钛合金铸锭及其制备方法、钛合金制品与流程

1.本发明涉及合金领域，特别涉及一种钛合金铸锭及其制备方法、钛合金制品。


背景技术：

2.钛合金具有高强度、高断裂韧性、高淬透性等特点，在航空、航天等领域受到了广泛应用，尤其应用于飞机起落架等大尺寸关键结构件；而随着航空、航天等领域的发展，对钛合金的性能提出了更严格的指标。其中，钛合金铸锭的均匀性影响着结构件的塑性和疲劳性能等。
3.传统方法制备的钛合金铸锭的均匀性较低，导致钛合金的塑性和疲劳性能降低。因此，提供一种能有效提升均匀性的钛合金铸锭的制备方法具有重要意义。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供了一种均匀性较好的钛合金铸锭及其制备方法、钛合金制品。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下。
6.一种钛合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：
7.采用真空自耗电弧熔炼炉对钛合金自耗电极依次进行第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼，制备钛合金铸锭；所述钛合金自耗电极的化学成分包含铁元素；所述第一次熔炼采用直流搅拌磁场，磁场强度为10gs～25gs；所述第二次熔炼采用直流搅拌磁场，磁场强度为10gs～30gs；所述第三次熔炼采用交流搅拌磁场，磁场强度为12gs～30gs。
8.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述交流搅拌磁场的磁场方向变换周期为8s～20s。
9.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述第一次熔炼的电流为10ka～25ka，电压为25v～35v。
10.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述第二次熔炼的电流为10ka～30ka，电压为25v～38v。
11.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述第三次熔炼的电流为10ka～27ka，电压为22v～35v。
12.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述钛合金自耗电极的化学成分包含铁元素。
13.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述钛合金自耗电极的材质为tb6钛合金。
14.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述钛合金铸锭的直径为580mm～880mm。
15.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，在进行所述第一次熔炼步骤后，还包括将所述第一次熔炼得到的铸锭进行平头处理的步骤。
16.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，在进行所述第二次熔炼的步骤
后，还包括将所述第二次熔炼得到的铸锭进行平头处理的步骤。
17.在其中一些实施例中，钛合金铸锭的制备方法中，所述钛合金自耗电极的制备包括以下步骤：
18.将海绵钛、valfe及alv中间合金混合均匀，压制成电极块；
19.在真空等离子焊箱中对所述电极块进行焊接，制备所述钛合金自耗电极。
20.相应地，本发明提供了一种钛合金铸锭，由上述的钛合金铸锭的制备方法制备得到。
21.本发明提供了一种钛合金制品，所述钛合金制品的制备原料包括上述的钛合金铸锭。
22.与现有技术相比较，本发明的钛合金铸锭的制备方法具有如下有益效果：
