一种tc21钛合金大规格铸锭的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，该方法为：一、称取原料混合后压制成电极块；二、组焊得到一次自耗电极；三、熔炼得到一次铸锭；四、焊接得到二次自耗电极；五、熔炼得到二次铸锭；六、焊接得到三次自耗电极；七、熔炼得到成品铸锭。本发明的方法通过三次真空自耗熔炼过程制备得到大规格TC21钛合金铸锭，能够有效减少高熔点元素Mo和Nb在铸锭中形成不熔块以及低熔点元素Al和Sn挥发而造成的成分偏析，有效保证了钛合金铸锭中化学成分的均匀性，而且利用本发明大规格铸锭能够锻制得到高强高韧、直径可达400mm以上的TC21钛合金棒材。
【专利说明】一种TG21钛合金大规格铸锭的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛合金材料加工【技术领域】，具体是涉及一种TC21钛合金大规格铸锭 的制备方法。
【背景技术】
[0002] TC21钛合金是我国自主研制的一种新规格高强高韧尚损伤容限钛合金，该合金 具有良好的强度、塑性、断裂韧性及裂纹扩展速率的匹配，室温力学性能可达到抗拉强度 Rm彡llOOMPa，屈服强度RpQ.2彡l〇〇〇MPa，延伸率A彡6%，断面收缩率Z彡;L0%，断裂軔性 KIC彡70MPa · m1/2,是一种极具应有前景的新规格结构钛合金，有望在航空航天领域得到广 泛应用。
[0003] 随着航空工业的发展，飞机整体设计的发展趋势是减少焊接，承力构件采用大规 格锻件和大规格整体锻件。而大规格整体锻件是实现飞机结构整体化、减轻结构重量、增强 结构的可靠性、耐久性和缩短产品研制周期的重要条件。作为大规格锻件用坯的大规格棒 材直径已达〇400mm以上，大规格铸锭对提高大规格棒材质量一致性、稳定性和成材率具 有重要意义，因而迫切需要成分均匀的直径在Φ720mm以上的TC21钛合金大规格铸锭。一 般来说，随着钛合金铸锭尺寸的增大，带来熔炼难度的加大，成分偏析更为明显，大规格铸 锭的成分均匀性常常难以得到保证。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种TC21钛 合金大规格铸锭的制备方法。该方法选用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，金属铬 以及Ti_ 8〇Sn，Al_6〇Mo和Al_65Nb三种中间合金作为原料进行配料，通过三次真空自耗熔 炼过程制备得到直径不小于 72〇mm的大规格TCW钛合金铸锭，能够有效减少高熔点元素 Mo和Nb在铸锭中形成不熔块以及低熔点元素 A1和Sn挥发而造成的成分偏析，另外，通过 协同控制优化三次真空自耗溶炼过程的工艺参数，进一步优化合金元素的分配系数，使其 接近于1，能够实现铸锭凝固过程的平稳、可控，减少了钛合金铸锭中化学成分的偏析，有效 保证了钛合金铸锭中化学成分的均匀性，而且利用本发明大规格铸锭能够锻制得到高强高 韧、直径可达400mm以上的TC21钛合金棒材。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种TC2i钛合金大规格铸锭的 制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、以0级海绵钛、工业纯铝、原子能级海绵锆、金属铬、中间合金 Ti-80Sn、中间合金A1-60MO和中间合金Al-65Nb为原料，按照TC2i合金名义成分 Ti-6Al-2Zr-2&i-2Mo-1. 5Cr-2Nb称取所述原料，混合均匀后采用油压机压制成电极块；
[0007]步骤二、在氩气保护下，采用等离子弧焊将多个步骤一中所述电极块组焊连接在 一起，得到一次自耗电极；
[0008]步骤三、将步骤二中所述一次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于 IPa，熔炼电流为20KA?32KA，熔炼电压为31V?3阶，交流稳弧电流为6A?11A的条件下 对一次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到一次铸锭；
[0009] 步骤四、将多个步骤三中所述一次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊 接，得到二次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA?8KA，电压为23V?27V ;
[0010]步骤五、将步骤四中所述二次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于 IPa，熔炼电流为24KA?36KA，熔炼电压为32V?37V，交流稳弧电流为7A?12A的条件下 对二次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到二次铸锭；
[0011] 步骤六、将多个步骤五中所述二次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊 接，得到三次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA?9KA，电压为23V?27V ;
[0012] 步骤七、将步骤六中所述三次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于 IPa，熔炼电流为26KA?38KA，熔炼电压为33V?38V，交流稳弧电流为8A?13A的条件下 对三次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到直径不小于720mm的成品铸锭。
[0013] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述油压 机为5000吨油压机。
[0014] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述〇级 海绵钛的粒度为3mm?8mm，所述0级海绵钛的质量纯度不低于99. 7%。
