一種tc21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，該方法為：一、稱取原料混合后壓制成電極塊；二、組焊得到一次自耗電極；三、熔煉得到一次鑄錠；四、焊接得到二次自耗電極；五、熔煉得到二次鑄錠；六、焊接得到三次自耗電極；七、熔煉得到成品鑄錠。本發(fā)明的方法通過三次真空自耗熔煉過程制備得到大規(guī)格TC21鈦合金鑄錠，能夠有效減少高熔點(diǎn)元素Mo和Nb在鑄錠中形成不熔塊以及低熔點(diǎn)元素Al和Sn揮發(fā)而造成的成分偏析，有效保證了鈦合金鑄錠中化學(xué)成分的均勻性，而且利用本發(fā)明大規(guī)格鑄錠能夠鍛制得到高強(qiáng)高韌、直徑可達(dá)400mm以上的TC21鈦合金棒材。
【專利說明】一種TG21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈦合金材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是涉及一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠 的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] TC21鈦合金是我國自主研制的一種新規(guī)格高強(qiáng)高韌尚損傷容限鈦合金，該合金 具有良好的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性及裂紋擴(kuò)展速率的匹配，室溫力學(xué)性能可達(dá)到抗拉強(qiáng)度 Rm彡llOOMPa，屈服強(qiáng)度RpQ.2彡l〇〇〇MPa，延伸率A彡6%，斷面收縮率Z彡;L0%，斷裂軔性 KIC彡70MPa · m1/2,是一種極具應(yīng)有前景的新規(guī)格結(jié)構(gòu)鈦合金，有望在航空航天領(lǐng)域得到廣 泛應(yīng)用。
[0003] 隨著航空工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)整體設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢是減少焊接，承力構(gòu)件采用大規(guī) 格鍛件和大規(guī)格整體鍛件。而大規(guī)格整體鍛件是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體化、減輕結(jié)構(gòu)重量、增強(qiáng) 結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性和縮短產(chǎn)品研制周期的重要條件。作為大規(guī)格鍛件用坯的大規(guī)格棒 材直徑已達(dá)〇400mm以上，大規(guī)格鑄錠對提高大規(guī)格棒材質(zhì)量一致性、穩(wěn)定性和成材率具 有重要意義，因而迫切需要成分均勻的直徑在Φ720mm以上的TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠。一 般來說，隨著鈦合金鑄錠尺寸的增大，帶來熔煉難度的加大，成分偏析更為明顯，大規(guī)格鑄 錠的成分均勻性常常難以得到保證。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種TC21鈦 合金大規(guī)格鑄錠的制備方法。該方法選用0級海綿鈦，工業(yè)純鋁，原子能級海綿鋯，金屬鉻 以及Ti_ 8〇Sn，Al_6〇Mo和Al_65Nb三種中間合金作為原料進(jìn)行配料，通過三次真空自耗熔 煉過程制備得到直徑不小于 72〇mm的大規(guī)格TCW鈦合金鑄錠，能夠有效減少高熔點(diǎn)元素 Mo和Nb在鑄錠中形成不熔塊以及低熔點(diǎn)元素 A1和Sn揮發(fā)而造成的成分偏析，另外，通過 協(xié)同控制優(yōu)化三次真空自耗溶煉過程的工藝參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化合金元素的分配系數(shù)，使其 接近于1，能夠?qū)崿F(xiàn)鑄錠凝固過程的平穩(wěn)、可控，減少了鈦合金鑄錠中化學(xué)成分的偏析，有效 保證了鈦合金鑄錠中化學(xué)成分的均勻性，而且利用本發(fā)明大規(guī)格鑄錠能夠鍛制得到高強(qiáng)高 韌、直徑可達(dá)400mm以上的TC21鈦合金棒材。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種TC2i鈦合金大規(guī)格鑄錠的 制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0006]步驟一、以0級海綿鈦、工業(yè)純鋁、原子能級海綿鋯、金屬鉻、中間合金 Ti-80Sn、中間合金A1-60MO和中間合金Al-65Nb為原料，按照TC2i合金名義成分 Ti-6Al-2Zr-2&i-2Mo-1. 5Cr-2Nb稱取所述原料，混合均勻后采用油壓機(jī)壓制成電極塊；
[0007]步驟二、在氬氣保護(hù)下，采用等離子弧焊將多個步驟一中所述電極塊組焊連接在 一起，得到一次自耗電極；
