專利名稱：一種電子束冷床爐熔煉制備tc4鈦合金鑄錠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦合金鑄錠制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法。
背景技術(shù)：
目前在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用量最大的鈦合金主要是Ti-6A1_4V和Ti_6242S。傳統(tǒng)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金熔煉技術(shù)是三次真空自耗電弧熔煉，采用三次熔煉可以均勻化學(xué)成分，減少鑄錠中的偏析和夾雜。但由于海綿鈦生產(chǎn)工藝的固有特性和真空自耗電弧熔煉工藝的固有缺陷，這種工藝生產(chǎn)的鈦合金鑄錠中偶爾存在夾雜冶金缺陷。為了解決這一技術(shù)難題，上世紀(jì)80年代末，國際上采用了自耗熔煉結(jié)合冷床熔煉 技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三次真空自耗電弧熔煉工藝。冷床熔煉技術(shù)通過把鈦合金的熔煉過程分為原料溶化區(qū)、精煉區(qū)和鑄錠凝固區(qū)三個(gè)區(qū)域，通過溶解和密度分離兩種原理去除原料中的低密度夾雜和高密度夾雜。目前，冷床熔煉技術(shù)已經(jīng)成為生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件用優(yōu)質(zhì)鈦鑄錠的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電子束冷床爐熔煉技術(shù)除能比較好地消除高密度和低密度夾雜，獲得細(xì)晶均質(zhì)鑄錠外，還可以大幅度降低鈦合金材的生產(chǎn)成本，美國率先針對(duì)電子束冷床爐單次熔煉技術(shù)展開了研究。電子束冷床熔煉要求在真空(約10_3Pa至10_2Pa)環(huán)境下工作，可以有效地去除合金中的氣體元素和易揮發(fā)元素，提高鑄錠純度，但也引起易揮發(fā)合金元素(主要是Al、Cr元素)的控制困難，揮發(fā)量非常大。采用海綿鈦、鋁豆以及Al-V中間合金等常規(guī)原材料熔煉TC4鈦合金鑄錠時(shí)，Al元素的揮發(fā)量高達(dá)40%以上。因此開發(fā)一種能夠控制Al揮發(fā)的電子束冷床爐熔煉TC4鈦合金鑄錠的方法，減少Al元素?fù)]發(fā)，提高原材料的利用率和電子束冷床爐的使用效率，是電子束冷床爐熔煉高Al含量鈦合金鑄錠的趨勢所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法。該方法采用Ti-Al中間合金代替鋁豆常規(guī)原材料，減少了 Al元素的揮發(fā)量，提高了原材料的利用率和電子束冷床爐的使用效率；另外，采用的Ti-Al中間合金具有脆性、易破碎，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了生產(chǎn)效率。與真空自耗電弧爐三次熔煉技術(shù)和真空自耗電弧爐結(jié)合電子束冷床爐二次熔煉技術(shù)相比，本發(fā)明的電子束冷床爐一次熔煉技術(shù)在降低鈦材的加工成本及提高生產(chǎn)效率方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢，同時(shí)可提高鈦合金鑄錠的潔凈度，獲得高質(zhì)量的鑄錠，提高鈦合金零件的使用壽命，滿足航空航天飛行器、汽車以及體育用品對(duì)高質(zhì)量鈦材的需求。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、將海綿鈦和鋁豆混合均勻后壓制成電極塊，然后采用氬弧焊將多個(gè)所述電極塊焊接成電極，再將所述電極置于真空自耗電弧爐中，一次熔煉得到Ti-Al中間合金；所述Ti-Al中間合金中Al的質(zhì)量百分比含量為40% 50%，余量為Ti和其他不可避免的雜質(zhì)；步驟二、將步驟一中所述Ti-Al中間合金破碎成粒度不大于5mm的Ti-Al中間合金顆粒；步驟三、將海綿鈦、Al-V中間合金和步驟二中所述Ti-Al中間合金顆?；旌暇鶆蚝髩褐瞥呻姌O塊，將多個(gè)所述電極塊拼接在一起形成電極，再將所述電極置于電子束冷床爐中，一次熔煉得到TC4鈦合金 鑄錠。上述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，步驟一所述鋁豆中Al的質(zhì)量為Ti-Al中間合金中Al質(zhì)量的I. O I. 04倍。上述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，所述鋁豆的質(zhì)量純度不小于99. 6%ο上述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，步驟一中所述其他不可避免的雜質(zhì)為Fe、Si、O、C和N，且Ti-Al中間合金中Fe的質(zhì)量百分含量不大于O. 3%，Si的質(zhì)量百分含量不大于O. 2%, O的質(zhì)量百分含量不大于O. 3%, C的質(zhì)量百分含量不大于O. 1%，N的質(zhì)量百分含量不大于O. 1%。上述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，步驟一中所述氬弧焊的焊接電流為250A 350A。