一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的VAR熔炼方法与流程

本发明属于有色金属加工技术领域，更具体地，涉及一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法。

背景技术：

大规格钛合金铸锭成分均匀性控制是影响新型战机关键部件工程化批产应用和推广的关键难题之一。tb6、tc18钛合金因为强韧性匹配良好，tc17钛合金由于高温性能优良，而广泛应用于新型战机的关键结构件及转动件，但由于三种合金牌号中易偏析元素fe、cr含量高，大规格铸锭成分均匀性和β斑控制难度极高，国内长期无法突破大规格tb6和tc17钛合金β斑控制难题，国外生产的tb6棒材空烧热处理后也存在流线和β斑问题，此外，随着铸锭规格和重量的增大，熔池深度增加、熔炼时间和合金凝固时间延长，fe、cr等易偏析元素在铸锭中的偏析程度会进一步加剧，从而导致铸锭成分均匀性控制难度大幅增加。因此如何控制var熔炼参数和熔炼过程中的熔池深度和冷却强度，减轻fe、cr元素偏析，获得成分高度均匀的大规格易偏析钛合金铸锭成为了熔炼工作中的技术难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，能获得fe、cr元素含量偏差在2500ppm范围以内的大规格易偏析钛合金铸锭，有效地解决了大规格易偏析钛合金因铸锭成分不均匀而造成的棒材β斑问题，适用于工业化生产。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将重量为4000～7000kg、规格为φ560～φ720mm的二次var熔炼获得的自耗电极装入φ640～φ820mm规格的强冷却坩埚，并放置于var炉熔化站中进行封炉抽空；

s2、进入正常熔炼期后，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用压力控制方式冲入气体；

s3、当自耗电极剩余重量为200～400kg时开始补缩，并采用流量控制方式冲入气体，熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却，之后将自耗电极进行正常冷却，出炉，最终得到φ640mm～φ820mm的钛合金铸锭。

进一步地，所述步骤s1还包括：

封炉抽空后，当预真空≤5pa，漏率≤1.0pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却48min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；当预真空≤1pa，漏率≤0.6pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为26～34v，熔炼电流范围为10～16ka，稳弧电流范围为5～20a交流，稳弧周期范围为5～18s。

进一步地，所述步骤s1中的抽空过程需对管道进行冲洗，冲洗时间大于5min。

进一步地，所述步骤s2之前还包括以下步骤：

当自耗电极已熔重量为200～300kg时，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用流量控制方式冲入气体，气体流量范围为100～300ml/min。

进一步地，所述步骤s2中采用压力控制方式冲入气体的气体压力范围为800～1500pa，且气体压力稳定性保持在±100pa范围内，气体流量范围为200～1000ml/min。

进一步地，所述步骤s3中气体流量范围为600～1000ml/min。

进一步地，所述步骤s3中补缩期电流降低速率应分阶段进行控制，其中前期为(0.7～1.1)ka/min，中期为(0.1～0.3)ka/min，末期为(0.05～0.1)ka/min。

进一步地，所述步骤s3中熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却的时间为至少60min，所述正常冷却的时间为至少5个小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，通过成品熔炼过程中在铸锭与坩埚之间通入气体，合理控制气体冷却强度和成品熔炼参数范围，实现了var熔炼过程中的浅熔池和快速凝固，获得了成分高度均匀、无偏析的大规格钛合金铸锭，解决了大规格易偏析钛合金因铸锭成分偏析而造成的棒材β斑问题，适用于工业化生产。

本发明中，通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中最终得到的φ640mm的钛合金铸锭实物图；

图2为本发明实施例2中最终得到的φ720mm的钛合金铸锭实物图；

图3为本发明实施例3中最终得到的φ820mm的钛合金铸锭实物图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，包括以下步骤：

s1、将重量为4000～7000kg、规格为φ560～φ720mm的二次var熔炼获得的自耗电极装入φ640～φ820mm规格的强冷却坩埚，并放置于var炉熔化站中进行封炉抽空；

s2、进入正常熔炼期后，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用压力控制方式冲入气体；

s3、当自耗电极剩余重量为200～400kg时开始补缩，并采用流量控制方式冲入气体，熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却，之后将自耗电极进行正常冷却，出炉，最终得到φ640mm～φ820mm的钛合金铸锭。

进一步地，所述步骤s1还包括：

封炉抽空后，当预真空≤5pa，漏率≤1.0pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却48min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；当预真空≤1pa，漏率≤0.6pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为26～34v，熔炼电流范围为10～16ka，稳弧电流范围为5～20a交流，稳弧周期范围为5～18s。

