【技術領域】

本發(fā)明屬于鈦合金返回料重熔技術領域，尤其涉及一種鈦合金返回料重熔方法。

背景技術：

鈦材具有獨特的高比強度、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在航空航天、化工、醫(yī)療、電子等領域都有廣泛的應用，鈦及鈦合金已是關乎國防、民生的重要資源。另一個現(xiàn)實是，鈦材因其工藝限制，金屬收得率較低，一般只能達到50％左右。因此，對鈦廢料的回收循環(huán)利用具有非常重要的社會意義和經(jīng)濟效益。

在規(guī)模生產(chǎn)實踐中，鈦廢料的回收常采用真空自耗重熔法。具體做法是：對外形尺寸比較規(guī)整，容易處理的返回料(即鈦合金廢料)，如冷熱軋板邊、長管材、長棒材、鑄錠冒口等。將同一合金牌號的廢料以一定比例捆扎成自耗電極，通過真空自耗熔煉多次重熔可以得到鑄錠。這種方法的廢料添加量可達100％，且操作簡單，生產(chǎn)成本較低。

采用此方法得到的鑄錠只能應用于要求不高的場合，因為其中可能存在一些缺陷：第一，雖然返回料為同一牌號，但可能屬于不同廠家，不同爐次，不同時期。不加區(qū)別地簡單熔合，鑄錠的化學成分存在不均勻性。第二，雜質(zhì)元素的含量不可控，尤其是fe、c、o等元素，不能像熔煉新錠一樣，可以合理配比。返回料重熔只能事后檢測，有可能超標。第三，雖然返回料的尺寸比較整齊，但由于焊點較多，堆放捆扎的過程可能存在松散的地方，就會在熔煉中出現(xiàn)掉塊的現(xiàn)象。掉塊區(qū)域不能同周圍物料充分化合，遺留下來，形成組織偏析。

因此，怎樣合理利用好鈦返回料，消除其中可能存在的缺陷，提高鑄錠的品質(zhì)，滿足軍工、醫(yī)療等相關標準的規(guī)定，仍是一個鈦材應用領域的重要研究方向。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金返回料重熔方法，以解決存在的重熔均勻性差、雜質(zhì)含量不可控、生產(chǎn)成本高的問題。

本發(fā)明采用以下技術方案，一種鈦合金返回料重熔方法，包括以下步驟：

步驟1、將返回料制成自耗電極，并經(jīng)過2次重熔得到原錠，并測量其化學成分；

步驟2、將原錠經(jīng)二火次鍛造、機加制得芯棒；

步驟3、根據(jù)芯棒尺寸制造出模具；

步驟4、以0級海綿鈦、中間合金為新料，根據(jù)原錠化學成分、待制備新錠的成分配比，配置新料混合料，將新料混合料倒入裝有模具的模具型腔內(nèi)，并壓制成電極塊；

步驟5、將步驟4中得出的電極塊與芯棒組焊成新自耗電極，并進行至少3次真空自耗重熔得到新錠。

進一步地，步驟1具體采用以下方法：

步驟1.1、將返回料切割成可焊接尺寸，經(jīng)酸洗、清洗，將同一合金牌號的廢料捆扎，制成自耗電極，自耗電極的直徑為220mm；

步驟1.2、將步驟1.1中的自耗電極進行經(jīng)過兩次重熔得到原錠，并測量得出原錠的化學成分，原錠的參數(shù)為φ380-600kg。

進一步地，步驟2具體采用以下方法：

步驟2.1、將原錠經(jīng)過二火次鍛造，得出鍛坯，具體參數(shù)為：

當一火次鍛造時，加熱溫度1050-1150℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180，鍛后六等分；

當二火次鍛造時，加熱溫度850-1000℃，保溫1.5-2h，變形□180→□100-□130，且鍛造方坯截面對角線的差值不大于10mm；

步驟2.2、將步驟2.1中得到的鍛坯加工成方形坯料，作為芯棒。

進一步地，芯棒的橫截面為方形，且尺寸為□90-□120，芯棒與新錠的重量比小于等于40％。

進一步地，模具為凸形，且凸形底部安裝在模具型腔的內(nèi)部底面上，凸形底部長度與模具型腔的底面長度相等，模具突起部寬度與芯棒的邊長相等，模具突起部高度為芯棒邊長的二分之一。