上述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，步驟一中所述真空自耗電弧爐的熔煉真空度不大于14Pa，熔煉電流為1600A 1800A，熔煉電壓為29V 30V。上述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，步驟三中所述電極中Al的質(zhì)量百分含量為x+9s/mX 100%, V的質(zhì)量百分含量為3. 5% 4. 5%，余量為Ti和其他不可避免的雜質(zhì)，其中X為5. 8% 6. 7%, s為電子束冷床爐內(nèi)熔池的表面積,單位為m2, m為熔煉速度，單位為kg/h。上述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，步驟三中所述電子束冷床爐的熔煉速度為80kg/h 150kg/h，熔化功率為250kW 300kW，鑄模功率25kW 40kffo本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明采用Ti-Al中間合金代替鋁豆常規(guī)原材料，減少了 Al元素的揮發(fā)量，采用鋁豆時(shí)Al的揮發(fā)率在40%左右，而采用本發(fā)明制備的Ti-Al中間合金時(shí)Al的揮發(fā)率降至14%左右，揮發(fā)率降低一倍多，提高了原材料的利用率和電子束冷床爐的使用效率。2、本發(fā)明采用真空自耗電弧爐熔煉制備的Ti-Al中間合金具有脆性、易破碎，與通常采用的不能打擊破碎的Ti-Al中間合金相比，本發(fā)明的Ti-Al中間合金采用常規(guī)的破碎機(jī)就可以獲得所需粒度的顆粒狀中間合金，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。對(duì)于不能打擊破碎的Ti-Al中間合金可在車床上加工成屑料，生產(chǎn)效率為lkg/h，而對(duì)于本發(fā)明制備的具有脆性的Ti-Al中間合金可在鄂式破碎機(jī)上進(jìn)行破碎，生產(chǎn)效率超過500kg/h，生產(chǎn)效率大大提高。3、與真空自耗電弧爐三次熔煉技術(shù)和真空自耗電弧爐結(jié)合電子束冷床爐二次熔煉技術(shù)相比，本發(fā)明的電子束冷床爐一次熔煉技術(shù)在降低鈦材的加工成本及提高生產(chǎn)效率方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢，同時(shí)可提高鈦合金鑄錠的潔凈度，獲得高質(zhì)量的鑄錠，提高鈦合金零件的使用壽命，滿足航空航天飛行器、汽車以及體育用品對(duì)高質(zhì)量鈦材的需求。下面通過實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I步驟一、將O級(jí)海綿鈦和鋁豆(質(zhì)量純度為99. 6%)按照57 43的質(zhì)量比混合均勻后用500T油壓機(jī)在壓力不大于15MPa的條件下壓制成尺寸為Φ50πιπιΧ 300mm的電極塊，然后將4個(gè)所述電極塊采用氬弧焊在氬氣保護(hù)下，焊接電流為300A的條件下焊接成尺寸為Φ 50mmX 1200mm的電極,再將所述電極置于50kg真空自耗電弧爐中，在熔煉真空度不大于14Pa，熔煉電流為1700A，熔煉電壓為30V的條件下一次熔煉得到具有脆性、易破碎的Ti-Al 中間合金；所述鋁豆中Al的質(zhì)量約為Ti-Al中間合金中Al質(zhì)量的I. 02倍；所述Ti-Al中間合金的化學(xué)成分如表I所示表I Ti-Al中間合金化學(xué)成分
__ 化學(xué)巧分(質(zhì)量,數(shù))/% __AlFe__Si__O__C__N__Ti
41.9 < 0.048 <0.04 <0.05 <0 Oi < 0.007 令量步驟二、采用顎式破碎機(jī)將步驟一中所述Ti-Al中間合金破碎成粒反U. 25mm 3mm的Ti-Al中間合金顆粒；步驟三、將O級(jí)海綿鈦、A1-55V中間合金(V質(zhì)量百分含量為58. 6%，余量為Al)和步驟二中所述Ti-Al中間合金顆粒按照81. 3 6.7 12的質(zhì)量比混合均勻，然后采用1200T油壓機(jī)在壓力不小于25MPa的條件下壓制成尺寸為135mmX 103mmX 300mm的電極塊，將8個(gè)所述電極塊拼接在一起形成尺寸為135mmX206mmX 1200mm的電極，再將所述電極置于熔池尺寸為500mmX 300mmX 80mm (長X寬X高)的電子束冷床爐中(熔池表面積為O. 15m2)，在熔煉速度為95kg/h，熔化功率為280kW，鑄模功率30kW的條件下一次熔煉得到TC4鈦合金鑄錠。本實(shí)施例制備的TC4鈦合金鑄錠的化學(xué)成分如表2所示表2實(shí)施例I制備的TC4鈦合金鑄錠的化學(xué)成分
名義化學(xué)_化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%_
成分主要成分雜質(zhì)__Ti Al V Fe C__N__H__O
