗凝壳炉中取出铸型；步骤4.3：使铸型中铸件脱壳，清除铸件表面杂物，即制得ztc4钛合金铸件。对比例1准备与实施例1中相同的原料，采用电弧熔炼再铸造的方式制得ztc4钛合金铸件。对实施例1和对比例1制得的钛合金铸件进行力学性能的测定，结果如表2所示：表2实施例1和对比例1钛合金铸件的力学性能比对(gb/t6614-2014)由表2中数据可知，采用本申请钛合金铸件制造方法制备的钛合金铸件相比电弧熔炼再铸造铸件具有更高的抗拉强度和屈服强度。实施例2制备一种zta5钛合金铸件，包括以下步骤：步骤1：准备ta2钛铸锭和合金包，ta2钛铸锭的化学成分如表1中所示，ta2钛铸锭为圆柱形铸锭，直径为200mm，高度为500mm；合金包由高纯铝豆组成，高纯铝豆质量占钛铸锭熔化量的3.3％～4.7％，高纯铝豆的粒度为2mm～5mm；距ta2钛铸锭底面向上50mm处，在ta2钛铸锭侧壁上向上均匀排钻5个盲孔，相邻盲孔之间的间隔为50mm，盲孔直径为25mm，深度为50mm；在ta2钛铸锭内预埋合金包，先将合金包均分为5份，然后在每一个盲孔内放置一份合金包，用1mm厚的ta2薄圆片盖住盲孔的孔口，最后采用氩弧焊对盲孔孔口进行封焊。步骤2：真空熔炼预埋有合金包的钛铸锭步骤2.1：将预埋有合金包的钛铸锭焊接到真空自耗凝壳炉内的假电极上，使钛铸锭底面与坩埚底部距离为45mm，然后关闭真空自耗凝壳炉；步骤2.2：对真空自耗凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤2pa；调节真空自耗凝壳炉的电极气动压力为0.65mpa，冷却水总水压为0.5mpa，坩埚水压为0.3mpa，空载电压为70v；步骤2.3：起弧预热钛铸锭，起弧电压为35v，起弧电流为3500a，起弧后预热钛锭和凝壳，预热电流为5500a，预热时间为1min，在坩埚内形成熔池；步骤2.4：电弧熔炼钛铸锭，熔炼过程中，将熔炼电流逐步加大至18000a，熔炼电压为38.5v，使坩埚进口水温为19℃，坩埚出口水温低于50℃。步骤3：待钛铸锭和合金包熔化，在坩埚内形成熔池后，采用单向旋转磁场发生器搅拌熔体，给单向旋转磁场发生器通直流电，其产生纵向磁场，纵向磁场使熔池中的金属液旋转产生搅拌作用。单向旋转磁场发生器安装在坩埚与水套之间，搅拌熔体过程中，单向旋转磁场发生器的电源电压为12v，电流为3a；步骤4：真空浇铸成型步骤4.1：组装铸型，再预热铸型，预热后铸型的温度为500℃；步骤4.2：将预热后的铸型移动到真空自耗凝壳炉内，关闭真空自耗凝壳炉，将金属熔液浇入铸型的型腔中，浇注在4s内完成，浇注过程中，铸型的温度为360℃，浇注完成后关闭单向旋转磁场发生器，金属熔液随炉冷却至室温，从真空自耗凝壳炉中取出铸型；步骤4.3：使铸型中铸件脱壳，清除铸件表面杂物，即制得zta5钛合金铸件。实施例3制备一种zta10钛合金铸件，包括以下步骤：步骤1：准备ta2钛铸锭和合金包，ta2钛铸锭的化学成分如表1中所示，ta2钛铸锭为圆柱形铸锭，直径为200mm，高度为500mm；合金包由timo15粉末和镍片组成，timo15粉末质量占钛铸锭熔化量的1.4％～2.0％，timo15粉末的粒度为800～1000目，镍片质量占钛铸锭熔化量的0.6％～0.9％，镍片的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为1mm；距ta2钛铸锭底面向上50mm处，在ta2钛铸锭侧壁上向上均匀排钻4个盲孔，相邻盲孔之间的轴向间隔为50mm，盲孔直径为25mm，深度为50mm；在ta2钛铸锭内预埋合金包，先将合金包均分为4份，然后在每一个盲孔内放置一份合金包，用1mm厚的ta2薄圆片盖住盲孔的孔口，最后采用氩弧焊对盲孔孔口进行封焊。