進一步地，步驟4中制得的電極塊為u形，且其u形開口的長度與芯棒的邊長相等。

進一步地，步驟5中得出新自耗電極的過程具體為：將2個電極塊的u形開口相對，且開口內(nèi)部包裹1個芯棒，并進行組焊，得到新電極塊，將多個新電極塊組焊為新自耗電極；

新電極塊的尺寸為□220×300，新電極塊單重為45kg。

進一步地，步驟4中通過2000t液壓機進行壓制新電極塊。

本發(fā)明的有益效果是：采用將鈦返回料重熔的原錠作為芯棒，與新料配比再次熔煉成新錠的方法，可以有效地消除原錠中可能存在的冶金缺陷，提高化學成分的均勻性。新錠的品質(zhì)可以達到軍工、醫(yī)療等高端應用領域的要求，本發(fā)明方法適合于外形尺寸較規(guī)整的鈦及鈦合金廢料的回收再利用，尤其是規(guī)模生產(chǎn)中，對外形統(tǒng)一的大批量返回料集中處理的方法，該方法具有鑄錠均勻性好、雜質(zhì)元素含量可控、生產(chǎn)成本較低等特征。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明中模具的結(jié)構示意圖；

圖2為本發(fā)明中新電極塊橫截面示意圖。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明公開了一種鈦合金返回料重熔方法，先將鈦返回料(即廢料)重熔制成原錠，經(jīng)鍛造、機加成方形的芯棒，與新料一起壓制成電極，再進行不少于3次的真空自耗熔煉制備出新錠。

芯棒的設計是本發(fā)明的關鍵，根據(jù)電極塊的形狀，芯棒與周圍原材料的相對位置分布，達到較好的均勻性；且便于裝配、焊接。將芯棒的截面設計為方形，使其與周圍原料的分布相對均勻。同時考慮到鑄錠成分的均勻性，雜質(zhì)元素含量的有效控制，電極塊壓制的密實性，自耗電極的焊接強度，整體返回料回收的成本控制等方面的因素，返回料的重量比例控制在40％以內(nèi)。具體地，作為芯棒的方形坯料的斷面尺寸最小為□90(即截面邊長為90mm的方形坯料，占重約22％)，最大為□120(即截面邊長為120mm的方形坯料，占重約37％)，便于生產(chǎn)過程中靈活選擇。

返回料原錠制成的芯棒同新原材料混合，再行重熔成新錠的思路主要目的就在于提高合金成分的均勻性，有效控制雜質(zhì)元素的含量，盡量消除原錠中可能存在的一些冶金缺陷，最終實現(xiàn)符合軍工、醫(yī)療應用的新錠。

具體步驟如下：

步驟1、將返回料(即廢料)制成自耗電極，并經(jīng)過2次重熔得到原錠，并測量其化學成分；

具體采用以下方法：

步驟1.1、將返回料切割成可焊接尺寸，經(jīng)酸洗、清洗，將同一合金牌號的廢料捆扎，制成自耗電極，所述自耗電極的直徑為220mm；

步驟1.2、將步驟1.1中的所述自耗電極進行經(jīng)過兩次重熔得到原錠，并測量得出原錠的化學成分，所述原錠的參數(shù)為φ380-600kg(即原錠為截面直徑為380mm，重量為600kg)。

鈦返回料主要針對外形尺寸比較整齊的鈦管材、鈦棒材、冷熱軋板邊、鑄錠冒口等。預先將返回料切割成可焊接尺寸(鑄錠冒口)、酸洗、清洗后，采用捆扎的方法將同一合金牌號的廢料以一定比例制成廢料自耗電極，通過真空自耗熔煉兩次重熔得到原錠(或稱初始錠)。具體參數(shù)為：返回料捆扎自耗電極的直徑為220mm，經(jīng)熔煉兩次，得到φ380-600kg的原錠。取樣測試所述原錠化學成分，將其結(jié)果將作為新料配比的依據(jù)。