进一步地，所述步骤s1中的抽空过程需对管道进行冲洗，冲洗时间大于5min。

进一步地，所述步骤s2之前还包括以下步骤：

当自耗电极已熔重量为200～300kg时，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用流量控制方式冲入气体，气体流量范围为100～300ml/min。

进一步地，所述步骤s2中采用压力控制方式冲入气体的气体压力范围为800～1500pa，且气体压力稳定性保持在±100pa范围内，气体流量范围为200～1000ml/min。

进一步地，所述步骤s3中气体流量范围为600～1000ml/min。

进一步地，所述步骤s3中补缩期电流降低速率应分阶段进行控制，其中前期为(0.7～1.1)ka/min，中期为(0.1～0.3)ka/min，末期为(0.05～0.1)ka/min。

进一步地，所述步骤s3中熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却的时间为至少60min，所述正常冷却的时间为至少5个小时。

实施例1：

本发明提供了一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，包括以下步骤：

s1、将重量为4100kg、规格为φ560mm的二次var熔炼获得的tb6自耗电极装入φ640规格的强冷却坩埚，并放置于var炉熔化站中进行封炉抽空；

封炉抽空后，当预真空≤5pa，漏率≤1.0pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却48min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；当预真空≤1pa，漏率≤0.6pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为29～33v，熔炼电流范围为10～13ka，稳弧电流范围为8～14a交流，稳弧周期范围为5～15s；抽空后确保自耗电极和辅助电极在真空环境下进行焊接；

抽空过程需对管道进行冲洗，冲洗时间为6min，流量为1200ml/min。

s2、当自耗电极已熔重量为200kg时，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用流量控制方式冲入气体，气体流量为120ml/min；进入正常熔炼期后，进入正常熔炼期后，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用压力控制方式冲入气体，冲入气体的压力范围为800～1000pa，且气体压力稳定性保持在±50pa范围内，气体流量范围为200～600ml/min，冲入气体可以加快自耗电极的凝固速度，最终确保钛合金铸锭成分均匀，没有偏析。

s3、当自耗电极剩余重量为200kg时开始补缩，补缩期电流降低速率应分阶段进行控制，其中前期为0.7ka/min，中期为0.1ka/min，末期为0.05ka/min，并采用流量控制方式冲入气体，气体流量范围为600～700ml/min，熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却，冷却的时间为65min，气体流量范围为600～800ml/min，之后将自耗电极进行正常冷却至少6个小时，出炉，最终得到φ640mm的钛合金铸锭。

将本实施例熔炼得到的tb6合金φ640mm铸锭进行纵向成分分析，沿纵向进行锯切取片，在纵剖片上沿边部、1/2r、心部进行纵向10点取样用来分析铸锭整体的fe元素成分均匀性，结果见表1。

表1.实施例1铸锭纵向不同部位的fe元素含量(wt％)分析结果：

由表1可以看出，对该工艺生产tb6铸锭进行纵向成分分析，常规熔炼工艺制备铸锭分析极差值范围为4000～5000ppm，实施例1中铸锭纵向30点fe元素极差仅1900ppm，铸锭成分均匀性良好，获得了成分高度均匀的φ640mmn规格tb6铸锭。

对该工艺生产tb6铸锭锻造的棒材在相变点以下25℃进行β斑检查，结果见图1所示，可以清楚的看到，铸锭低倍组织均匀，低倍和高倍检查无β斑，获得了无β斑的大规格tb6棒材。

实施例2：

本发明提供了一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，包括以下步骤：

s1、将重量为5000kg、规格为φ640mm的二次var熔炼获得的tc18自耗电极装入φ720规格的强冷却坩埚，并放置于var炉熔化站中进行封炉抽空；

封炉抽空后，当预真空≤5pa，漏率≤1.0pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却48min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；当预真空≤1pa，漏率≤0.6pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为30～34v，熔炼电流范围为13～16ka，稳弧电流范围为10～20a交流，稳弧周期范围为10～18s；抽空后确保自耗电极和辅助电极在真空环境下进行焊接；

抽空过程需对管道进行冲洗，冲洗时间为6min，流量为1200ml/min。

s2、当自耗电极已熔重量为250kg时，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用流量控制方式冲入气体，气体流量为150ml/min；进入正常熔炼期后，进入正常熔炼期后，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用压力控制方式冲入气体，冲入气体的压力范围为1200～1500pa，且气体压力稳定性保持在±90pa范围内，气体流量范围为600～1000ml/min，冲入气体可以加快自耗电极的凝固速度，最终确保钛合金铸锭成分均匀，没有偏析。

s3、当自耗电极剩余重量为300kg时开始补缩，补缩期电流降低速率应分阶段进行控制，其中前期为1.1ka/min，中期为0.3ka/min，末期为0.07ka/min，并采用流量控制方式冲入气体，气体流量范围为900～1000ml/min，熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却，冷却的时间为70min，气体流量范围为800～1000ml/min，之后将自耗电极进行正常冷却至少6个小时，出炉，最终得到φ720mm的钛合金铸锭。