步骤2：真空熔炼预埋有合金包的钛铸锭步骤2.1：将预埋有合金包的钛铸锭焊接到真空自耗凝壳炉内的假电极上，使钛铸锭底面与坩埚底部距离为45mm，然后关闭真空自耗凝壳炉；步骤2.2：对真空自耗凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤2pa；调节真空自耗凝壳炉的电极气动压力为0.65mpa，冷却水总水压为0.5mpa，坩埚水压为0.3mpa，空载电压为70v；步骤2.3：起弧预热钛铸锭，起弧电压为35v，起弧电流为4000a，起弧后预热钛锭和凝壳，预热电流为6000a，预热时间为1min，在坩埚内形成熔池；步骤2.4：电弧熔炼钛铸锭，熔炼过程中，将熔炼电流逐步加大至18500a，熔炼电压为38.5v，使坩埚进口水温为19℃，坩埚出口水温低于50℃。步骤3：待钛铸锭和合金包熔化，在坩埚内形成熔池后，采用单向旋转磁场发生器搅拌熔体，给单向旋转磁场发生器通直流电，其产生纵向磁场，纵向磁场使熔池中的金属液旋转产生搅拌作用。单向旋转磁场发生器安装在坩埚与水套之间，搅拌熔体过程中，单向旋转磁场发生器的电源电压为12v，电流为4a；步骤4：真空浇铸成型步骤4.1：组装铸型，再预热铸型，预热后铸型的温度为500℃；步骤4.2：将预热后的铸型移动到真空自耗凝壳炉内，关闭真空自耗凝壳炉，将金属熔液浇入铸型的型腔中，浇注在4s内完成，浇注过程中，铸型的温度为370℃，浇注完毕后关闭单向旋转磁场发生器，金属熔液随炉冷却至室温，从真空自耗凝壳炉中取出铸型；步骤4.3：使铸型中铸件脱壳，清除铸件表面杂物，即制得zta10钛合金铸件。实施例4制备一种ztc4钛合金铸件的制造方法，包括以下步骤：步骤1：准备ta5钛铸锭和合金包，ta5钛铸锭的化学成分如表1中所示，ta5钛铸锭为圆柱形铸锭，直径为250mm，高度为800mm；合金包由合金alv55粉末组成，合金alv55粉末质量占钛铸锭熔化量的6.6％～7.0％，合金alv55粉末的粒度为60～100目；距ta5钛铸锭底面向上50mm处，在ta5钛铸锭侧壁上向上均匀排钻8个盲孔，相邻盲孔之间的轴向间隔为50mm，盲孔直径为30mm，深度为50mm；在ta5钛铸锭内预埋合金包，先将合金包均分为8份，然后在每一个盲孔内放置一份合金包，用1mm厚的ta5薄圆片盖住盲孔的孔口，最后采用氩弧焊对盲孔孔口进行封焊。步骤2：真空熔炼预埋有合金包的钛铸锭步骤2.1：将预埋有合金包的钛铸锭焊接到真空自耗凝壳炉内的假电极上，使钛铸锭底面与坩埚底部距离为45mm，然后关闭真空自耗凝壳炉；步骤2.2：对真空自耗凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤2pa；调节真空自耗凝壳炉的电极气动压力为0.5mpa，冷却水总水压为0.4mpa，坩埚水压为0.4mpa，空载电压为75v；步骤2.3：起弧预热钛铸锭，起弧电压为30v，起弧电流为4000a，起弧后预热钛锭和凝壳，预热电流为6000a，预热时间为1.5min，在坩埚内形成熔池；步骤2.4：电弧熔炼钛铸锭，熔炼过程中，将熔炼电流逐步加大至20000a，熔炼电压为38.5v，使坩埚进口水温为19℃，坩埚出口水温低于50℃。