[0015] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述工业 纯铝、原子能级海绵锆和金属铬的质量纯度均不低于9 9· 9%，所述中间合金Ti-80Sn、中间 合金A1-60M〇和中间合金Al-65Nb的质量纯度均不低于99. 8 %。
[0016] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤二中所述氩气 的流量为4L/min?7L/min。
[0017] 上述的一种TCM钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤三中所述随炉 冷却的时间不小于4. 5h。
[0018] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤五中所述随炉 冷却的时间不小于5h。
[0019] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤七中所述随炉 冷却的时间不小于6h。
[0020] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤五中所述熔炼 电流比步骤三中所述熔炼电流大4KA，步骤五中所述熔炼电压比步骤三中所述熔炼电压大 IV，步骤五中所述交流稳弧电流比步骤三中所述交流稳弧电流大1A。
[0021] 上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤七中所述熔炼 电流比步骤五中所述熔炼电流大2KA，步骤七中所述熔炼电压比步骤五中所述熔炼电压大 IV，步骤七中所述交流稳弧电流比步骤五中所述交流稳弧电流大1A。
[0022] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0023] 1、本发明选用〇级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，金属铬以及Ti-80Sn, A1 -60M〇和Al-65Nb三种中间合金作为原料进行配料，通过三次真空自耗熔炼过程制备得 到直径不小于720mm的大规格TCW钛合金铸锭，能够有效减少高熔点元素 Mo和Nb在铸锭 中形成不熔块以及低熔点元素 A1和Sn挥发而造成的成分偏析，另外，通过协同控制优化 三次真空自耗熔炼过程的工艺参数，进一步优化合金元素的分配系数，使其接近于1，能够 实现铸锭凝固过程的平稳、可控，减少了钛合金铸锭中化学成分的偏析，有效保证了钛合金 铸锭中化学成分的均匀性，而且利用本发明大规格铸锭能够锻制得到高强高靭、直径可达 400mm以上的TC21钛合金棒材。
[0024] 2、本发明制备的TC21钛合金大规格铸属于高强高韧钛合金 (Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb系），该合金中的Mo、Nb元素属于高烙点、高密度组元，若均以纯金 属加入，易在铸锭中形成不熔块，且分配系数K>1，具有负偏析倾向，而对于低熔点组元A1 和Sn，若均以纯金属加入，容易导致Al、Sn元素的挥发，且分配系数Κ<1，具有正偏析倾向， 随着铸锭尺寸的增大，这种偏析更为明显，因此选用Α1-60ΜΟ, A1-67NL·，Ti-80Sn作为中间 合金进行配料能够有效减少成分偏析；此外在熔炼过程中分配系数K值随工艺条件的变化 会发生变化，选择较佳的熔炼工艺参数能够优化合金元素的分配系数，以保证铸锭化学成 分的均匀性。本发明制备得到的大规格铸锭中各主要元素成分相对偏差的绝对值不大于 3%，满足其成分均匀性的要求。
[0025] 3、利用本发明的大规格铸锭锻制的TC21钛合金棒材直径可达400mm以上，且具有 优异的室温力学性能，抗拉强度Rm彡llOOMPa，屈服强度&。.2彡lOOOMPa,延伸率A彡6%， 断面收缩率Z彡10%，断裂韧性KIG彡7〇MPa ·πι1/2,本发明的方法适用于制备锻制高强高韧 钛合金棒材用的大规格钛合金铸锭。
[0026]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为本发明各实施例制备的成品铸锭进行成分分析时的轴向取样位置示意图。
[0028] 图2为本发明各实施例制备的成品铸锭进行成分分析时的径向取样位置示意图。
【具体实施方式】
[0029] 实施例1
[0030] 本实施例制备TCW钛合金大规格铸锭包括以下步骤：
[0031]步骤一、以〇级海绵钛、工业纯铝、原子能级海绵锆、金属铬、中间合金 Ti-80Sn、中间合金A1-60MO和中间合金Al-65Nb为原料，按照TC21合金名义成分 Ti-6Al-2Zr-2Sn-2M〇-l· 5Cr-2Nb称取所述原料，混合均匀后采用油压机压制成电极块； 所述工业纯铝，原子能级海绵锆和金属铬的质量纯度均不低于 99. 9%，所述中间合金 Ti-80Sn、中间合金A1-60MO和中间合金Al-65Nb质量纯度均不低于99. 8 %，所述0级海绵 钦的粒度为5mm，0级海绵钛的质量纯度不低于99· 7%，所述油压机为5000吨油压机； [0032]步骤二、在氩气保护下，采用等离子弧焊将is个步骤一中所述电极块组焊连接在 一起，得到一次自耗电极；所述氩气的流量为4L/min ;
[0033]步骤三、将步骤二中所述一次自耗电极置于真空自耗电弧炉中直径为（D560mm的 水冷铜相'祸上，在真全度为0. 3Pa，溶炼电流为20KA，溶炼电压为31V，交流稳弧电流为6A的 条件下对一次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后在水冷铜坩埚上得到一次铸锭；所述随炉冷 却的时间不小于4. 5h ;
[0034]步骤四、将两个步骤三中所述一次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊 接，得到二次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA，电压为23V ;
