專(zhuān)利名稱(chēng)：鈦-鋁系金屬間化合物基合金均勻化熔鑄工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金熔煉技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)Ti-Al系金屬間化合物基合金(例如Ti3Al基合金)的熔鑄工藝的改進(jìn)。
Ti-Al系金屬間化合物基合金(例如Ti3Al、Ti2AlNb、TiAl、TiAl3基合金)由于具有較低的密度、較高的比強(qiáng)度、比剛度和抗氧化性，成為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的理想材料。本世紀(jì)七十年代以來(lái)，國(guó)外對(duì)Ti-Al系金屬間化合物基合金作了大量研究，并開(kāi)展了對(duì)熔鑄、鍛造工藝的研究，參見(jiàn)文獻(xiàn)Harry A.Lipsitt，Conf.on advance high temperature alloy，USA，1985，P.137。但是Ti-Al系合金的室溫塑性低，改善其室溫塑性的途徑除了加入相當(dāng)量的β穩(wěn)定元素和通過(guò)熱加工細(xì)化組織外，改善合金成分的均勻性也是十分重要的，而在熱加工前首先必須得到成分均勻的合金鑄錠。由于Ti和Al的熔點(diǎn)、比重差別很大，加入Nb、Mo等合金元素后差別就更大，因此尋找使合金成分均勻化的熔鑄工藝是研制Ti-Al系金屬間化合物基合金的關(guān)鍵問(wèn)題之一。Ti的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，液態(tài)時(shí)與常規(guī)的坩堝材料能起激烈的化學(xué)反應(yīng)，因此不能使用常規(guī)坩堝熔煉。目前國(guó)內(nèi)、外的Ti-Al系金屬間化合物基合金的熔煉工藝是采用真空自耗電弧爐水冷銅坩堝熔煉工藝，將原料(海綿鈦以及其他合金元素)混合并壓制成適于真空自耗電弧爐安裝的棒狀電極，裝入爐中通電熔煉。為使成分均勻性有一定程度的改進(jìn)，需要進(jìn)行多次熔煉。真空自耗電弧爐在熔煉時(shí)以原料自身為電極避免了使用非自耗電弧爐時(shí)鎢電極對(duì)合金的污染，而且可以熔煉大鑄錠，便于工業(yè)化生產(chǎn)，這是其優(yōu)點(diǎn)所在;其缺點(diǎn)是熔煉出的合金成分的均勻性差。其原因是合金液體在水冷銅坩堝的冷卻作用下很快結(jié)晶，因此熔煉時(shí)熔池深度不大，合金中各種元素很難均勻化分布。實(shí)踐中采用真空自耗電弧爐熔鑄的鑄錠其成分的均勻性很難控制。真空鑄造殼爐，它具有較大的熔池，合金液的成分較易達(dá)到均勻化，但一般只在鈦合金鑄件(指直接鑄成零件)生產(chǎn)中使用這種設(shè)備，即不采用這種設(shè)備熔煉成鑄錠，更不熔煉大鑄錠。
本發(fā)明的目的是提供一種Ti-Al系金屬間化合物基合金的均勻化熔鑄工藝，使用本發(fā)明工藝熔煉合金既可以解決成分均勻化的問(wèn)題，又便于進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，熔鑄大鑄錠。本發(fā)明工藝適用于熔鑄提供進(jìn)行變形加工的鑄坯或鑄錠。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種Ti-Al系金屬間化合物基合金的均勻化熔鑄工藝，包括配料以及將原料壓制成適合于真空熔煉的自耗電極，其特征在于，采用真空自耗電弧爐和真空鑄造凝殼爐相結(jié)合的熔煉方法，即先使用真空自耗電弧爐熔煉合金，冷卻后使用真空鑄造凝殼爐再次熔煉合金并直接澆鑄出供變形加工(例如鍛造、擠壓)用的鑄坯或鑄錠。本發(fā)明技術(shù)方案的第二種情況是先使用真空自耗電弧爐熔煉合金，冷卻后使用真空鑄造凝殼爐再次熔煉合金并澆鑄出棒狀鑄錠，冷卻后再使用真空自耗電弧爐進(jìn)行第三次熔煉而獲得供變形加工用的鑄錠。
