一种航空用热强钛合金铸锭及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种航空用热强钛合金铸锭，其各元素重量百分比：6.2％～7.3％Al，0.4％～1.0％Mo，3.5％～4.5％Zr，0.5％～1.5％Nb，2.0％～3.0％Sn，0.1％～0.25％Si，0.04％～0.15％O，0.05％～0.14％C，余量为Ti，以上组分重量百分比之和为100％。本发明还公开了上述铸锭的制备方法。本发明通过改变合金元素的添加方式来提高大型铸锭的成分均匀性，成功突破了成分均匀性控制技术；同时在熔炼过程中，通过控制电流来控制熔炼速度，以达到均匀化成分的目的，有效的解决了采用常规方法熔炼WSTi62411SC钛合金易产生铝偏析和钼难熔块等冶金缺陷的问题。
【专利说明】
一种航空用热强钛合金铸锭及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种航空用热强钛合金铸锭，本发明 还涉及上述航空用热强钛合金铸锭的制备方法。
【背景技术】
[0002] WSTi62411SC钛合金是一种变形热强钛合金，属于近α型钛合金，它是Ti-Al-Zr- Sn-Mo-Nb-Si-C合金系中最具代表性的合金之一，可在550~600°C工作，用于制造航空发动 机的压气机盘和叶片等。它是由BT18合金改进而来，改型后的合金在降低铝含量的同时，用 锡代替部分锆，因而提高了其工艺塑性、热稳定性、抗蠕变性能和冲击韧性;同时保持了600 °C的持久强度，但工作温度下的瞬时强度和该温度下保温后的塑性略有降低。WSTi62411SC 钛合金具有优良的综合性能，该合金不能通过热处理进行强化，但调整热处理制度，可获得 具有不同性能的显微组织，从而使得材料的性能可以通过不同显微组织的搭配达到使用要 求。
[0003] 由于WSTi62411SC钛合金中合金元素种类较多，且含量较高，合金中铝元素含量比 普通的钛合金高，而铝和锡的熔点又远低于钛，另外，还含有锆、铌、钼和硅等熔点高的元 素，因此WSTi62411SC钛合金中主元素熔点温度梯度大，铸锭熔炼时极易形成铝偏析和锆、 铌、钼和硅的难熔块等冶金缺陷。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种航空用热强钛合金铸锭，解决了现有WSTi62411SC钛合 金中主元素熔点温度梯度大，铸锭熔炼时极易形成铝偏析和锆、铌、钼和硅的难熔块等冶金 缺陷的问题。
[0005] 本发明的另一目的是提供上述航空用热强钛合金铸锭的制备方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种航空用热强钛合金铸锭，其各元素重量百分比： 6.2%~7.3%Al，0.4%~1.0%Mo,3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn， 0.1%~0.25%31，0.04%~0.15%0,0.05%~0.14%(：，余量为11，以上组分重量百分比之 和为100%。
[0007] 本发明的特点还在于，
[0008] Al、Mo、Zr、Nb、Sn、Si元素来源于钛合金中间合金。
[0009] 钛合金中间合金为40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金。
[0010] 〇元素来源于Ti〇2粉末，C元素来源于C粉末。
[0011] 本发明所采用的另一技术方案是，一种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，具体 包括以下步骤：
[0012]步骤1，压制电极块：
[0013]将钛合金中间合金、小颗粒海绵锆、铝豆、Ti02粉末、C粉末与一级小颗粒海绵钛， 进行单块电极混料，然后压制成电极块；
[0014] 步骤2,焊接电极：
[0015] 将步骤1得到的电极块采用非钨极氩气保护等离子箱焊接为电极；
[0016] 步骤3,熔炼：
[0017] 将步骤2制得的电极，置于真空自耗电弧炉进行2-3次真空熔炼，即得到航空用热 强钛合金铸锭。
[0018] 本发明的特点还在于，
[0019] 步骤1中各原料混合后其元素重量百分比：6.2%~7.3 %A1，0.4%~1.0 %Mo， 3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si，0.04%~0.15%0， 0.05%~0.14%C，余量为Ti，以上组分重量百分比之和为100%。