23.上述钛合金铸锭的制备方法，采用真空自耗电弧熔炼炉对钛合金自耗电极依次进行第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼，通过采用直流搅拌磁场和交流搅拌磁场来分别控制第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼时熔池的旋转方向，以及分别控制第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼的磁场强度来控制熔池旋转的速度；其中，采用特定强度的直流搅拌磁场进行第一次熔炼，熔池沿着单一方向旋转，能有效去除钛合金自耗电极中的杂质，从而避免杂质对钛合金铸锭组织均匀性的影响；进一步再采用特定强度的直流搅拌磁场进行第二次熔炼，熔池发生剧烈旋转，产生的离心力可有效促进熔池扁平化，熔体分散到溶质相对匮乏的铸锭边部，从而有效避免易在钛合金铸锭心部聚集的铁元素偏析累积在钛合金铸锭心部，进而有效提升了钛合金铸锭中铁元素分布的均匀性；在此基础上，采用特定强度的交流搅拌磁场进行第三次熔炼，熔池来回旋转幅度较小，可保持凝固过程稳定，避免出现锻造无法消除的微观组织缺陷；各步骤和参数之间共同作用，有效提升了钛合金铸锭的均匀性。
具体实施方式
24.以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。应当理解，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.本发明实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明实施例说明书公开的范围之内。具体地，本发明实施例说明书中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
28.真空自耗电弧熔炼是制备钛合金铸锭的主要熔炼方式之一。真空自耗电弧炉的电源系统不仅施加熔炼电流对自耗电极进行熔化，还施加轴向的搅拌磁场，起到搅拌熔池以及稳定电弧的作用。其中，搅拌磁场包括直流磁场和交变磁场；直流磁场的磁场方向不变，熔池在方向不变的磁场力下旋转，使熔池中的熔体发生搅拌；而交变磁场的磁场方向发生周期性变化，熔池中的熔体受交变力的作用来回搅动。
29.技术人员在研究过程中发现，传统方法制备的钛合金铸锭的均匀性较低的原因是钛合金中的铁元素极易形成fe偏析，最终形成β斑，用于制备飞机起落架等大尺寸结构时，会导致结构件的塑性和疲劳性能降低。
30.本发明一实施方式提供了一种钛合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：
31.采用真空自耗电弧熔炼炉对钛合金自耗电极依次进行第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼，制备钛合金铸锭；钛合金自耗电极的化学成分包含铁元素；第一次熔炼采用直流搅拌磁场，磁场强度为10gs～25gs；第二次熔炼采用直流搅拌磁场，磁场强度为10gs～30gs；第三次熔炼采用交流搅拌磁场，磁场强度为12gs～30gs。
32.技术人员尝试了采用交流搅拌磁场进行第一次熔炼，但在第一次熔炼后无法有效去除杂质，从而影响后续钛合金铸锭的宏微观成分组织均匀性，给成品铸锭组织成分均匀性带来一定的风险；还尝试了采用交流搅拌磁场进行第二次熔炼，交流搅拌磁场比直流搅拌磁场的熔池较稳定，钛合金铸锭在二次熔炼后最终形成的飞边较低；但采用交流搅拌磁场进行第二次熔炼，钛合金中含有～2％的极易偏析的铁元素，容易形成偏析并最终形成β斑，降低结构件的塑性和疲劳性能；以及尝试采用直流搅拌磁场进行第三次熔炼，熔池沿着单一方向旋转，钛合金铸锭中宏观成分均匀性有所提高，但是微观成分均匀性降低，出现少量的流线型微观冶金缺陷，其在普通锻造过程中无法消除，给产品质量带来风险。
33.本发明通过采用直流搅拌磁场和交流搅拌磁场来分别控制第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼时熔池的旋转方向，以及分别控制第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼的磁场强度来控制熔池旋转的速度；其中，采用特定强度的直流搅拌磁场进行第一次熔炼，熔池沿着单一方向旋转，能有效去除钛合金自耗电极中的杂质，从而避免杂质对钛合金铸锭均匀性的影响；进一步再采用特定强度的直流搅拌磁场进行第二次熔炼，熔池发生剧烈旋转，产生的离心力可有效促进熔体分散到溶质相对匮乏的铸锭边部，从而有效避免易在钛合金铸锭心部聚集的铁元素偏析累积在钛合金铸锭心部，进而有效提升了钛合金铸锭中铁元素分布的均匀性；在此基础上，采用特定强度的交流搅拌磁场进行第三次熔炼，熔池来回旋转幅度较小，可保持凝固过程的稳定，避免出现锻造无法消除的微观组织缺陷；各步骤和参数之间共同作用，有效提升了钛合金铸锭的均匀性。