本發(fā)明的熔煉方法與現(xiàn)有技術(shù)相比主要優(yōu)點(diǎn)是保證了合金成分的宏觀和微觀的均勻性，從而明顯地改善了合金的室溫塑性以及各種性能的均勻性和穩(wěn)定性，使之具有良好的疲勞、蠕變等綜合性能。本發(fā)明另一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，可以熔鑄大型的鑄坯或鑄錠，滿(mǎn)足批量生產(chǎn)和航空大鍛件的要求。
下面對(duì)本發(fā)明工藝作詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明工藝的基本特征是采用真空自耗爐與真空凝殼爐相結(jié)合的熔鑄工藝，由于真空鑄造凝殼爐有較大的熔池，可以使合金成分充分?jǐn)U散，從而保證了合金的均勻性。真空鑄造凝殼爐在一般鈦合金鑄件生產(chǎn)中是直接澆鑄零件使用的，在本發(fā)明中使用這種工藝的目的是促進(jìn)合金成分均勻化，生產(chǎn)供變形加工的鑄坯或鑄錠。本發(fā)明方法在使用時(shí)其生產(chǎn)條件的控制可以按真空自耗爐和真空凝殼爐的常規(guī)要求進(jìn)行，其具體工藝過(guò)程如下1、電極制備。采用液壓機(jī)壓制電極，海綿鈦的顆粒度小于等于25.4毫米，中間合金用鋁箔包裝或直接加入海綿鈦中間，在液壓機(jī)上壓制成圓形或者多邊形截面的電極，其密度為3.0～3.7g/cm3，壓制時(shí)的壓力為2～5T/cm2，壓制后用氬氣保護(hù)等離子焊或氬弧焊將小塊電極焊接成所需要的長(zhǎng)度。
2、真空自耗電弧爐熔煉。所用電極的直徑d與坩堝直徑D之比為0.63～0.88，熔煉電壓為23～35伏，熔煉電流密度為5～60A/cm2，熔煉時(shí)的真空度為2.5～0.5Pa。
3、真空鑄造凝殼爐熔煉澆鑄。熔煉電壓為25～40伏，熔煉電流密度為40～60A/cm2，熔煉真空度為2.5～0.5Pa。完成熔煉以后，將合金液體澆入經(jīng)過(guò)真空高溫除氣的優(yōu)質(zhì)石墨模具中。澆鑄環(huán)形鑄坯時(shí)采用環(huán)形模具離心澆鑄工藝，模具隨底盤(pán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為每分鐘100～2000轉(zhuǎn)。Ti-Al系金屬間化合物基合金的環(huán)形鑄件可直接軋制成環(huán)形零件。澆鑄用于變形加工的鑄錠時(shí)一般采用圓錐形模具，它可以控制合金的凝固順序，使其由下向上順序凝固，減緩鑄錠上部的凝固速度，使縮孔上移并減少內(nèi)部氣孔。澆鑄用于下述工藝過(guò)程4所述的自耗電極時(shí)一般采用圓柱形模具。
4、真空自耗電弧爐再次熔煉。用時(shí)為了進(jìn)一步保證鑄錠內(nèi)部質(zhì)量和減少冒口損失，或?yàn)榱巳蹮挻笮丸T錠，可將真空鑄造凝殼爐熔鑄成的鑄錠作為電極(熔鑄大型鑄錠時(shí)，可用焊接等方法將凝殼爐熔鑄成的多個(gè)鑄錠連接成大型電極)，在真空自耗電弧爐中再次熔鑄成供變形加工用的鑄錠。熔煉工藝參數(shù)同上述工藝過(guò)程2。上述工藝過(guò)程2或4中一般只需要熔煉一次，在某些情況下也可以連續(xù)熔煉2、3次。試驗(yàn)結(jié)果表明采用本發(fā)明工藝熔鑄的Ti-24Al-11Nb(at%)、Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(at%)和Ti-48Al-2Mn(at%)等合金鑄錠，其成分均勻性以及雜質(zhì)元素水平控制取得了令人滿(mǎn)意的效果。下面表1是本發(fā)明工藝與使用真空自耗爐熔煉工藝對(duì)鑄錠宏觀成分均勻性的影響的對(duì)比數(shù)據(jù)，表2是兩種工藝對(duì)鑄錠微觀成分均勻性的影響的對(duì)比數(shù)據(jù)。
