一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法

摘要

本发明公开了一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速，即获得SDM熔炼工艺；将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；对粗制铸锭进行表面机加工，得到钛合金铸锭。解决了现有技术中存在的钛合金铸锭成分偏析、批次稳定性低的问题。

权利要求

1.一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速，即获得SDM熔炼工艺；

步骤3、制备电极

将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个所述电极得到自耗电极，备用；

步骤4、将所述自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流10～40kA，熔炼电压26～40V，稳弧电流5～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h；

第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：控制真空自耗电弧炉的真空度在3.0Pa以下，熔炼电流15～35kA，熔炼电压23～40V，在自耗电极熔炼900～1500kg开始第一次降低熔速至

14～20kg/min，在自耗电极熔炼1500～2000kg开始第二次降低熔速至12～17kg/min，在自耗电极剩余重量200～500kg时开始进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于9h；

步骤5、对所述粗制铸锭进行表面机加工，得到所述钛合金铸锭。

2.如权利要求1所述的一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述真空等离子焊接的压制压强控制在20～80MPa。

3.如权利要求1所述的一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，其特征在于，所述第三次熔炼的熔速按照17kg/min→14kg/min→12kg/min的斜率降低。

4.如权利要求1所述的一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，其特征在于，所述第三次熔炼的熔速按照20kg/min→17kg/min→14kg/min的斜率降低。

5.如权利要求1所述的一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，其特征在于，所述配料的总重量为4000～8000kg。

6.如权利要求1所述的一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，其特征在于，所述钛合金铸锭包括TC4‑DT、TC17、TC18钛合金铸锭中的任意一种。

说明书

一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法。

背景技术

[0002] 随着航空钛合金结构件整体化、大型化发展，对锻件重量也提出了大型化、大单重化的要求，锻件制备需要的棒材或锻坯的单重也进一步增大，对钛合金铸锭的规格和重量
提出了更高的要求。铸锭规格和重量越大，其需要的熔炼时间更长。传统的钛合金熔炼工艺
为：长时间采用恒定熔速(电流)熔炼，此工艺不仅会增加熔池深度，导致元素偏析和烧损加
剧，还容易降低成分均匀性。而铸锭成分均匀性的差异会导致相变点差异，缩小了后续加工
的工艺窗口，不利于成品的质量稳定。如损伤容限型钛合金TC4‑DT，其锻件一般采用β热处
理，热处理温度在β相变点以上，若铸锭的成分不均匀，则会导致锻件的相变点波动，使得大
型锻件经β热处理后的组织产生差异，出现超差或不合格的问题，影响后续使用。

[0003] 此外，对于易偏析钛合金牌号，增大其铸锭规格会极大影响成分偏析。采用传统熔炼工艺制备大规格易偏析钛合金，其成分均匀性控制更加困难。为了满足航空用大型锻件
的需求，探索一种更大规格、成分均匀性更高的钛合金铸锭的熔炼工艺是非常有意义的。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，解决了现有技术中存在的钛合金铸锭成分偏析、批次稳定性低的问题。

[0005] 本发明所采用的一种技术方案是，一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0006] 步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

[0007] 步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速，即获得SDM熔炼工艺；

[0008] 步骤3、制备电极

[0009] 将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；

[0010] 步骤4、将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

[0011] 步骤5、对粗制铸锭进行表面机加工，得到钛合金铸锭。

[0012] 本发明技术方案的特点还在于：

[0013] 步骤3中，真空等离子焊接的压制压强控制在20～80MPa。

[0014] 步骤4中，第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

[0015] 控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流10～40kA，熔炼电压26～40V，稳弧电流5～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h。

[0016] 步骤4中，第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：

[0017] 控制真空自耗电弧炉的真空度在3.0Pa以下，熔炼电流15～35kA，熔炼电压23～40V，在自耗电极熔炼900～1500kg开始第一次降低熔速至14～20kg/min，在自耗电极熔炼
1500～2000kg开始第二次降低熔速至12～17kg/min，在自耗电极剩余重量200～500kg时开
始进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于9h。