[0020] 钛合金中间合金为40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金。
[0021]步骤3中一次真空熔炼的参数为:坩埚规格Φ280~Φ440πιπι，熔前真空< 1.5Pa，漏 气率< 0.8Pa/min，熔炼电压31~39V，熔炼电流7~15kA，稳弧电流采用直流6.0~12.0A，熔 炼后冷却时间3~4h。
[0022] 步骤3中二次真空熔炼的参数为:坩埚规格Φ360~Φ560πιπι，熔前真空< l.OPa，漏 气率<〇.8Pa/min，熔炼电压32~43V，熔炼电流10~20kA，稳弧电流采用交流6.0~10.0A， 熔炼后冷却时间4~5h。
[0023] 步骤3中三次真空熔炼的参数为:坩埚规格Φ560~Φ720πιπι，熔前真空<0.5Pa，漏 气率<〇.5Pa/min，熔炼电压35~40V，熔炼电流20~30kA，稳弧电流采用交流交流8.0~ 12.0，熔炼后冷却时间5~6h。
[0024] 本发明的有益效果是，通过改变合金元素的添加方式来提高大型铸锭的成分均匀 性，采用40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金，成功突破了成分均匀性 控制技术，避免高熔点元素锆、铌、钼、硅和低熔点元素铝、锡形成宏观偏析。严格控制合金 中的间隙元素含量，有效的解决了采用常规方法熔炼WSTi62411SC钛合金易产生铝偏析和 钼难熔块等冶金缺陷的问题。在熔炼过程中，通过控制电流来控制熔炼速度，以达到均匀化 成分的目的。本发明有效的解决了WSTi62411SC钛合金成分偏析，杂质和间隙元素的含量控 制、批次稳定性等问题，适用于工业化生产。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明方法制得的铸锭横向九点取样位置示意图；
[0026] 图2是本发明方法制得的铸锭横截面九点取样主元素含量图；
[0027]图3是本发明方法制得的铸锭显微组织图。
[0028]图中，1.铸锭，2.取样点。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0030]本发明一种航空用热强钛合金铸锭，其各元素重量百分比：6.2 %~7.3 % A1， 0.4%~1.0%Mo,3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si， 0.04%~0.15%0,0.05%~0.14%(：，余量为11，以上组分重量百分比之和为100%。
[0031]本发明的特点还在于，
[0032] Al、Mo、Zr、Nb、Sn、Si元素来源于钛合金中间合金。
[0033] 钛合金中间合金为40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金。 [0034] 0元素来源于Ti02粉末，C元素来源于C粉末。
[0035] 本发明一种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，具体包括以下步骤：
[0036] 步骤1，按照元素重量百分比：6.2%~7.3%厶1，0.4%~1.0%]?〇,3.5%~4.5% Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si，0.04%~0· 15%0,0.05%~ 0.14%C，余量为Ti，以上组分重量百分比之和为100%，称取40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合 金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度为5~9mm的小颗粒海绵锆、铝豆、Ti02粉末、C粉末与粒 度为5~10_的一级小颗粒海绵钛，将以上原料进行单块电极混料，然后压制成电极块；
[0037] 步骤2,将步骤1得到的电极块采用非钨极氩气保护等离子箱焊接为电极；
[0038] 步骤3,将步骤2制得的电极，置于真空自耗电弧炉进行2-3次真空熔炼，熔炼过程 中，通过控制电流来控制熔炼速度，即得到航空用热强钛合金铸锭，熔炼参数如下：
[0039] 一次真空熔炼的参数为:坩埚规格Φ280~Φ440πιπι，熔前真空< 1.5Pa，漏气率< 0.8Pa/min，熔炼电压31~39V，熔炼电流7~15kA，稳弧电流采用直流6.0~12.0A，熔炼后冷 却时间3~4h;
