一种合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法与流程

本发明属于有色金属加工领域，尤其涉及一种合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法。

背景技术：

1、钛合金的比强度高、耐热性好且具有良好的抗腐蚀性能，已成为工业上最重要的金属之一，广泛用于航空航天、石油化工、海水淡化、医疗器械等工业领域中。钛合金的常见合金化元素为铝、锡、钒、锆、锰等，通过配合使用这些合金元素，可以显著提高钛合金的强度，同时又保持良好的塑性和冷热加工性。但是，钛合金对成分非常敏感，即使成分小范围的波动都可对钛合金性能产生很大的不利影响，如ta18钛合金的名义成分为ti-3al-2.5v，如果合金中局部区域的al含量超过7%时，将析出ti3al脆性相，导致合金的综合性能下降，特别是大大降低ta18钛合金的塑性，而v元素为钛合金β相稳定化元素，富v局部区域的β相含量将明显增多，也会降低ta18钛合金的塑性。ta18钛合金主要用来制造飞机管路系统所用的无缝管，其冷轧加工方法要求其具有非常好的塑形。对于低中强级的ta18钛合金无缝管制造，允许出现al与v元素一定程度的局部富集，但高强级的ta18钛合金无缝管对其合金元素的均匀性提出了非常高的要求，al与v元素的轻微不均匀分布都会导致高强级ta18钛合金无缝管冷轧过程的开裂以及成品管的扩口塑性指标不合格。其它诸如ta16、ta21、tc4等钛合金都面临同样的情况，即在一般的加工及使用要求下，允许合金成分出现小范围波动，但在严苛的加工条件与使用要求中，其合金成分必须实现高度均匀化。要实现钛合金制品合金成分的高度均匀化，主要通过下面两个连续环节相配合来实现，其一是确保钛合金制品的坯料--钛合金铸锭的合金成分高度均匀化，其二是对钛合金铸锭进行塑性加工进一步均匀化。显然，确保钛合金铸锭的合金成分高度均匀化是实现钛合金制品合金成分高度均匀化的前提和关键。

2、但是，实现钛合金铸锭的合金成分高度均匀化难度很大。目前，高品质的钛合金铸锭大部分采用真空自耗电弧熔炼制备，即采用海绵钛颗粒、豆状的合金元素纯金属和豆状的合金元素中间合金作为原料，混合后压制成自耗电极，再通过真空自耗电弧熔炼的方法制备出钛合金铸锭。大小不一的海绵钛颗粒、豆状的合金元素纯金属和豆状的合金元素中间合金三者难以像金属粉末一样充分混合均匀，再加上真空自耗电弧熔炼属于熔化和凝固同时进行的熔炼方法，即使通过不少于3次的真空自耗电弧熔炼来促进均匀化，仍然会出现钛合金铸锭中合金成分的富集区与贫乏区。想再通过后续的钛合金铸锭塑性变形来实现合金成分高度均匀化需要经过反复的锻打及挤压工序，非常耗时且成本相当高。

3、为了提高钛合金铸锭合金成分的均匀化程度，中国专利cn113278812a发明了一种高mo含量ti-mo合金均质铸锭真空自耗熔炼方法用于提高ti-mo钛合金铸锭的合金成分均匀性，该方法采用了5次真空自耗电弧熔炼，并且在两次真空自耗电弧熔炼后对ti-mo电极进行锻造；在中国专利cn113832363a钛合金铸锭及其制备方法中通过真空自耗电弧熔炼过程中依次进行的稳定熔炼阶段和补缩阶段来促进钛合金铸锭合金成分均匀化；中国发明专利cn114091248 a发明了一种预测真空自耗熔炼铸锭凝固过程的模拟方法，该发明对优化真空自耗电弧熔炼工艺获得成分均匀的铸锭有良好的指导作用。