[0018] 第三次熔炼的熔速按照17kg/min→14kg/min→12kg/min的斜率降低。

[0019] 第三次熔炼的熔速按照20kg/min→17kg/min→14kg/min的斜率降低。

[0020] 配料的总重量为4000～8000kg。

[0021] 钛合金铸锭包括TC4‑DT、TC17、TC18钛合金铸锭中的任意一种。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，制备的钛合金铸锭具有良好的均匀性、稳定性、铸锭成品率高；本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的
制备方法，利用计算机数值模拟优选工艺参数，采用真空自耗电弧熔炼(VAR)方法对自耗电
极进行熔炼，熔炼过程中严格控制电流(熔速)按照阶梯方式降低，确保熔炼过程中熔池深
度稳定，如图1所示，提高了铸锭成分的均匀性；本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均
匀性的制备方法，前期采用大熔速提高生产效率，后续采用逐级降低熔速的方式保证熔池
深度的稳定，提高了铸锭成分的均匀性，解决了现有Φ720mm规格以上钛合金铸锭上部成分
均匀性差、铸锭成品率低的问题；本发明的制备方法可以推广至易偏析合金如TB6、TC21钛
合金的铸锭熔炼中，具有非常好的应用前景。

附图说明

[0024] 图1是本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法中熔炼工艺所需熔池深度与传统熔炼工艺所需熔池深度的对比示意图；

[0025] 图2是本发明制备的大规格钛合金铸锭的取样位置示意图；

[0026] 图2(a)对本发明制备的大规格钛合金铸锭的纵向表面五点取样的示意图

[0027] 图2(b)对本发明制备的大规格钛合金铸锭的头部横向截面九点取样的示意图

[0028] 图3是实施例1制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析折线图；

[0029] 图4是实施例1制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析柱状图；

[0030] 图5是实施例2制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析折线图；

[0031] 图6是实施例2制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析柱状图；

[0032] 图7是实施例3制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析折线图；

[0033] 图8是实施例3制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析柱状图；

[0034] 图9是实施例4制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析折线图；

[0035] 图10是实施例4制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析柱状图；

[0036] 图11是实施例5制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析折线图；

[0037] 图12是实施例5制备的大规格钛合金铸锭的主要元素含量分析柱状图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0039] 本发明涉及一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0040] 步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

[0041] 步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速12～17kg/min，即获得SDM熔炼工艺；

[0042] 步骤3、制备电极

[0043] 将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；

[0044] 其中，配料的总重量为4000～8000kg；真空等离子焊接的压制压强控制在20～80MPa，保证了自耗电极的致密度；

[0045] 步骤4、将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

[0046] 第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

[0047] 控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流10～40kA，熔炼电压26～40V，稳弧电流5～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h；

[0048] 第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：

[0049] 控制真空自耗电弧炉的真空度在3.0Pa以下，熔炼电流15～35kA，熔炼电压23～40V，在自耗电极熔炼900～1500kg开始第一次降低熔速至14～20kg/min，在自耗电极熔炼
1500～2000kg开始第二次降低熔速至12～17kg/min，在自耗电极剩余重量200～500kg时开
始进入补缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于9h；

[0050] 优选地，第三次熔炼的熔速按照20kg/min→17kg/min→14kg/min的斜率降低。

[0051] 优选地，第三次熔炼的熔速按照17kg/min→14kg/min→12kg/min的斜率降低。

[0052] 步骤5、对粗制铸锭进行表面机加工，得到钛合金铸锭；钛合金铸锭包括TC4‑DT、TC17、TC18钛合金铸锭中的任意一种。

[0053] 实施例1

[0054] 本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0055] 步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

[0056] 步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速为14kg/min，即获得SDM熔炼工艺；

[0057] 步骤3、制备电极

[0058] 将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；

[0059] 其中，配料的总重量为4000kg；真空等离子焊接的压制压强控制在20～25MPa；

[0060] 步骤4、将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

[0061] 第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

[0062] 控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流10～20kA，熔炼电压28～40V，稳弧电流5～15A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h；

[0063] 第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：

[0064] 采用Φ720mm的坩埚，控制真空自耗电弧炉的真空度在3.0Pa以下，熔炼电流15～30kA，熔炼电压23～36V，在自耗电极熔炼1000kg开始第一次降低熔速至16kg/min，在自耗
电极熔炼1600kg开始第二次降低熔速至14kg/min，在自耗电极剩余重量300kg时开始进入
补缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于9h；