[0035] 步骤五、将步骤四中所述二次自耗电极置于真空自耗电弧炉中直径为（D640mm的 水冷铜坩埚上，在真空度为〇· 3Pa，熔炼电流为24KA，熔炼电压为32V，交流稳弧电流为7A的 条件下对二次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后在水冷铜坩埚上得到二次铸锭；所述随炉冷 却的时间不小于5h ;
[0036] 步骤六、将两个步骤五中所述二次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊 接，得到三次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA，电压为23V ;
[0037] 步骤七、将步骤六中所述三次自耗电极置于真空自耗电弧炉中直径为720mra的水 冷铜坩埚上，在真空度为0. 3Pa，熔炼电流为26KA，熔炼电压为33V，交流稳弧电流为8A的 条件下对三次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后在水冷铜坩埚上得到直径为720mm的成品铸 淀；所述随炉冷却的时间不小于6h。
[0038] 按照图1所示轴向取样示意图和图2所示径向取样示意图中的取样位置，采用等 离子体原子发射光谱法分析本实施例制备的成品铸锭中轴向和径向的成分分布情况，结果 如表1和表2所示。
[0039] 表1实施例1制备的成品铸锭轴向成分分布结果
[0040]
【权利要求】
1. 一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤一、以0级海绵钛、工业纯铝、原子能级海绵锆、金属铬、中间合金 Ti-80Sn、中间合金A1-60MO和中间合金Al-65Nb为原料，按照TC21合金名义成分 Ti-6Al-2Zr-2Sn-2M〇-l. 5Cr-2Nb称取所述原料，混合均匀后采用油压机压制成电极块； 步骤二、在氩气保护下，采用等离子弧焊将多个步骤一中所述电极块组焊连接在一起， 得到一次自耗电极； 步骤三、将步骤二中所述一次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于IPa， 熔炼电流为20KA?32KA，熔炼电压为31V?36V，交流稳弧电流为6A?11A的条件下对一 次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到一次铸锭； 步骤四、将多个步骤三中所述一次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊接，得 到二次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA?8KA，电压为23V?27V ; 步骤五、将步骤四中所述二次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于IPa， 熔炼电流为24KA?36KA，熔炼电压为32V?37V，交流稳弧电流为7A?12A的条件下对二 次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到二次铸锭； 步骤六、将多个步骤五中所述二次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊接，得 到三次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA?9KA，电压为23V?27V ; 步骤七、将步骤六中所述三次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于IPa， 熔炼电流为26KA?38KA，熔炼电压为33V?38V，交流稳弧电流为8A?13A的条件下对三 次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到直径不小于720mm的成品铸锭。
2. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 一中所述油压机为5000吨油压机。
3. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 一中所述〇级海绵钛的粒度为3mm?8_，所述0级海绵钛的质量纯度不低于99. 7%。
4. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 一中所述工业纯铝、原子能级海绵锆和金属铬的质量纯度均不低于99. 9%，所述中间合金 Ti-80Sn、中间合金A1-60MO和中间合金Al-65Nb的质量纯度均不低于99. 8%。
5. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 二中所述氦气的流量为4L/min?7L/min。
6. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 三中所述随炉冷却的时间不小于4. 5h。
7. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 五中所述随炉冷却的时间不小于5h。
8. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 七中所述随炉冷却的时间不小于6h。
9. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 五中所述熔炼电流比步骤三中所述熔炼电流大4KA，步骤五中所述熔炼电压比步骤三中所 述熔炼电压大IV，步骤五中所述交流稳弧电流比步骤三中所述交流稳弧电流大1A。
10. 按照权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 七中所述熔炼电流比步骤五中所述熔炼电流大2KA，步骤七中所述熔炼电压比步骤五中所 述熔炼电压大IV，步骤七中所述交流稳弧电流比步骤五中所述交流稳弧电流大ΙΑ。
【文档编号】C22B9/20GK104232994SQ201410478266
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】雷文光, 毛小南, 侯智敏, 韩栋, 张鹏省 申请人:西北有色金属研究院