本发明属于钛合金冶金，具体涉及一种均质化大单重ti80钛合金铸锭及其制备方法。
背景技术：
1、ti80钛合金作为一种近α型钛合金，具有高强度、高韧性、优异耐腐蚀性和良好焊接性能，特别适用于深海耐压壳体等关键部件。近年来，随着舰船及海洋工程等领域的快速发展，对大规格、大单重ti80锻件和板材的需求日益增加，而大规格、大单重ti80锻件和板材相应地需要大单重的均质化铸锭。var熔炼制备钛合金铸锭具有操作简单、设备成本低、能耗低等优势，但其电极制备工艺繁琐，除杂能力有限，且铸锭规格越大，中心疏松、缩孔、杂质和冷隔越难控制，轴向和径向元素越容易偏析，最终导致锻件或板材组织性能达不到要求，同时大单重铸锭熔池难到边，冒口易缩孔导致铸锭周身车皮深度和头部切除长度增大，单重超10吨ti80铸锭var熔炼制备尤其需要解决这些问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种均质化大单重ti80钛合金铸锭及其制备方法。本发明通过自动化混布料和大压力油压机制备大规格电极，高真空等离子焊箱焊接电极，大直径铸锭熔炼及拼焊，再将所得毛锭机加工，去除铸锭周身、锭底和冒口熔炼不均匀的地方，最终制备出单重11~15吨成品光锭，保证了大单重成品铸锭的高均匀、高纯净和高致密度，同时采用熔池电磁搅拌工艺，冒口动态补缩工艺，减少了铸锭熔炼时产生的冷隔、缩孔及疏松，进而减少铸锭机加工时切削深度和长度，提高了成材率。
2、为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：
3、第一方面，本发明实施例提供了一种均质化大单重ti80钛合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：
4、步骤s1、电极制备：按ti80钛合金配方分批称取原料并混料，压制成半块小电极块，再拼接成整块大电极块；
5、步骤s2、电极焊接：将若干步骤s1中拼接得到的整块大电极装夹在一起，经真空等离子电弧焊接成整根自耗电极，焊接电流400~600a，焊接电压40~80v，焊接速度30~120mm/min，焊缝宽度20~60mm；
6、步骤s3、铸锭熔炼：将步骤s2所述整根自耗电极经至少3次var熔炼以获得铸锭，第2次熔炼将两支一次锭在var炉内对焊，拼接成大单重铸锭，每次熔炼冒口补缩采用动态调整机制减少缩孔疏松和成分偏析；
7、步骤s4、铸锭机加工：所述大单重铸锭冒口切除长度为150~180mm，铸锭底部切除长度为20~50mm，锭身车皮10~30mm，取样测成分，并对所有棱边进行倒角。
8、进一步地，步骤s1中，所述原料包括海绵钛、海绵锆、nbal合金粉末、moal合金粉末、铝豆及二氧化钛粉末，通过混布料设备进行自动称重及混料。
9、进一步地，所述海绵钛的颗粒度为2~25mm，成分为0<fe≤0.15%，0<o≤0.10%，0<c≤0.05%，0<n≤0.05%，0<h≤0.010%，余量为ti和不可避免的杂质；
10、所述海绵锆的颗粒度为3~25mm，成分为0<hf≤3.5%，0<fe≤0.25%，0<o≤0.10%，0<cl≤0.25%，0<c≤0.10%，0<n≤0.05%，0<h≤0.010%，余量为zr和不可避免的杂质；
11、所述nbal合金粉末的颗粒度为≤3mm，成分为58.0%<nb≤62.0%，0<fe≤0.25%，0<cu≤0.25%，0<cr≤0.25%，0<ta≤0.35%，0<si≤0.20%，0<o≤0.10%，0<c≤0.10%，0<n≤0.05%，0<h≤0.010%，余量al和不可避免的杂质；
12、所述moal合金粉末的颗粒度为≤3mm，成分为51.0%<mo≤53.0%，0<mn≤0.20%，0<si≤0.20%，0<fe≤0.25%，0<o≤0.10%，0<c≤0.10%，0<n≤0.05%，0<h≤0.010%，余量al和不可避免的杂质；
13、所述铝豆的颗粒度为5.0~13.0mm，成分为99.50%≤al，0<fe≤0.25%，0<ga≤0.10%，0<mg≤0.10%，0<v≤0.10%，0<o≤0.10%，0<c≤0.10%，0<n≤0.01%，0<h≤0.010%，余量为al和不可避免的杂质；
14、所述二氧化钛粉末的颗粒度为≤0.5mm，成分为99%≤tio2，0≤al2o3≤0.10%，0<fe2o3≤0.10%，0<cr2o3≤0.10%，0<cuo≤0.10%，0<cao≤0.10%，0<c≤0.10%，余量为tio2和不可避免的杂质。
15、进一步地，步骤s1中，每块电极由2~3罐混合料压制而成，模具中装入第一罐料后，油压机进行预压，压力1000~2500吨，预压压力为压机总压力的10%~25%，最后一罐料根据所需电极高度设置油压机行程，确保每块电极尺寸和密度一致，计算公式为：