[0065] 步骤5、对粗制铸锭进行表面机加工，得到TC4‑DT钛合金铸锭。

[0066] 对本实施例1熔炼的Φ720mmTC4‑DT钛合金铸锭进行取样，具体为对其头部横向截面进行九点取样(图2(b))、对其表面纵向进行五点取样(图2(a))，如图2所示，分析TC4‑DT
钛合金铸锭的整体成分均匀性，如图3、图4所示，分析数据如表1所示。

[0067] 表1、实施例1制备的TC4‑DT钛合金铸锭主要元素成分含量(质量百分数％)

[0068]

[0069] 由图3、图4、表1可知，本实施例制备的TC4‑DT钛合金铸锭，其纵向成分均匀性良好，主元素均符合GB/T3620.1的标准要求；TC4‑DT钛合金铸锭冒口部位的横向9点成分均匀
性良好，主元素偏差在2300ppm以内。

[0070] 实施例2

[0071] 本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0072] 步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

[0073] 步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速为13kg/min，即获得SDM熔炼工艺；

[0074] 步骤3、制备电极

[0075] 将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；

[0076] 其中，配料的总重量为8000kg；真空等离子焊接的压制压强控制在72～78MPa；

[0077] 步骤4、将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

[0078] 第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

[0079] 控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～35kA，熔炼电压26～32V，稳弧电流15～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h；

[0080] 第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：

[0081] 采用Φ920mm的坩埚，控制真空自耗电弧炉的真空度在2.0Pa以下，熔炼电流15～35kA，熔炼电压25～40V，在自耗电极熔炼1100kg开始第一次降低熔速至20kg/min，在自耗
电极熔炼1700kg开始第二次降低熔速至13kg/min，在自耗电极剩余重量400kg时开始进入
补缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于9h；

[0082] 步骤5、对粗制铸锭进行表面机加工，得到TC4‑DT钛合金铸锭。

[0083] 对本实施例2熔炼的Φ920mmTC4‑DT钛合金铸锭进行取样，具体为对其横向截面进行九点取样、对其表面纵向进行五点取样，如图2所示，分析TC4‑DT钛合金铸锭的整体成分
均匀性，如图5、图6所示，分析数据如表2所示。

[0084] 表2、实施例2制备的TC4‑DT钛合金铸锭主要元素成分含量(质量百分数％)

[0085]

[0086] 由图5、图6、表2可知，本实施例制备的TC4‑DT钛合金铸锭，其纵向成分均匀性良好，主元素均符合GB/T3620.1的标准要求；TC4‑DT钛合金铸锭冒口部位的横向9点成分均匀
性良好，主元素偏差在2000ppm以内。

[0087] 实施例3

[0088] 本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0089] 步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

[0090] 步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速为17kg/min，即获得SDM熔炼工艺；

[0091] 步骤3、制备电极

[0092] 将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；

[0093] 其中，配料的总重量为7000kg；真空等离子焊接的压制压强控制在70～80MPa；

[0094] 步骤4、将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

[0095] 第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

[0096] 控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流20～40kA，熔炼电压30～40V，稳弧电流20～30A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h；

[0097] 第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：

[0098] 采用Φ920mm的坩埚，控制真空自耗电弧炉的真空度在3.0Pa以下，熔炼电流15～30kA，熔炼电压23～35V，在自耗电极熔炼1200kg开始第一次降低熔速至20kg/min，在自耗
电极熔炼1800kg开始第二次降低熔速至17kg/min，在自耗电极剩余重量500kg时开始进入
补缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于9h；

[0099] 步骤5、对粗制铸锭进行表面机加工，得到TC18钛合金铸锭。

[0100] 对本实施例3熔炼的Φ920mmTC18钛合金铸锭进行取样，具体为对其头部横向截面进行九点取样、对其表面纵向进行五点取样，如图2所示，分析TC18钛合金铸锭的整体成分
均匀性，如图7、图8所示，分析数据如表3所示。

[0101] 表3、实施例3制备的TC18钛合金铸锭主要元素成分含量(质量百分数％)

[0102]

[0103] 由图7、图8、表3可知，本实施例制备的TC18钛合金铸锭，其纵向成分均匀性良好，主元素均符合GB/T3620.1的标准要求；TC18钛合金铸锭冒口部位的横向9点成分均匀性良
好，主元素偏差在2000ppm以内。