Τ -6Α1-4Υ 佘量 6.16 3 9^ <0.03 < 0.04 <0.014 <0.001 <0.06本實(shí)施例采用Ti-Al中間合金代替鋁豆常規(guī)原材料，減少了 Al元素的揮發(fā)量，提高了原材料的利用率和電子束冷床爐的使用效率；制備的Ti-Al中間合金具有脆性、易破碎，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了生產(chǎn)效率；采用的電子束冷床爐一次熔煉技術(shù)在降低鈦材的加工成本及提高生產(chǎn)效率方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，最終制備的TC4鈦合金鑄錠具有高潔凈度和高質(zhì)量的特點(diǎn)，提高了鈦合金零件的使用壽命，滿足航空航天飛行器、汽車以及體育用品對(duì)高質(zhì)量鈦材的需求。實(shí)施例2步驟一、將I級(jí)海綿鈦和鋁豆(質(zhì)量純度為99. 8%)按照58 42的質(zhì)量比混合均勻后用500T油壓機(jī)在壓力不大于15MPa的條件下壓制成尺寸為Φ50πιπιΧ 300mm的電極塊，然后將3個(gè)所述電極塊采用氬弧焊在氬氣保護(hù)下，焊接電流為350A的條件下焊接成尺寸為Φ50mmX900mm的電極,再將所述電極置于50kg真空自耗電弧爐中，在熔煉真空度不大于14Pa，熔煉電流為1600A，熔煉電壓為29V的條件下一次熔煉得到具有脆性、易破碎的Ti-Al中間合金；所述鋁豆中Al的質(zhì)量為Ti-Al中間合金中Al質(zhì)量的I. 03倍；所述Ti-Al中間合金的化學(xué)成分如表3所示表3 Ti-Al中間合金化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一、將海綿鈦和鋁豆混合均勻后壓制成電極塊，然后采用氬弧焊將多個(gè)所述電極塊焊接成電極，再將所述電極置于真空自耗電弧爐中，一次熔煉得到Ti-Al中間合金；所述Ti-Al中間合金中Al的質(zhì)量百分比含量為40% 50%，余量為Ti和其他不可避免的雜質(zhì)； 步驟二、將步驟一中所述Ti-Al中間合金破碎成粒度不大于5mm的Ti-Al中間合金顆粒; 步驟三、將海綿鈦、Al-V中間合金和步驟二中所述Ti-Al中間合金顆?；旌暇鶆蚝髩褐瞥呻姌O塊，將多個(gè)所述電極塊拼接在一起形成電極，再將所述電極置于電子束冷床爐中，一次熔煉得到TC4鈦合金鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，步驟一所述招豆中Al的質(zhì)量為Ti-Al中間合金中Al質(zhì)量的I. O I. 04倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，所述鋁豆的質(zhì)量純度不小于99. 6%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，步驟一中所述其他不可避免的雜質(zhì)為Fe、Si、O、C和N，且Ti-Al中間合金中Fe的質(zhì)量百分含量不大于O. 3%, Si的質(zhì)量百分含量不大于O. 2%, O的質(zhì)量百分含量不大于O. 3%,C的質(zhì)量百分含量不大于O. 1%, N的質(zhì)量百分含量不大于O. 1%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，步驟一中所述氬弧焊的焊接電流為250A 350A。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，步驟一中所述真空自耗電弧爐的熔煉真空度不大于14Pa，熔煉電流為1600A 1800A，熔煉電壓為29V 30V。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，步驟三中所述電極中Al的質(zhì)量百分含量為x+9s/mX 100%, V的質(zhì)量百分含量為3.5% 4. 5%，余量為Ti和其他不可避免的雜質(zhì)，其中X為5. 8% 6. 7%，s為電子束冷床爐內(nèi)熔池的表面積，單位為m2, m為熔煉速度,單位為kg/h。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，其特征在于，步驟三中所述電子束冷床爐的熔煉速度為80kg/h 150kg/h，熔化功率為250kW 300kff,鑄模功率25kW 40kW。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電子束冷床爐熔煉制備TC4鈦合金鑄錠的方法，該方法為一、將海綿鈦和鋁豆混合均勻后壓制成電極塊，焊接成電極后置于真空自耗電弧爐中，一次熔煉得到Ti-Al中間合金；二、將Ti-Al中間合金破碎成Ti-Al中間合金顆粒；三、將海綿鈦、Al-V中間合金和Ti-Al中間合金顆?；旌暇鶆蚝髩褐瞥呻姌O塊，拼接成電極后置于電子束冷床爐中，一次熔煉得到TC4鈦合金鑄錠。本發(fā)明以Ti-Al中間合金代替鋁豆，減少了Al元素的揮發(fā)量，提高了原材料的利用率和電子束冷床爐的使用效率，采用的電子束冷床爐一次熔煉在降低鈦材的加工成本及提高生產(chǎn)效率方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢，可提高鈦合金鑄錠的潔凈度，獲得高質(zhì)量鑄錠。
文檔編號(hào)C22C1/03GK102912186SQ20121040553
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者于蘭蘭, 毛小南, 雷文光, 侯智敏, 張英明, 羅雷, 趙永慶, 張鵬省 申請(qǐng)人:西北有色金屬研究院