[0040]二次真空熔炼的参数为:坩埚规格Φ360~Φ560πιπι，熔前真空< l.OPa，漏气率< 0.8Pa/min，熔炼电压32~43V，熔炼电流10~20kA，稳弧电流采用交流6.0~10.0A，熔炼后 冷却时间4~5h;
[00411三次真空熔炼的参数为:坩埚规格Φ 560~Φ 720mm，熔前真空< 0.5Pa，漏气率< 0.5Pa/min，熔炼电压35~40V，熔炼电流20~30kA，稳弧电流采用交流交流8.0~12.0，熔炼 后冷却时间5~6h。
[0042]本发明方法为了避免高熔点元素锆、铌、钼、硅和低熔点元素铝、锡形成宏观偏析 或不熔块，主元素的加入采用了 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金 等中间合金添加方式，纯金属选用高品位粒度为5~9mm的小颗粒海绵钛和和粒度为5~ 10mm的海绵锆，氧采用Ti02粉末添加，碳采用C粉末添加;严格控制原材料中的氧含量及其 它杂质元素含量，电极压制前采用单块电极混料，充分混合均匀；电极在真空等离子焊箱中 完成整个焊接过程，避免了钨或其他杂质的污染以及电极氧化;采用真空电弧炉进行2~3 次熔炼，在熔炼过程中，通过控制电流来控制熔炼速度，同时对真空度、漏气率等进行严格 控制，使整个铸锭的成分均匀性提高、杂质含量降低。
[0043] 采用本发明的熔炼工艺，生产3批规格分别为Φ 360mm、Φ 560mm和Φ 720mm的 ￥31^624113(：钛合金工业级铸锭。合金各元素的成分配比为(重量百分比）：11-(6.2~7.3) Al-(0.4~1.0)M〇-(3.5~4.5)Zr-(0.5~1.5)Nb-(2.0~3.0)Sn-(0.1~0.25)Si-(0.04~ 0.15)0-(0.05~0.14)C;所述各种添加物的配比根据其取样测试成分数值和WSTi62411SC 钛合金目标成分值而定。
[0044] 实施例1
[0045] 步骤 1，按照元素重量百分比：6·2%Α1，0·4%~1.0%Mo,4.5%Zr，1.0%Nb，2.0% Sn，0.2%Si，0.1 %0,0.08%C，余量为Ti，以上组分重量百分比之和为100%，称取 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度为5~9mm的小颗粒海绵锆、 铝豆、Ti02粉末、C粉末与粒度为5~10mm的一级小颗粒海绵钛，将以上原料进行单块电极混 料，然后压制成电极块；
[0046] 步骤2,将步骤1得到的电极块采用非钨极氩气保护等离子箱焊接为电极；
[0047] 步骤3,将步骤2制得的电极，置于真空自耗电弧炉进行两次真空熔炼，熔炼过程 中，通过控制电流来控制熔炼速度，参数如下：
[0048]
[0050]得到规格为Φ 360mm的航空用热强钛合金铸锭。
[0051 ] 实施例2
[0052] 步骤 1，按照元素重量百分比：7 · 3 %A1，0 · 8 %Mo，4 · 0%Zr，0 · 5 %Nb，2 · 5 % Sn， 0.25%Si，0.04%0,0. 14%C，余量为Ti，以上组分重量百分比之和为100%，称取 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度为5~9mm的小颗粒海绵锆、 铝豆、Ti02粉末与粒度为5~10mm的一级小颗粒海绵钛，将以上原料进行单块电极混料，然 后压制成电极块；
[0053] 步骤2,将步骤1得到的电极块采用非钨极氩气保护等离子箱焊接为电极；
[0054]步骤3,将步骤2制得的电极，置于真空自耗电弧炉进行三次真空熔炼，熔炼过程 中，通过控制电流来控制熔炼速度，参数如下：
[0055]
[0057] 得到规格为Φ 560mm的航空用热强钛合金铸锭。
[0058] 实施例3
[0059] 步骤 1，按照元素重量百分比：6 · 7 %Al，1 · 0 %Mo，3 · 5%Zr，1 · 5 %Nb，3 · 0 % Sn， 0 . 1 %Si，0 . 15%0,0.05%C，余量为Ti，以上组分重量百分比之和为100%，称取 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度为5~9mm的小颗粒海绵锆、 铝豆、Ti02粉末与粒度为5~10mm的一级小颗粒海绵钛，将以上原料进行单块电极混料，然 后压制成电极块；
[0060] 步骤2,将步骤1得到的电极块采用非钨极氩气保护等离子箱焊接为电极；
[0061] 步骤3,将步骤2制得的电极，置于真空自耗电弧炉进行三次真空熔炼，熔炼过程 中，通过控制电流来控制熔炼速度，参数如下：
[0062]