[0104] 实施例4

[0105] 本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0106] 步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

[0107] 步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速为15kg/min，即获得SDM熔炼工艺；

[0108] 步骤3、制备电极

[0109] 将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；

[0110] 其中，配料的总重量为5000kg；真空等离子焊接的压制压强控制在60～65MPa；

[0111] 步骤4、将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

[0112] 第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

[0113] 控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流15～30kA，熔炼电压28～34V，稳弧电流10～20A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h；

[0114] 第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：

[0115] 采用Φ720mm的坩埚，控制真空自耗电弧炉的真空度在3.0Pa以下，熔炼电流15～30kA，熔炼电压23～35V，在自耗电极熔炼1500kg开始第一次降低熔速至16kg/min，在自耗
电极熔炼2000kg开始第二次降低熔速至15kg/min，在自耗电极剩余重量300kg时开始进入
补缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于6h；

[0116] 步骤5、对粗制铸锭进行表面机加工，得到TC18钛合金铸锭。

[0117] 对本实施例4熔炼的Φ720mmTC18钛合金铸锭进行取样，具体为对其头部横向截面进行九点取样、对其表面纵向进行五点取样，如图2所示，分析TC18钛合金铸锭的整体成分
均匀性，如图9、图10所示，分析数据如表4所示。

[0118] 表4、实施例4制备的TC18钛合金铸锭主要元素成分含量(质量百分数％)

[0119]

[0120]

[0121] 由图9、图10、表4可知，本实施例制备的TC18钛合金铸锭，其纵向成分均匀性良好，主元素均符合GB/T3620.1的标准要求；TC18钛合金铸锭冒口部位的横向9点成分均匀性良
好，主元素偏差在2000ppm以内。

[0122] 实施例5

[0123] 本发明一种提高大规格钛合金铸锭成分均匀性的制备方法，具体按照以下步骤实施：

[0124] 步骤1、采用计算机数值模拟方法建立钛合金铸锭的数值模型；

[0125] 步骤2、模拟熔炼过程，使熔速平稳上升至保持熔池深度稳定的最小熔速为12kg/min，即获得SDM熔炼工艺；

[0126] 步骤3、制备电极

[0127] 将钛合金铸锭所需的成分进行配料、混料并压制成多个电极块，采用真空等离子焊接多个电极得到自耗电极，备用；

[0128] 其中，配料的总重量为6000kg；真空等离子焊接的压制压强控制在30～35MPa；

[0129] 步骤4、将自耗电极置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼，得到粗制铸锭；

[0130] 第一次熔炼和第二次熔炼具体为：

[0131] 控制真空自耗电弧炉的真空度在5.0Pa以下，熔炼电流10～25kA，熔炼电压26～34V，稳弧电流5～15A，稳弧周期5s到直流，熔炼后冷却时间不小于5h；

[0132] 第三次熔炼采用SDM熔炼工艺，具体为：

[0133] 采用Φ720mm的坩埚，控制真空自耗电弧炉的真空度在3.0Pa以下，熔炼电流15～30kA，熔炼电压23～35V，在自耗电极熔炼900kg开始第一次降低熔速至14kg/min，在自耗电
极熔炼1500kg开始第二次降低熔速至12kg/min，在自耗电极剩余重量200kg时开始进入补
缩阶段，电流降低速率逐级减小，熔炼后冷却时间不小于6h；

[0134] 步骤5、对粗制铸锭进行表面机加工，得到TC17钛合金铸锭。

[0135] 对本实施例5熔炼的Φ720mmTC17钛合金铸锭进行取样，具体为对其头部横向截面进行九点取样、对其表面纵向进行五点取样，如图2所示，分析TC17钛合金铸锭的整体成分
均匀性，如图11、图12所示，分析数据如表5所示。

[0136] 表5、实施例5制备的TC17钛合金铸锭主要元素成分含量(质量百分数％)

[0137]

[0138]

[0139] 由图11、图12、表5可知，本实施例制备的TC17钛合金铸锭，其纵向成分均匀性良好，主元素均符合GB/T3620.1的标准要求；TC17钛合金铸锭冒口部位的横向9点成分均匀性
良好，主元素偏差在2000ppm以内。