表1 鑄錠宏觀成分均勻性的對(duì)比數(shù)據(jù)
注表中數(shù)據(jù)取自鑄錠四個(gè)橫截面(頭部、中上部、中下部和底部)，每個(gè)截面分內(nèi)、中、外三部位，共取12部位的化學(xué)分析結(jié)果。
表2 鑄錠微觀成分均勻性對(duì)比數(shù)據(jù) 注表中數(shù)據(jù)取自拉伸試樣橫截面半徑(2.5毫米)上均勻地打10點(diǎn)，電子探針的電子束直徑為30微米。
由表1、2中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，本發(fā)明工藝合金成分的波動(dòng)值遠(yuǎn)小于現(xiàn)有工藝，使其得到良好的控制。
實(shí)施例1Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(at%)Ti3Al基合金環(huán)形鑄坯的制造。
＊合金配料成分Ti-14.3Al-19.4Nb-3.2V-2Mo(wt%)。
＊第一次熔煉。使用200公斤真空自耗電弧爐熔煉，電極直徑105毫米，坩堝直徑160毫米，熔煉電壓27～28伏，熔煉電流3.4～3.7千安，熔煉真空度1.5～0.5Pa。鑄錠重量50公斤，鑄錠尺寸φ160×600毫米。
＊第二次熔煉。使用50公斤真空鑄造凝殼爐熔鑄，用上述φ160鑄錠作為電極，坩堝尺寸φ270×330毫米，熔煉電壓27～28伏，熔煉電流11千安，熔煉真空度2.2～1.8Pa，熔煉時(shí)間6.5分鐘。澆鑄時(shí)采用環(huán)形石墨模具并隨離心盤(pán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為每分鐘300轉(zhuǎn)，澆成的環(huán)坯尺寸為φ373×140×69毫米(外徑×內(nèi)徑×高)。環(huán)形鑄坯的化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 環(huán)坯內(nèi)外不同部位化學(xué)成分波動(dòng)范圍(wt%).
該環(huán)坯經(jīng)1200℃熱軋成φ656×600×80毫米環(huán)形件。也可以從環(huán)形件上取料后熱軋成棒材。其主要力學(xué)性能見(jiàn)表4。
表4 軋環(huán)及棒材的主要力學(xué)性能。
實(shí)施例2Ti-25Al-10Nb-3V-Mo(at%)Ti3Al基合金圓柱形鑄錠的制造。
＊合金配料成分Ti-14.3Al-19.5Nb-3.3V-2.1Mo(wt%)。
＊第一次熔煉。使用200公斤真空自耗電弧爐，電極直徑105毫米，其他工藝參數(shù)同實(shí)施例1，熔煉后獲得φ160×1300毫米鑄錠(重120公斤)。
＊第二次熔鑄。使用50公斤真空凝殼爐，以上述φ160毫米鑄錠為電極，工藝參數(shù)同實(shí)施例1，熔煉時(shí)間11分鐘，熔煉后澆鑄到經(jīng)800℃真空除氣處理的底部放置帶空腔的供下次熔煉時(shí)夾持的電極頭的石墨模具中，經(jīng)過(guò)兩爐熔煉后得到尺寸為φ165×110毫米的鑄錠(重108公斤)。
＊第三次熔煉。使用200公斤真空自耗電弧爐，以上述φ165毫米鑄錠為電極，坩堝直徑220毫米，熔煉電壓24～34伏，熔煉電流5.6千安，熔煉真空度2.4～1.8Pa，熔煉40分鐘，得到的鑄錠的尺寸為φ220×600毫米。鑄錠成分的宏觀和微觀均勻性見(jiàn)表1、2中本發(fā)明工藝部分。使用該鑄錠鍛造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)渦輪結(jié)合環(huán)已經(jīng)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)。
實(shí)施例3Ti-24Al-11Nb(at%)Ti3Al基合金圓錐形鑄錠的制造。