步驟2、將原錠經(jīng)二火次鍛造、機加制得芯棒；選用設備為2000t鍛壓機。

具體的，步驟2.1、將原錠經(jīng)過二火次鍛造，得出鍛坯，具體參數(shù)為：

當一火次鍛造時，加熱溫度1050-1150℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180(即將截面直徑為380mm的圓形坯料鍛造為截面邊長為180mm的方形坯料)，可適當回火，鍛后六等分；

當二火次鍛造時，加熱溫度850-1000℃，保溫1.5-2h，變形□180→□100-□130(即將截面邊長為180mm的方形坯料鍛造為截面邊長為100-130mm的方形坯料)，可適當回火，注意鍛造方坯一定要平整，且鍛造方坯截面對角線的差值不大于10mm；

步驟2.2、將步驟2.1中得到的鍛坯加工成方形坯料，作為芯棒。

采用銑床、車床等設備，將鍛坯加工成□90-□120(即將截面邊長為90mm的方形坯料鍛造為截面邊長為120mm的方形坯料)的方形坯料，將作為后續(xù)自耗電極的芯棒。

步驟3、根據(jù)芯棒尺寸制造出模具；

如圖1所示，模具為凸形，且凸形底部安裝在模具型腔的內(nèi)部底面上，為適應原有模具型腔，凸形底部長度與模具型腔的底面長度相等，模具突起部寬度b與芯棒的邊長相等，模具突起部高度h為芯棒邊長的二分之一，即h＝1/2b。

步驟4、以0級海綿鈦、中間合金為新料，根據(jù)原錠化學成分、待制備新錠的成分配比，配置新料混合料，將新料混合料倒入裝有模具的模具型腔內(nèi)，并壓制成電極塊。

依據(jù)原錠的化學成分，調(diào)整新料的配比(芯棒的重量占新電極塊重量的20-40％)。將新料混合，倒入模具中，壓制一次得到的電極塊為u形，且u形開口的長度與芯棒的邊長相等，需要兩個電極塊對焊，中間與芯棒焊接才形成新電極塊。將2個所述電極塊的u形開口相對，且開口內(nèi)部包裹1個芯棒，并進行組焊，得到新電極塊，將多個新電極塊組焊為新自耗電極；新電極塊的尺寸為□220×300(即截面邊長為220mm，長度為300mm)，新電極塊單重為45kg。且在新電極塊中芯棒所占重量百分比小于等于40％。

如圖2所示，為新電極塊的橫截面示意圖，且壓制時選用設備為2000t液壓機。

步驟5、將步驟4中得出的電極塊與芯棒組焊成新自耗電極，并進行至少3次真空自耗重熔得到新錠。經(jīng)3次真空自耗重熔得到φ560-2160kg新錠。取樣測試化學成分。選用設備為3t真空自耗熔煉爐。

實施例1ta2純鈦返回料重熔φ560-2160kg鑄錠的制備方法：純鈦返回料主要包括較高等級的ta1、ta2管材、棒材、冷熱軋板邊、鑄錠冒口等。預先將返回料切割成可焊接尺寸(鑄錠冒口)、酸洗、清洗后，捆扎成φ220mm的自耗電極，通過真空自耗熔煉兩次重熔得到φ380-600kg(即截面直徑為380mm、重量為600kg)的原錠。

原錠的化學成分表明：元素含量的不均勻性很大，o元素含量超標，c、n元素含量較高。

原錠的鍛造：采用兩火次鍛造工藝，選用設備為2000t鍛壓機。

一火次：加熱溫度1050-1100℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180(即將截面直徑為380mm的圓形坯料鍛造為截面邊長為180mm的方形坯料)?；鼗鹨淮危懞罅确?。

二火次：加熱溫度850-900℃，保溫1.5-2h，變形□180→□130(即將截面邊長為180mm的方形坯料鍛造為截面邊長為130mm的方形坯料)?；鼗鹨淮危懺旆脚魍庑纹秸?，截面對角線的差值不大于10mm。