34.实验研究发现，若磁场强度过大，熔体搅拌过于剧烈时，容易造成熔池与自耗电极之间的电弧短路；而磁场强度过小，搅拌力不够，从而影响钛合金铸锭的均匀性。
35.可以理解，第一次熔炼的磁场强度包括但不限于10gs、11gs、12gs、13gs、14gs、15gs、16gs、18gs、20gs、21gs、22gs、23gs、24gs、25gs；第二次熔炼的磁场强度包括但不限于10gs、11gs、12gs、13gs、14gs、15gs、16gs、18gs、20gs、21gs、22gs、23gs、24gs、25gs、28gs、30gs；第三次熔炼的磁场强度包括但不限于12gs、13gs、14gs、15gs、16gs、18gs、20gs、21gs、22gs、23gs、24gs、25gs、28gs、30gs。
36.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，第一次熔炼的磁场强度为13gs～
14gs。
37.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，第二次熔炼的磁场强度为10gs～28gs。
38.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，第三次熔炼的磁场强度为22gs～25gs。
39.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，交流搅拌磁场的磁场方向变换周期为8s～20s。
40.可以理解，交流搅拌磁场的磁场方向变换周期包括但不限于8s、10s、12s、14s、15s、16s、18s、20s。
41.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，在进行第三次熔炼步骤后期，在钛合金自耗电极熔炼剩余质量为150kg～350kg时进入补缩阶段，补缩阶段的交流搅拌磁场的强度为12gs～20gs，搅拌周期8s～20s。
42.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，第一次熔炼的电流为10ka～25ka，电压为25v～35v。
43.可以理解，第一次熔炼的电流包括但不限于10ka、13ka、14ka、15ka、16ka、18ka、20ka、22ka、24ka、25ka；电压包括但不限于25v、27v、28v、30v、32v、34v、35v。
44.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，第二次熔炼的电流为10ka～30ka，电压为25v～38v。
45.可以理解，第二次熔炼的电流包括但不限于10ka、13ka、14ka、15ka、16ka、18ka、20ka、22ka、24ka、25ka、28ka、30ka；电压包括但不限于25v、27v、28v、30v、32v、34v、35v、38v。
46.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，第三次熔炼的电流为10ka～27ka，电压为22v～35v。
47.可以理解，第三次熔炼的电流包括但不限于10ka、13ka、14ka、15ka、16ka、18ka、20ka、21ka、23ka、24ka、25ka、27ka；电压包括但不限于22v、25v、27v、28v、29v、30v、32v、34v、35v。
48.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，钛合金自耗电极的化学成分包含铁元素。
49.铁元素可以提高钛合金的强度和塑性；而先采用直流搅拌磁场进行第一次熔炼和第二次熔炼后，再采用交流搅拌磁场进行第三次熔炼，可有效促进熔体分散到溶质相对匮乏的铸锭边部，从而有效避免易在钛合金铸锭心部聚集的铁元素偏析累积在钛合金铸锭心部，进而有效提升了钛合金铸锭中铁元素分布的均匀性。
50.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，钛合金自耗电极的材质为tb6钛合金。
51.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，钛合金铸锭的直径为580mm～880mm。
52.上述钛合金铸锭的制备方法制备得到的钛合金铸锭的直径可达580mm～880mm，为大尺寸结构件提供了原料。