[0008]步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不高于 IPa，熔煉電流為20KA?32KA，熔煉電壓為31V?3階，交流穩(wěn)弧電流為6A?11A的條件下 對一次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；
[0009] 步驟四、將多個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進(jìn)行爐內(nèi)焊 接，得到二次自耗電極；所述爐內(nèi)焊接的電流為3KA?8KA，電壓為23V?27V ;
[0010]步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不高于 IPa，熔煉電流為24KA?36KA，熔煉電壓為32V?37V，交流穩(wěn)弧電流為7A?12A的條件下 對二次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；
[0011] 步驟六、將多個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進(jìn)行爐內(nèi)焊 接，得到三次自耗電極；所述爐內(nèi)焊接的電流為3KA?9KA，電壓為23V?27V ;
[0012] 步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不高于 IPa，熔煉電流為26KA?38KA，熔煉電壓為33V?38V，交流穩(wěn)弧電流為8A?13A的條件下 對三次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后得到直徑不小于720mm的成品鑄錠。
[0013] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟一中所述油壓 機(jī)為5000噸油壓機(jī)。
[0014] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟一中所述〇級 海綿鈦的粒度為3mm?8mm，所述0級海綿鈦的質(zhì)量純度不低于99. 7%。
[0015] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟一中所述工業(yè) 純鋁、原子能級海綿鋯和金屬鉻的質(zhì)量純度均不低于9 9· 9%，所述中間合金Ti-80Sn、中間 合金A1-60M〇和中間合金Al-65Nb的質(zhì)量純度均不低于99. 8 %。
[0016] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟二中所述氬氣 的流量為4L/min?7L/min。
[0017] 上述的一種TCM鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟三中所述隨爐 冷卻的時(shí)間不小于4. 5h。
[0018] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟五中所述隨爐 冷卻的時(shí)間不小于5h。
[0019] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟七中所述隨爐 冷卻的時(shí)間不小于6h。
[0020] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟五中所述熔煉 電流比步驟三中所述熔煉電流大4KA，步驟五中所述熔煉電壓比步驟三中所述熔煉電壓大 IV，步驟五中所述交流穩(wěn)弧電流比步驟三中所述交流穩(wěn)弧電流大1A。
[0021] 上述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟七中所述熔煉 電流比步驟五中所述熔煉電流大2KA，步驟七中所述熔煉電壓比步驟五中所述熔煉電壓大 IV，步驟七中所述交流穩(wěn)弧電流比步驟五中所述交流穩(wěn)弧電流大1A。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] 1、本發(fā)明選用〇級海綿鈦，工業(yè)純鋁，原子能級海綿鋯，金屬鉻以及Ti-80Sn, A1 -60M〇和Al-65Nb三種中間合金作為原料進(jìn)行配料，通過三次真空自耗熔煉過程制備得 到直徑不小于720mm的大規(guī)格TCW鈦合金鑄錠，能夠有效減少高熔點(diǎn)元素 Mo和Nb在鑄錠 中形成不熔塊以及低熔點(diǎn)元素 A1和Sn揮發(fā)而造成的成分偏析，另外，通過協(xié)同控制優(yōu)化 三次真空自耗熔煉過程的工藝參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化合金元素的分配系數(shù)，使其接近于1，能夠 實(shí)現(xiàn)鑄錠凝固過程的平穩(wěn)、可控，減少了鈦合金鑄錠中化學(xué)成分的偏析，有效保證了鈦合金 鑄錠中化學(xué)成分的均勻性，而且利用本發(fā)明大規(guī)格鑄錠能夠鍛制得到高強(qiáng)高靭、直徑可達(dá) 400mm以上的TC21鈦合金棒材。