将本实施例熔炼得到的tc18合金φ720mm铸锭进行纵向成分分析，沿纵向进行锯切取片，在纵剖片上沿边部、r2/3、1/3r和心部进行纵向12点取样用来分析铸锭整体的cr元素成分均匀性，结果见表2。

表2.实施例2铸锭纵向不同部位的cr元素含量(wt％)分析结果：

由表2可以看出，对该工艺生产tc18铸锭进行纵向成分分析，常规熔炼工艺制备铸锭分析极差值范围为4000～5000ppm，实施例2中铸锭纵向48点cr元素极差仅1000ppm，铸锭成分均匀性良好，获得了成分高度均匀的φ720mmn规格tc18铸锭。

对该工艺生产铸锭锻造的棒材在相变点以下25℃进行β斑检查，结果见图2所示，可以清楚的看到，铸锭低倍组织均匀，低倍和高倍检查无β斑，获得了无β斑的大规格tc18棒材。

实施例3：

本发明提供了一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，包括以下步骤：

s1、将重量为6800kg、规格为φ720mm的二次var熔炼获得的tc17自耗电极装入φ820规格的强冷却坩埚，并放置于var炉熔化站中进行封炉抽空；

封炉抽空后，当预真空≤5pa，漏率≤1.0pa/min时，将自耗电极与辅助电极进行对焊，冷却48min后开炉清理焊瘤，清理完成后重新封炉抽空；当预真空≤1pa，漏率≤0.6pa/min时，开始起弧熔炼，其中熔炼电压范围为28～32v，熔炼电流范围为11～14ka，稳弧电流范围为5～15a交流，稳弧周期范围为8～15s；抽空后确保自耗电极和辅助电极在真空环境下进行焊接；

抽空过程需对管道进行冲洗，冲洗时间为7min，流量为1200ml/min。

s2、当自耗电极已熔重量为300kg时，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用流量控制方式冲入气体，气体流量为250ml/min；进入正常熔炼期后，进入正常熔炼期后，在已熔自耗电极与强冷却坩埚的间隙内采用压力控制方式冲入气体，冲入气体的压力范围为900～1200pa，且气体压力稳定性保持在±80pa范围内，气体流量范围为400～800ml/min，冲入气体可以加快自耗电极的凝固速度，最终确保钛合金铸锭成分均匀，没有偏析。

s3、当自耗电极剩余重量为380kg时开始补缩，补缩期电流降低速率应分阶段进行控制，其中前期为0.8ka/min，中期为0.2ka/min，末期为0.1ka/min，并采用流量控制方式冲入气体，气体流量范围为800～900ml/min，熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却，冷却的时间为80min，气体流量范围为800～1000ml/min，之后将自耗电极进行正常冷却至少6个小时，出炉，最终得到φ820mm的钛合金铸锭。

将本实施例熔炼得到的tc17合金φ820mm铸锭进行纵向成分分析，沿纵向进行锯切取片，在纵剖片上沿边部、1/2r、心部进行纵向14点取样用来分析铸锭整体的cr元素成分均匀性，结果见表3。

表3.实施例3铸锭纵向不同部位的cr元素含量(wt％)分析结果：

由表3可以看出，对该工艺生产tc17铸锭进行纵向成分分析，常规熔炼工艺制备铸锭分析极差值范围为4000～5000ppm，实施例3中铸锭纵向42点cr元素极差仅2400ppm，铸锭成分均匀性良好，获得了成分高度均匀的φ820mmn规格tc17铸锭。

对该工艺生产铸锭锻造的棒材在相变点以下25℃进行β斑检查，结果见图3所示，可以清楚的看到，铸锭低倍组织均匀，低倍和高倍检查无β斑，获得了无β斑的大规格tc17棒材。

本发明提出一种强冷却方式制备大规格易偏析钛合金铸锭的var熔炼方法，通过成品熔炼过程中在铸锭与坩埚之间通入气体，合理控制气体冷却强度和成品熔炼参数范围，实现了var熔炼过程中的浅熔池和快速凝固，获得了成分高度均匀、无偏析的大规格钛合金铸锭，解决了大规格易偏析钛合金因铸锭成分偏析而造成的棒材β斑问题，适用于工业化生产。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。