53.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，在进行第一次熔炼步骤后，还包括
将第一次熔炼得到的铸锭进行平头处理的步骤。
54.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，在进行第二次熔炼的步骤后，还包括将第二次熔炼得到的铸锭进行平头处理的步骤。
55.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，进行第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼时，采用的坩埚逐级增大。
56.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，坩埚的规格选自φ420、φ500、φ580、φ680、φ780、φ880。
57.可以理解，当第一次熔炼采用规格为φ580的坩埚时，第二次熔炼使用的坩埚规格可以为φ680、φ780；当第二次熔炼使用的坩埚规格为φ680时，第三次熔炼使用的坩埚规格可以为φ780、φ880。
58.在其中一些示例中，钛合金铸锭的制备方法中，钛合金自耗电极的制备包括以下步骤：
59.将海绵钛、valfe及alv中间合金混合均匀，压制成电极块；
60.在真空等离子焊箱中对电极块进行焊接，制备钛合金自耗电极。
61.在其中一些示例中，钛合金自耗电极的制备方法中，海绵钛选自1级、0级和0a级中的至少一种。
62.在其中一些示例中，钛合金自耗电极的制备方法中，根据国标gb3620.1中对tb6钛合金的成分要求选取海绵钛、valfe及alv中间合金。
63.在其中一些示例中，钛合金自耗电极的制备方法中，电极块的密度为3.40g/cm～3.50g/cm。
64.可以理解，电极块的密度包括但不限于3.40g/cm、3.42g/cm、3.44g/cm、3.45g/cm、3.46g/cm、3.47g/cm、3.48g/cm、3.50g/cm。
65.本发明一实施方式提供了一种钛合金铸锭，由上述的钛合金铸锭的制备方法制备得到。
66.采用上述的钛合金铸锭的制备方法制备得到钛合金铸锭的均匀性较好。
67.本发明一实施方式提供了上述钛合金铸锭在制备钛合金制品中的应用。本发明另一实施方式提供了一种钛合金制品，其制备原料包括包含上述的钛合金铸锭。
68.上述钛合金铸锭用于制备钛合金制品，可赋予钛合金制品较高塑性和疲劳性能。
69.在其中一些实施例中，钛合金制品包括但不限于飞机起落架、汽车铸件、电线电缆、交轨型材、电极。
70.在其中一些实施例中，钛合金制品的制备原料可为上述的钛合金铸锭，即采用上述的钛合金铸锭直接制备钛合金制品。在另一些实施例中，钛合金制品的制备原料除了包含上述的钛合金铸锭，还可包括其他材料。
71.具体实施例
72.以下按照本发明的钛合金铸锭及其制备方法、钛合金制品举例，可理解，本发明的钛合金铸锭及其制备方法、钛合金制品并不局限于下述实施例。
73.实施例1
74.φ580mm规格tb6钛合金铸锭的制备：
75.选取1级海绵钛、valfe及alv中间合金混合均匀，制备φ340规格tb6压制电极(名
义成分ti-10v-2fe-3al)，经焊接后，在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼：第一次熔炼的熔炼电流为13ka，熔炼电压为27v，直流搅拌磁场强度为13gs；第二次熔炼的熔炼电流为20ka，熔炼电压为30v，直流搅拌磁场强度为15gs；第三次熔炼的熔炼电流为20ka，熔炼电压为29v，交流搅拌磁场强度为25gs，搅拌周期为10s；每次熔炼后将铸锭进行平头处理，然后掉头，进行下一次熔炼；每次熔炼所采用的坩埚逐级增大：第一次熔炼的坩埚规格为φ420mm，第二次熔炼的坩埚规格为φ500mm，第三次熔炼的坩埚规格为φ580mm。
76.实施例2：
77.φ680mm规格tb6钛合金铸锭的制备：
78.选取0级海绵钛、valfe及alv中间合金混合均匀，制备φ420规格tb6压制电极(名义成分ti-10v-2fe-3al)，经焊接后，在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼：第一次熔炼的熔炼电流为14ka，熔炼电压为27v，直流搅拌磁场强度为14gs；第二次熔炼的熔炼电流为20ka，熔炼电压为30v，直流搅拌磁场强度为18gs；第三次熔炼的熔炼电流为21ka，熔炼电压为30v，交流搅拌磁场强度为22gs，搅拌周期为14s；每次熔炼后将铸锭进行平头处理，然后掉头，进行下一次熔炼；每次熔炼所采用的坩埚逐级增大：第一次熔炼的坩埚规格为φ500mm，第二次熔炼的坩埚规格为φ580mm，第三次熔炼的坩埚规格为φ680mm。
