專利名稱：一種含高熔點合金元素的鈦合金的熔煉方法
技術領域：
本發(fā)明公開了一種鈦合金的熔煉方法，特別是指一種含高熔點合金元素的鈦合金的熔煉方法；屬于鈦合金制備技術領域。
背景技術：
生物醫(yī)用材料是材料科學的一個重要分支，是材料科學技術中一個正在發(fā)展的新領域，世界人口近60億，據不完全統(tǒng)計，傷殘者接近4億，肢體傷殘者6000萬，牙病患者20 億，目前生物材料器件植入者僅有3500萬人，每年關節(jié)置換量約150萬例，與實際需要置換者的數量相差甚遠。因此，生物醫(yī)用材料市場需求潛力巨大。作為生物醫(yī)用金屬材料的首選-鈦及其合金需求也將大增，因此加大醫(yī)用鈦合金材料的研發(fā)力度勢在必行。Ti6A14V 鈦合金是目前應用最為廣泛的鈦合金，雖然Ti6A14V鈦合金具有優(yōu)異的性能，但由于V元素可引起惡性組織反應，可能對人體產生毒副作用，因而促使材料學家研究新的不含V的鈦合金。其中應用并有代表性的合金大多都含有高熔點元素，如TiNbTdi 合金的彈性模量在 60GPa，TiNbSn系列合金的彈性模量更是在40GPa。針對高熔點元素的熔煉方式，目前采取的方法之一有將金屬鈮制成與電極塊等長的細條，與海綿鈦及鈦錫中間合金一起壓制成電極塊，再將這種電極塊焊接成自耗電極經多次真空自耗電弧熔煉制備這種含高熔點鈦合金鑄錠。這種方法制備的鑄錠，往往在鑄錠心部存在不熔的鈮塊夾雜。此外，是使用鈮棒作為自耗電極的心部，將海綿鈦及其它合金元素配料壓制成電極塊焊接到心部的鈮棒上制成自耗電極。這種方法雖然可以用真空自耗電弧熔煉技術制備基礎上合格的這類鈦合金鑄錠，但在實際操作上，需要采用超常規(guī)的熔煉工藝制度進行熔煉操作，主要是通過提高熔煉過程的電流和電壓來實現(xiàn)，一般高于正常熔煉電流和電壓20%以上，電流和電壓的升高導致自耗電極的熔化速度提高，但由于自耗電極各部位熔化所需熱能差異很大，海綿鈦等合金成分的熔化速度快于高熔點合金元素，導致鑄錠的化學成分均勻性較差。也有研究人員采用純高熔點金屬粉末的形式，由于粉末的粒度較細，相對而言在正常熔煉條件下，高熔點元素能夠熔解，但是由于高熔點合金元素的熔點明顯高于鈦合金熔煉熔池溫度，純高熔點金屬粉末往往發(fā)生掉塊現(xiàn)象，掉入熔池中的高熔點合金粉末無法保證充分溶解，這就導致同樣存在不熔塊夾雜的問題，同時采用粉末添加，粉末過細容易在制備過程中損耗，造成成分偏差，而超細粉末的成本一般要高于純金屬板。因此不難發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的一些制備方法容易在鈦合金中形成不熔塊、偏析等缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種高熔點金屬在自耗電極中分布均勻，自耗電極制備方便、成本低，熔煉時電流、電壓參數合理的含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法。本發(fā)明一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法，包括下述步驟第一步自耗電極的制備
1、根據需制備的含高熔點合金元素鈦合金的總質量，按鈦合金的名義化學成分計算各組元合金元素的質量；2、所述高熔點合金元素選自鈮、鉬、鉭中的一種；所述鈦以海綿鈦的形式配入，其他合金元素以含鈦的中間合金顆粒的形式加入；所述高熔點合金元素以純金屬板形式配入；3、將除高熔點合金元素以外的其他鈦合金組元按質量均分為四等分并混合均勻， 分別壓制成截面積相同、長度相等的電極塊，所述電極塊的橫截面為正方形；4、將四個電極塊拼裝焊接成一個自耗電極，所述自耗電極由任意兩個電極塊沿長度方向的相鄰面之間夾裝一塊高熔點合金元素純金屬板構成，所述自耗電極的橫截面為正方形，由高熔點合金元素純金屬板形成的十字架使所述自耗電極的橫截面呈“田”字結構；第二步、一次熔煉采用第一步所得的自耗電極置于真空度低于lPa，真空漏率低于0. SPa的熔煉爐中熔煉，得到一次熔煉合金，熔煉電流3-6KA，熔煉電壓16-MV，熔煉過程真空度小于等于 8Pa ；第三步二次熔煉將一次熔煉合金置于真空度低于0. 