＊合金配料成分Ti-14.3Al-21.5Nb(wt%)。
＊第一次熔煉。使用200公斤真空自耗電弧爐，電極直徑75毫米，熔煉電壓27～30伏，坩堝直徑120毫米，熔煉電流2.8千安，熔煉真空度1.6～0.7Pa，熔煉7分半鐘，熔煉后獲得φ120×300毫米鑄錠。
＊第二次熔煉。使用8公斤真空凝殼爐，用上述鑄錠為電極，坩堝尺寸φ200×250毫米，熔煉電壓35伏，熔煉電流5.5千安，真空度2.4～1.3Pa，熔煉3分40秒，澆鑄到圓錐形模具中。該鑄錠的成分分析結(jié)果見(jiàn)表5，將鑄錠鍛成棒材后的主要力學(xué)性能見(jiàn)表6。
表5 合金成分分析結(jié)果(wt%)。
注鑄錠沿長(zhǎng)度方向取上、中、下三個(gè)截面，每個(gè)截面又分內(nèi)、中、外取樣進(jìn)行化學(xué)分析。
表6 棒材的主要力學(xué)性能。
實(shí)施例4Ti-48Al-2Mn(at%)TiAl基合金環(huán)形鑄件的制造。
＊合金配料成分Ti-34.5Al-1.55Mn(wt%)。
＊第一次熔煉。使用200公斤真空自耗爐熔煉，電極直徑75毫米，坩堝直徑120毫米，熔煉電壓26～28伏，熔煉電流2.4千安，真空度2.5～1.5Pa。
＊第二次熔煉。使用200公斤真空自耗電弧爐，電極直徑120毫米，坩堝直徑160毫米，熔煉電壓26～29伏，熔煉電流4.1千安，真空度1.8～1.2Pa，熔煉時(shí)間27分鐘。
＊第三次熔煉。使用50公斤真空凝殼爐，電極直徑160毫米，坩堝尺寸φ270×330毫米，熔煉電壓30～38伏，熔煉電流11千安，真空度1～0.5Pa，熔煉時(shí)間7分25秒。澆鑄時(shí)鑄模離心盤(pán)轉(zhuǎn)速每分400轉(zhuǎn)，鑄坯尺寸為φ373×70毫米，其化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 環(huán)件化學(xué)成分分析結(jié)果(wt%)。
本文中at%是原子百分比，wt%是重量百分比。
權(quán)利要求
1.一種Ti-Al系金屬間化合物基合金的均勻化熔鑄工藝，包括配料以及將原料壓制成適合于真空熔煉的自耗電極，其特征在于，采用真空自耗電弧爐和真空鑄造凝殼爐相結(jié)合的熔煉方法，即先使用真空自耗電弧爐熔煉合金，冷卻后使用真空鑄造凝殼爐再次熔煉合金并直接澆鑄出供變形加工用的鑄坯或鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔鑄工藝，其特征在于，采用真空自耗電弧爐和真空鑄造凝殼爐相結(jié)合的熔煉方法熔煉合金并澆鑄成鑄錠以后，將該鑄錠作為電極在真空自耗電弧爐中進(jìn)行第三次熔煉，獲得供變形加工用的鑄錠。
全文摘要
本發(fā)明屬于合金熔煉技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)Ti-Al系金屬間化合物熔煉工藝的改進(jìn)。本發(fā)明的基本特征是采用了真空自耗電弧爐與真空鑄造凝殼爐相結(jié)合的熔鑄工藝，既保證了合金成分的均勻性，又解決了大鑄錠的熔煉問(wèn)題。采用本工藝能為變形加工提供成分均勻、冶金質(zhì)量?jī)?yōu)良的鑄坯或鑄錠，使合金具有優(yōu)良的可鍛性進(jìn)而使熱變形產(chǎn)品具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
文檔編號(hào)B22D23/10GK1099807SQ9311667
公開(kāi)日1995年3月8日 申請(qǐng)日期1993年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月2日
發(fā)明者曹春曉, 高揚(yáng), 孫福生, 張鷹, 張榮順, 馬濟(jì)民, 孫育峰, 李學(xué)明 申請(qǐng)人:航空航天工業(yè)部第六二一研究所