[0063] 得到规格为Φ 720_的航空用热强钛合金铸锭。
[0064] 对3批规格分别为Φ 360mm、Φ 560mm和Φ 720mm的WSTi62411SC钛合金铸锭纵向的 头、上、中、下、尾5点和横截面9点取样对主元素和杂质元素进行化学成分检测，取样点位置 如图1所示。第三批铸锭横向切片九点取样分析的各主元素含量如图2所示，数据显示铸锭 各元素成分均匀以及批次间的稳定性较好。
[0065]由测试结果可知，采用本发明的熔炼工艺技术生产的WSTi62411SC钛合金工业级 大型铸锭成分均匀，并且批次稳定性良好。
【主权项】
1. 一种航空用热强钛合金铸锭，其特征在于，其各元素重量百分比：6.2 %~7.3 % A1， 0.4%~1.0%Mo,3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si， 0.04%~0.15%0,0.05%~0.14%(：，余量为11，以上组分重量百分比之和为100%。2. 根据权利要求1所述的一种航空用热强钛合金铸锭，其特征在于，所述Al、Mo、Zr、Nb、 Sn、Si元素来源于钛合金中间合金。3. 根据权利要求2所述的一种航空用热强钛合金铸锭，其特征在于，所述钛合金中间合 金为40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金。4. 根据权利要求1所述的一种航空用热强钛合金铸锭，其特征在于，所述0元素来源于 Ti02粉末，C元素来源于C粉末。5. -种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤： 步骤1，压制电极块： 将钛合金中间合金、粒度为5~9mm的小颗粒海绵锆、铝豆、Ti02粉末、C粉末与粒度为5~ 10_的一级小颗粒海绵钛，进行单块电极混料，然后压制成电极块； 步骤2,焊接电极： 将步骤1得到的电极块采用非钨极氩气保护等离子箱焊接为电极； 步骤3,熔炼： 将步骤2制得的电极，置于真空自耗电弧炉进行2-3次真空熔炼，即得到航空用热强钛 合金铸6. 根据权利要求5所述的一种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步 骤1中各原料混合后其元素重量百分比：6.2%~7.3%Α1，0.4%~1.0%Μ〇,3.5%~4.5% Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si，0.04%~0· 15%0,0·05%~ 0.14%C，余量为Ti，以上组分重量百分比之和为100%。7. 根据权利要求5所述的一种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述钛 合金中间合金为40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金。8. 根据权利要求5所述的一种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤3 中所述一次真空熔炼的参数为：坩埚规格Φ 280~Φ 440mm，熔前真空< 1.5Pa，漏气率< 0.8Pa/min，熔炼电压31~39V，熔炼电流7~15kA，稳弧电流采用直流6.0~12.0A，熔炼后冷 却时间3~4h。9. 根据权利要求5所述的一种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤3 中所述二次真空熔炼的参数为：坩埚规格Φ 360~Φ 560mm，熔前真空< l.OPa，漏气率< 0.8Pa/min，熔炼电压32~43V，熔炼电流10~20kA，稳弧电流采用交流6.0~10.0A，熔炼后 冷却时间4~5h。10. 根据权利要求5所述的一种航空用热强钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤3 中所述三次真空熔炼的参数为：坩埚规格Φ 560~Φ 720mm，熔前真空< 0.5Pa，漏气率< 0.5Pa/min，熔炼电压35~40V，熔炼电流20~30kA，稳弧电流采用交流交流8.0~12.0，熔炼 后冷却时间5~6h。
【文档编号】C22C1/03GK105838922SQ201610355450
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】赖运金, 史小云, 毛友川, 杜建超, 李芳 , 朱静, 张鹏, 楼美琪, 王凯旋, 冯勇, 张平祥
【申请人】西部超导材料科技股份有限公司