8Pa，真空漏率低于0. 6Pa的熔煉爐中熔煉，得到二次熔煉合金，熔煉電流6-10KA，熔煉電壓M-30V，熔煉過程真空度小于等于5Pa。第四步三次熔煉將二次熔煉合金置于真空度低于0. 7Pa，真空漏率低于0. 5Pa的熔煉爐中熔煉，熔煉電流10-13KA，熔煉電壓^_32V，熔煉過程真空度小于等于2Pa，熔煉完成后，隨爐冷卻至爐溫低于300°C出爐，得到含高熔點合金元素鈦合金鑄錠。本發(fā)明一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法中，所述含高熔點合金元素鈦合金中高熔點合金元素的質量百分數為10-40%。本發(fā)明一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法中，所述含鈦的中間合金顆粒的粒度為0. l-20mm。本發(fā)明一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法中，所述焊接在真空等離子焊箱中完成，焊接真空度小于8Pa，要求焊接表面無氧化和發(fā)藍情況。本發(fā)明由于采用上述工藝方法及自耗電極結構，在傳統(tǒng)的工藝路線基礎上，采用低成本的純金屬板組拼呈自耗電極，代替添加成本高昂的中間合金和其他純金屬加入鈦合金方式，采用多次真空自耗電弧熔煉爐進行熔煉獲得成分均勻的含高熔點合金元素鈦合金鑄錠，通過采用純金屬板的形式，通過電極塊和金屬板的組拼保證了在每一個截面上高熔點元素的成分均勻，由于采用的金屬板的厚度相對于金屬棒小很多，熔煉過程所需的電流和電壓值降低，這就有助于高熔點金屬元素的熔化速度與海綿鈦等的熔化速度保持一致， 從而保證了熔煉過程合金成分的均勻性。，同時，采用純金屬板棒的方式，可大幅度降低成本綜上所述，本發(fā)明中高熔點金屬在自耗電極中分布均勻，自耗電極制備方便、成本低，熔煉時電流、電壓參數合理，在傳統(tǒng)的工藝路線基礎上，采用低成本的純金屬板按照特定的自耗電極組拼方式，代替添加成本高昂的中間合金和其他純金屬加入鈦合金方式，采用多次真空自耗電弧熔煉爐進行熔煉獲得成分均勻的含高熔點合金元素鈦合金鑄錠；適于工業(yè)化應用。


附圖1為本發(fā)明中自耗電極的主視圖。附圖2為本發(fā)明中自耗電極的左視圖。圖中1-電極塊，2-高熔點合金元素純金屬板，3-焊縫。具體實施實施例一、制備直徑360mm規(guī)格的Til3Nbl3&合金鑄錠1、配料、電極塊壓制采用海綿鈦、海綿鋯和純鈮板為原料，根據合金的名義成分，設計合金中元素添加量，將海綿鈦和海綿鋯稱重混合，通過自動混料系統(tǒng)進行混料，純Nb板元素的添加量按重量百分比13. 2%計算。2、電極制備參見附圖1、2，將海綿鈦和海綿鋯的混合物均分為四等分，分別壓制成截面積相同、長度相等的4個電極塊，所述電極塊的橫截面為正方形；然后將四個電極塊拼裝焊接成一個自耗電極，所述自耗電極由任意兩個電極塊沿長度方向的相鄰面之間夾裝一塊純Nb 板構成，所述自耗電極的橫截面為正方形，由純Nb板形成的十字架使所述自耗電極的橫截面呈“田”字結構；，電極塊焊接在真空等離子焊箱中完成，焊接真空小于8Pa，要求焊接表面無氧化和發(fā)藍情況，組拼焊接后自耗電極最大外徑為160mm。3、一次熔煉用電極塊組拼自耗電極作為自耗電極進行熔煉，合金熔煉坩堝尺寸為220mm，合金熔煉前真空度低于lPa，真空漏率低于0. 8Pa，熔煉電流4-8KA，熔煉電壓20-28V，熔煉過程真空度不大于lOI^a。4、二次熔煉將合金一次熔煉制備的一次錠，進行焊接，采用兩個一次錠焊接制備二次錠，合金熔煉坩堝尺寸為280mm，合金熔煉前真空度低于0. 8Pa,真空漏率低于0. 7Pa,熔煉電流 7-12KA，熔煉電壓^_32V，熔煉過程真空度不大于5Pa。