鍛坯的機加：采用銑床、車床等設備，將鍛坯加工成□120的方形坯料(即截面邊長為120mm的方形坯料)。

□120方形坯料作為自耗電極的芯棒，占重約37％。

ta2的名義配比為ti-0.25fe-0.20o(wt％)，原材料選用0級海綿鈦、工業(yè)純fe釘，鈦白粉。根據(jù)原錠的化學成分及芯棒所占比例，為控制新錠的雜質(zhì)元素含量，新料配比按照ti-0.27fe-0.16o(wt％)成分。

電極塊的壓制：根據(jù)芯棒的尺寸，加工壓料模具。將新料混合，倒入模具中，壓制電極塊，共96塊。新料電極塊與原錠加工的芯棒組焊成自耗電極。電極塊的尺寸為□220×300(即截面邊長為220mm、長度為300mm)。單重為45kg(包括芯棒)，共48塊，組焊為4個自耗電極。選用設備為2000t液壓機。

經(jīng)過真空自耗熔煉3次，獲得φ560-2160kg鑄錠(即為新錠)。選用設備為3t真空自耗熔煉爐。新錠的化學成分表明：元素含量具有良好的均勻性，o、c、n元素含量明顯降低，符合國標。該錠號材料在后續(xù)加工過程中，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在組織與成分偏析的現(xiàn)象。

表1ta2返回料重熔的化學成分

實施例2tc4(ti-6al-4v)鈦合金返回料重熔φ560-2160kg鑄錠的制備方法：返回料主要包括較高等級的tc4棒材、冷熱軋板邊、鑄錠冒口等。預先將返回料切割成可焊接尺寸(鑄錠冒口)、酸洗、清洗后，捆扎成φ220mm的自耗電極，通過真空自耗熔煉兩次重熔得到φ380-600kg的原錠。

原錠的化學成分表明：元素含量的不均勻性很大，o元素含量超標。

原錠的鍛造：采用兩火次鍛造工藝，選用設備為2000t鍛壓機。

一火次：加熱溫度1100-1150℃，保溫3-3.5h，變形φ380→□180(即將截面直徑為380mm的圓形坯料鍛造為截面邊長為180mm的方形坯料)?；鼗鹨淮?，鍛后六等分。

二火次：加熱溫度950-1000℃，保溫1.5-2h，變形□180→□100(即將截面邊長為180mm的方形坯料鍛造為截面邊長為100mm的方形坯料)?；鼗鹨淮?，鍛造方坯外形平整，截面對角線的差值不大于10mm。

鍛坯的機加：采用銑床、車床等設備，將鍛坯加工成□90(截面邊長為90mm)的方形坯料。

□90方形坯料作為自耗電極的芯棒，占重約22％。

tc4的名義配比為ti-6.2al-4.0v-0.15fe-0.16o(wt％)，原材料選用0級海綿鈦、工業(yè)純fe釘，alv55中間合金、工業(yè)純鋁豆，鈦白粉等。根據(jù)原錠化學成分及芯棒所占比例，新料配比按照ti-6.18al-3.96v-0.12fe-0.14o(wt％)，目的是為控制新錠雜質(zhì)元素的含量。

電極塊的壓制：根據(jù)芯棒的尺寸，加工壓料模具。將新料混合，倒入模具中，壓制電極塊，共96塊。新料電極塊與原錠加工的芯棒組焊成自耗電極。電極塊的尺寸為□220×300(即截面邊長為220mm、長度為300mm)。單重為45kg(包括芯棒)，共48塊，組焊為4個自耗電極。選用設備為2000t液壓機。

經(jīng)過真空自耗熔煉3次，獲得φ560-2160kg鑄錠(即新錠)。選用設備為3t真空自耗熔煉爐。新錠的化學成分表明：合金元素含量的均勻性較好，雜質(zhì)元素的含量得到有效控制，fe、o、c、n等元素含量明顯降低，達到標準要求。該錠號材料在后續(xù)加工過程中，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在組織與成分偏析的現(xiàn)象。

表2tc4返回料重熔的化學成分