16、，
17、式中，w为原料质量，g；为电极块密度，g/mm3；s横截面积为模具横截面积，mm3；h为压制高度，mm。
18、进一步地，步骤s1中，电极块密度≥3.5g/cm3，所述小电极块为六边柱形，两块小电极块拼接成一块八方柱形大电极块，所述大电极块的尺寸为宽650~850mm×长350~400mm。
19、进一步地，步骤s2中，将10~12个八方柱形大电极块轴向排列装夹在模具中，电极总平直度≤15mm，间隙≤0.5mm，放入等离子焊接箱；
20、焊接前先抽真空，真空度达到≤7pa后充氩，氩气压力达到20000~30000pa，漏气率≤1pa/min。
21、进一步地，步骤s3中，所述ti80钛合金铸锭通过至少三次真空自耗熔炼获得，辅助电极材质为ti80钛合金；
22、第一次熔炼采用坩埚直径为φ850~950mm，将步骤s2所述整根自耗电极装炉熔炼得到一次锭，出炉后将一次锭采用钢刷清扫，去除锭身的粉尘杂质，切除冒口飞边；
23、第二次熔炼采用坩埚直径为φ950~1050mm，为得到大规格铸锭，装炉时将一次锭翻转，一次锭锭头在下，锭尾在上，同时将两根一次锭头尾相接，在var炉内对焊在一起，熔炼得到二次锭，出炉后切除铸锭冒口飞边；
24、第三次熔炼采用坩埚直径为φ1000~1100mm，装炉时将二次锭翻转，二次锭锭头在下，锭尾在上，熔炼得到三次锭；
25、每次熔炼完毕，冷却时充氩，充氩压力2000~12000pa，铸锭出炉温度≤200℃，防止铸锭冷却中氧化。
26、进一步地，步骤s3中，每次熔炼包括三个阶段：起弧阶段、熔炼阶段和补缩阶段；
27、一次熔炼起弧阶段电流为2~5ka，在3~35min内把电流升高至20~26ka，电压升为15~30v，稳弧电流采用直流电，电流为6~12a；熔炼阶段电流为18~28ka，电压为25~45v，稳弧电流采用直流电，电流为8~16a；当自耗电极重量为50~150kg时开始进入补缩阶段，电流在2~8min逐渐降低至10~15ka，电压降为15~30v，稳弧电流采用直流电，电流为2~10a，补缩结束时自耗电极重量0~50kg；
28、二次熔炼起弧阶段电流为2~5ka，在3~45min内把电流升高至26~36ka，电压升为20~35v，稳弧电流采用直流电，电流为8~16a；熔炼阶段电流为32~42ka，电压为30~45v，稳弧电流采用直流电，电流为10~18a；当自耗电极重量为100~200kg时开始进入补缩阶段，电流在2~10min逐渐降低至10~15ka，电压降为20~35v，稳弧电流采用直流电，电流为5~10a，补缩结束时自耗电极重量0~80kg；
29、三次熔炼起弧阶段电流为2~5ka，在3~60min内把电流升高至30~40ka，电压升为25~35v，稳弧电流采用交流电，电流为6~12a，每10~20s换一次稳弧电流的电流方向；熔炼阶段电流为35~45ka，电压为35~45v，稳弧电流采用交流电，电流为8~16a，每5~15s换一次稳弧电流的电流方向；当自耗电极重量为200~600kg时开始进入补缩阶段，电流在120~300min逐渐降低至2~5ka，电压降为20~30v，稳弧电流采用交流电，电流为2~10a，每5~10s换一次稳弧电流的电流方向，补缩结束时自耗电极重量50~150kg。
30、进一步地，步骤s3中，补缩阶段电流it控制根据自耗电极重量、坩埚直径、熔炼电压实时调整，关系式如下：
31、，
32、式中，i0为补偿电流，ka；α为材料系数，取0.2~0.35；wt为自耗电极当前重量，kg；d为坩埚直径，m；vt为当前电压，v。
33、第二方面，本发明实施例提供了一种均质化大单重ti80钛合金铸锭，采用第一所述制备方法制得，所述钛合金铸锭直径为960~1080mm，长度为3400~3650mm；
34、按质量分数计，所述ti80钛合金铸锭包括以下组分：6.0%≤a1≤6.5%，2.8%≤nb≤3.2%，1.8%≤zr≤2.2%，1.0%≤mo≤1.5%，0<si≤0.05%，0<fe≤0.15%，0<c≤0.05%，0<n≤0.05%，0<h≤0.010%，0.05≤o≤0.10%，余量为ti和不可避免的杂质。
35、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
36、本发明采用自动化混布料设备、万吨压力油压机和高真空等离子焊箱，通过多种方式结合，制备出整根自重6~8吨级自耗电极，其密度均匀、形状统一、连接牢固，从而提高熔炼过程的稳定性和成分均匀性。
37、本发明通过大尺寸真空自耗电弧炉熔炼至少三次，每次熔炼中精准控制起弧阶段、熔炼阶段和补缩阶段熔炼的参数，使得ti80钛合金在在熔炼过程中成分充分均匀化，同时减少杂质含量，通过在熔炼炉内自耗电极对焊获得12~16吨级毛锭，通过特殊冒口补缩工艺提高成分均匀性和减少后道冒口切损。