79.实施例3：
80.与实施例2基本相同，不同在于：将实施例2中的第二次熔炼中的“直流搅拌磁场强度为18gs”替换为“直流搅拌磁场强度为10gs”。
81.实施例4：
82.与实施例2基本相同，不同在于：将实施例2中的第二次熔炼中的“直流搅拌磁场强度为18gs”替换为“直流搅拌磁场强度为28gs”。
83.实施例5：
84.φ780mm规格tb6钛合金铸锭的制备：
85.选取0级海绵钛、valfe及alv中间合金混合均匀，制备φ480规格tb6压制电极(名义成分ti-10v-2fe-3al)，经焊接后，在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼：第一次熔炼的熔炼电流为16ka，熔炼电压为28v，直流搅拌磁场强度为14gs；第二次熔炼的熔炼电流为22ka，熔炼电压为32v，直流搅拌磁场强度为28gs；第三次熔炼的熔炼电流为23ka，熔炼电压为27v，交流搅拌磁场强度为24gs，搅拌周期为18s；每次熔炼后将铸锭进行平头处理，然后掉头，进行下一次熔炼；每次熔炼所采用的坩埚逐级增大：第一次熔炼的坩埚规格为φ580mm，第二次熔炼的坩埚规格为φ680mm，第三次熔炼的坩埚规格为φ780mm。
86.实施例6
87.与实施例2基本相同，不同在于：第一次熔炼中，直流搅拌磁场强度为25gs；第二次熔炼中，直流搅拌磁场强度为10gs；第三次熔炼中，交流搅拌磁场强度为30gs，搅拌周期为8s。
88.实施例7
89.与实施例2基本相同，不同在于：第一次熔炼中，直流搅拌磁场强度为10gs；第二次熔炼中，直流搅拌磁场强度为30gs；第三次熔炼中，交流搅拌磁场强度为12gs，搅拌周期为20s。
90.对比例1
91.与实施例1基本相同，不同在于：将实施例1中的第二次熔炼中的“直流搅拌磁场强度为15gs”替换为“交流搅拌磁场强度为15gs，搅拌周期为10s”。
92.对比例2：
93.与实施例2基本相同，不同在于：将实施例2中的第二次熔炼中的“直流搅拌磁场强度为18gs”替换为“交流搅拌磁场强度为18gs，搅拌周期为12s”。
94.对比例3：
95.与实施例3基本相同，不同在于：将实施例3中的第二次熔炼中的“直流搅拌磁场强度为10gs”替换为“交流搅拌磁场强度为10gs，搅拌周期为12s”。
96.对比例4：
97.与实施例4基本相同，不同在于：将实施例4中的第二次熔炼中“直流搅拌磁场强度为28gs”替换为“交流搅拌磁场强度为28gs，搅拌周期为12s”。
98.对比例5：
99.与实施例5基本相同，不同在于：将实施例5中的第二次熔炼中“直流搅拌磁场强度为28gs”替换为“交流搅拌磁场强度为28gs，搅拌周期为15s”。
100.对比例6：
101.与实施例5基本相同，不同在于：将实施例5中的第三次熔炼中“交流搅拌磁场强度为24gs，搅拌周期为18s”替换为“直流搅拌磁场强度为24gs”。
102.各实施例和对比例制备钛合金铸锭中的部分参数如表1所示。
103.表1
[0104][0105]
易偏析元素偏析情况检测：
[0106]
分别在各实施例和对比例制得的钛合金铸锭头部锯切100mm，底部锯切100mm，剩
余铸锭中分锯切(中部)，在钛合金铸锭的上述3个锯切面上的边部、心部各取屑样4份，测试相应的fe元素的偏析情况，测试各位置数据的平均值如下表2所示。
[0107]
表2
[0108][0109][0110]
元素偏析主要通过铸锭边部和心部元素的含量差异体现；熔池沿着轴向旋转搅拌，同一截面元素的偏析情况，可以反应偏析的大小。从表2中可以看出，在第二次熔炼采用直流搅拌电流时，分别相比同一直径的对比例，无论是铸锭的头部、中部、底部，实施例中铸锭在横截面上易偏析fe元素的边心差异更小，成分分布明显更均匀；对比例6，采用直流搅拌磁场进行第三次熔炼，出现少量的流线型冶金缺陷。
[0111]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0112]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。