4、对于目前自耗电极的制备方法，由于原料均为大颗粒状，并且占大部分的海绵钛颗粒在压制后相互结合力较差，导致了两个问题，其一是自耗电极中心部位的海绵钛颗粒之间结合力不够，在熔炼过程中有掉块的问题，其二是对于大型铸锭，为避免海绵钛颗粒之间结合强度不够的问题，不能制备相应的大电极块来组焊成整体电极，而只能制备较小的电极块来组焊成整体电极，这增加了焊接点数量，也就增加了熔炼过程中因焊点失效导致熔炼过程被迫中止的事故发生率。因而亟需一种新型的钛合金铸锭制备方法，既可以保证钛合金铸锭的合金成分高度均匀化，又能减少真空自耗电弧熔炼的次数，且能有效提升真空自耗电弧熔炼过程的安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法，利用喷射沉积方法在海绵体颗粒表面沉积合金成分层来制备自耗电极的原材料，进而实现钛合金铸锭合金成分的高度均匀化。

2、因而，本发明提供如下技术方案：一种合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、步骤1：以钛合金中熔点高于1000℃的合金成分作为原料，制备喷射粉末，以钛合金中熔点低于1000℃的合金成分作为原料，制备喷射液；

4、步骤2：向海绵钛颗粒表面喷射黏附有喷射粉末的喷射液，制备表面沉积有合金成分层的海绵钛颗粒；

5、步骤3：把表面沉积有合金成分层的海绵钛颗粒和表面没有沉积合金成分层的海绵钛颗粒充分混合，混合后制备成自耗电极；

6、步骤4：对自耗电极进行真空自耗电弧熔炼，制成钛合金铸锭。

7、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：采用共喷射方法向海绵钛颗粒喷射黏附有喷射粉末的喷射液。

8、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：在向海绵钛颗粒表面喷射黏附有喷射粉末的喷射液时，海绵钛颗粒放置在振动台上，海绵钛颗粒在振动台上保持上抛运动。

9、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：向海绵钛颗粒表面喷射黏附有喷射粉末的喷射液的过程在喷射室进行，喷射室内的上部设置有喷射头，喷射头下方设置有振动台，喷射室采用惰性气体保护。

10、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：所述自耗电极中表面沉积有合金成分层的海绵钛颗粒质量百分占比大于等于70%。

11、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：所述喷射粉末的粒径小于10 μm，海绵钛颗粒的粒径为5~12.5mm。

12、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：向海绵钛颗粒表面喷射黏附有喷射粉末的喷射液时，所述海绵钛颗粒上抛高度不低于5cm。

13、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：共喷射过程中，喷射粉末直接喷入喷射液形成的雾化锥中。

14、作为本发明所述合金成分高度均匀化的钛合金铸锭制备方法的一种优选方案，其中：所述真空自耗电弧熔炼的次数不超过2次。

15、采用本发明的方法，除了能实现钛合金铸锭合金成分的高度均匀化、有效减少真空自耗电弧熔炼的次数，并且能有效提升真空自耗熔炼过程的安全性。因为在海绵钛颗粒表面喷涂一层合金元素层后，特别是当合金元素中包含较多的al、sn、cu等软质元素时，海绵钛颗粒之间的接触面就变成了合金元素沉积层之间的接触面，在电极块压制过程中，合金元素沉积层因为较软，容易产生相互的黏合和咬合，大大增加了颗粒之间的结合强度，进而大幅度提高电极块的强度，因此可以把电极块做的更大而减少后续组焊焊点的数量，提高自耗电极的安全性；也因为电极块的强度提高，避免了真空自耗电弧熔炼过程中掉块的危险。

16、本发明具有以下优点：

17、（1）本发明通过在海绵钛颗粒表面喷射沉积合金成分层，可在不超过2次真空自耗电弧熔炼的条件下实现钛合金铸锭合金成分的高度均匀化；

18、（2）本发明通过在海绵钛颗粒表面喷射沉积合金成分层，增加了自耗电极块压实时的紧实度和颗粒之间的结合强度，避免了熔炼过程自耗电极的掉块与破裂问题；

19、（3）本发明通过在海绵钛颗粒表面喷射沉积合金成分层，可制备出大尺寸且强度高的自耗电极块，进而可以减少整体自耗电极的组焊焊接点，增加了真空自耗电弧熔炼过程的安全性。