5、三次熔煉合金成品熔煉坩堝尺寸為360mm，合金熔煉前真空度低于0. 7Pa,真空漏率低于 0. 5Pa，熔煉電流12-16KA，熔煉電壓^_32V，熔煉過程真空度不大于3Pa，熔煉完成后，隨爐冷卻至爐溫低于300°C出爐，得到含高熔點Nb元素鈦合金鑄錠。6、鑄錠加工對鑄錠成品表面進行扒皮處理，要求鑄錠表面無氣孔缺陷，對鑄錠冒口位置進行超聲探傷，切除鑄錠冒口，同時在鑄錠上、中、下三個位置，分別進行合金元素和氣體元素進行取樣和分析，合金中高熔煉元素含量如表1所示。表lTil3Nbl3&合金鑄錠中Nb元素含量(wt% )
權利要求
1. 一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法，包括下述步驟第一步自耗電極的制備·1、根據需制備的含高熔點合金元素鈦合金的總質量，按鈦合金的名義化學成分計算各組元合金元素的質量；·2、所述高熔點合金元素選自鈮、鉬、鉭中的一種；所述鈦以海綿鈦的形式配入，其他合金元素以含鈦的中間合金顆粒的形式加入；所述高熔點合金元素以純金屬板形式配入；·3、將除高熔點合金元素以外的其他鈦合金組元按質量均分為四等分并混合均勻，分別壓制成截面積相同、長度相等的電極塊，所述電極塊的橫截面為正方形；·4、將四個電極塊拼裝焊接成一個自耗電極，所述自耗電極由任意兩個電極塊沿長度方向的相鄰面之間夾裝一塊高熔點合金元素純金屬板構成，所述自耗電極的橫截面為正方形，由高熔點合金元素純金屬板形成的十字架使所述自耗電極的橫截面呈“田”字結構；第二步、一次熔煉采用第一步所得的自耗電極置于真空度低于lPa，真空漏率低于0. SPa的熔煉爐中熔煉，得到一次熔煉合金，熔煉電流3-6KA，熔煉電壓16-MV，熔煉過程真空度小于等于8 ；第三步二次熔煉將一次熔煉合金置于真空度低于0. 8Pa，真空漏率低于0. 6Pa的熔煉爐中熔煉，得到二次熔煉合金，熔煉電流6-10KA，熔煉電壓M-30V，熔煉過程真空度小于等于5Pa。第四步三次熔煉將二次熔煉合金置于真空度低于0. 7Pa，真空漏率低于0. 5Pa的熔煉爐中熔煉，熔煉電流10-13KA，熔煉電壓^5-32V，熔煉過程真空度小于等于2Pa，熔煉完成后，隨爐冷卻至爐溫低于300°C出爐，得到含高熔點合金元素鈦合金鑄錠。
2.根據權利要求1所述的一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法，其特征在于所述含高熔點合金元素鈦合金中高熔點合金元素的質量百分數為10-40%。
3.根據權利要求2所述的一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法，其特征在于所述含鈦的中間合金顆粒的粒度為0. l-20mm。
4.根據權利要求1-3任意一項所述的一種含高熔點合金元素鈦合金的熔煉方法，其特征在于所述焊接在真空等離子焊箱中完成，焊接真空度小于8Pa，要求焊接表面無氧化和發(fā)藍情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含高熔點合金元素鈦合金鑄錠工業(yè)化制備方法。通過選擇合金的原料，采用專門組拼的電極塊，采用常規(guī)的真空自耗電弧熔煉技術，調整三次熔煉的電流和電壓，制備了化學成分均勻，無夾雜的含高熔點合金元素的鈦合金鑄錠。本發(fā)明中高熔點金屬在自耗電極中分布均勻，自耗電極制備方便、成本低，熔煉時電流、電壓參數合理，在傳統(tǒng)的工藝路線基礎上，采用低成本的純金屬板按照特定的自耗電極組拼方式，代替添加成本高昂的中間合金和其他純金屬加入鈦合金方式，采用多次真空自耗電弧熔煉爐進行熔煉獲得成分均勻的含高熔點合金元素鈦合金鑄錠；適于工業(yè)化應用。
文檔編號C22C14/00GK102367523SQ201110302219
公開日2012年3月7日 申請日期2011年10月8日 優(yōu)先權日2011年10月8日
發(fā)明者楊勝 申請人:中南大學