步骤3：待钛铸锭和合金包熔化，在坩埚内形成熔池后，采用单向旋转磁场发生器搅拌熔体，给单向旋转磁场发生器通直流电，其产生纵向磁场，纵向磁场使熔池中的金属液旋转产生搅拌作用。单向旋转磁场发生器安装在坩埚与水套之间，搅拌熔体过程中，单向旋转磁场发生器的电源电压为12v，电流为4a。步骤4：真空浇铸成型步骤4.1：组装铸型，再预热铸型，预热后铸型的温度为500℃；步骤4.2：将预热后的铸型移动到真空自耗凝壳炉内，关闭真空自耗凝壳炉，将金属熔液浇入铸型的型腔中，浇注时间为3s～5s，浇注过程中，铸型的温度为380℃，浇注完成后关闭单向旋转磁场发生器，金属熔液随炉冷却至室温，从真空自耗凝壳炉中取出铸型；步骤4.3：使铸型中铸件脱壳，清除铸件表面杂物，即制得ztc4钛合金铸件。对实施例1～4制备的钛合金铸件进行化学成分检测，表3为实施例1制备的ztc4钛合金铸件上、中、下部位化学成分表，表4为实施例2制备的zta5钛合金铸件上、中、下部位化学成分表，表5为实施例3制备的zta10钛合金铸件上、中、下部位化学成分表，表6为实施例4制备的ztc4钛合金铸件上、中、下部位化学成分表。从表3～6中内容可知，采用本申请钛合金铸件制造方法制造出的钛合金铸件化学成分均匀。对实施例1～4制备的钛合金铸件进行力学性能检测，表7为实施例1制备的ztc4钛合金铸件的力学性能表，表8为实施例2制备的zta5钛合金铸件的力学性能表，表9为实施例3制备的zta10钛合金铸件的力学性能表，表10为实施例4制备的ztc4钛合金铸件的力学性能表。从表3～6中内容可知，采用本申请钛合金铸件制造方法制造出的钛合金铸件具有较高的强度和良好的塑性，满足标准要求。对实施例1～4制备的钛合金铸件进行微观组织观测，图3为实施例1制备的ztc4钛合金铸件的金相图片，图4为实施例2制备的zta5钛合金铸件的金相图片，图5为实施例3制备的zta10钛合金铸件的金相图片，图6为实施例4制备的ztc4钛合金铸件的金相图片，从图3-6金相图片可以看出，采用本发明技术铸造的钛合金铸件组织均匀，晶粒细小。采用本发明方法制造钛合金铸件，与常规制造方法相比，降低了合金元素烧损率，制造的钛合金铸件内部化学成分均匀，力学性能满足标准要求，缩短了生产流程，降低了钛合金的铸造成本，提高了钛合金的铸造效率。表3实施例1中ztc4钛合金铸件上、中、下部位成分(gb/t15073-2014)表4实施例2中zta5钛合金铸件上、中、下部位成分(gb/t15073-2014)表5实施例3中zta10钛合金铸件上、中、下部位成分(gb/t15073-2014)表6实施例4中ztc4钛合金铸件上、中、下部位成分(gb/t15073-2014)表7实施例1中ztc4钛合金铸件力学性能(gb/t6614-2014)表8实施例2中zta5钛合金铸件力学性能(gb/t6614-2014)性能rm(mpa)rp0.2(mpa)a(％)hbw标准要求≥590≥490≥10≤270实测值65653812218表9实施例3中zta10钛合金铸件力学性能(gb/t6614-2014)性能rm(mpa)rp0.2(mpa)a(％)hbw标准要求≥483≥345≥8≤235实测值53838213185表10实施例4中ztc4钛合金铸件力学性能(gb/t6614-2014)性能rm(mpa)rp0.2(mpa)a(％)hbw标准要求≥835≥765≥5≤365实测值9328579337上表中，rm表示抗拉强度，rp0.2表示屈服强度，a表示延伸率，hbw表示布氏硬度。当前第1页12