[0024] 2、本發(fā)明制備的TC21鈦合金大規(guī)格鑄屬于高強(qiáng)高韌鈦合金 (Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb系），該合金中的Mo、Nb元素屬于高烙點(diǎn)、高密度組元，若均以純金 屬加入，易在鑄錠中形成不熔塊，且分配系數(shù)K>1，具有負(fù)偏析傾向，而對于低熔點(diǎn)組元A1 和Sn，若均以純金屬加入，容易導(dǎo)致Al、Sn元素的揮發(fā)，且分配系數(shù)Κ<1，具有正偏析傾向， 隨著鑄錠尺寸的增大，這種偏析更為明顯，因此選用Α1-60ΜΟ, A1-67NL·，Ti-80Sn作為中間 合金進(jìn)行配料能夠有效減少成分偏析；此外在熔煉過程中分配系數(shù)K值隨工藝條件的變化 會發(fā)生變化，選擇較佳的熔煉工藝參數(shù)能夠優(yōu)化合金元素的分配系數(shù)，以保證鑄錠化學(xué)成 分的均勻性。本發(fā)明制備得到的大規(guī)格鑄錠中各主要元素成分相對偏差的絕對值不大于 3%，滿足其成分均勻性的要求。
[0025] 3、利用本發(fā)明的大規(guī)格鑄錠鍛制的TC21鈦合金棒材直徑可達(dá)400mm以上，且具有 優(yōu)異的室溫力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度Rm彡llOOMPa，屈服強(qiáng)度&。.2彡lOOOMPa,延伸率A彡6%， 斷面收縮率Z彡10%，斷裂韌性KIG彡7〇MPa ·πι1/2,本發(fā)明的方法適用于制備鍛制高強(qiáng)高韌 鈦合金棒材用的大規(guī)格鈦合金鑄錠。
[0026]下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明各實(shí)施例制備的成品鑄錠進(jìn)行成分分析時(shí)的軸向取樣位置示意圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明各實(shí)施例制備的成品鑄錠進(jìn)行成分分析時(shí)的徑向取樣位置示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 實(shí)施例1
[0030] 本實(shí)施例制備TCW鈦合金大規(guī)格鑄錠包括以下步驟：
[0031]步驟一、以〇級海綿鈦、工業(yè)純鋁、原子能級海綿鋯、金屬鉻、中間合金 Ti-80Sn、中間合金A1-60MO和中間合金Al-65Nb為原料，按照TC21合金名義成分 Ti-6Al-2Zr-2Sn-2M〇-l· 5Cr-2Nb稱取所述原料，混合均勻后采用油壓機(jī)壓制成電極塊； 所述工業(yè)純鋁，原子能級海綿鋯和金屬鉻的質(zhì)量純度均不低于 99. 9%，所述中間合金 Ti-80Sn、中間合金A1-60MO和中間合金Al-65Nb質(zhì)量純度均不低于99. 8 %，所述0級海綿 欽的粒度為5mm，0級海綿鈦的質(zhì)量純度不低于99· 7%，所述油壓機(jī)為5000噸油壓機(jī)； [0032]步驟二、在氬氣保護(hù)下，采用等離子弧焊將is個步驟一中所述電極塊組焊連接在 一起，得到一次自耗電極；所述氬氣的流量為4L/min ;
[0033]步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為（D560mm的 水冷銅相'禍上，在真全度為0. 3Pa，溶煉電流為20KA，溶煉電壓為31V，交流穩(wěn)弧電流為6A的 條件下對一次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后在水冷銅坩堝上得到一次鑄錠；所述隨爐冷 卻的時(shí)間不小于4. 5h ;
[0034]步驟四、將兩個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進(jìn)行爐內(nèi)焊 接，得到二次自耗電極；所述爐內(nèi)焊接的電流為3KA，電壓為23V ;
[0035] 步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為（D640mm的 水冷銅坩堝上，在真空度為〇· 3Pa，熔煉電流為24KA，熔煉電壓為32V，交流穩(wěn)弧電流為7A的 條件下對二次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后在水冷銅坩堝上得到二次鑄錠；所述隨爐冷 卻的時(shí)間不小于5h ;
[0036] 步驟六、將兩個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進(jìn)行爐內(nèi)焊 接，得到三次自耗電極；所述爐內(nèi)焊接的電流為3KA，電壓為23V ;
[0037] 步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為720mra的水 冷銅坩堝上，在真空度為0. 3Pa，熔煉電流為26KA，熔煉電壓為33V，交流穩(wěn)弧電流為8A的 條件下對三次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后在水冷銅坩堝上得到直徑為720mm的成品鑄 淀；所述隨爐冷卻的時(shí)間不小于6h。
[0038] 按照圖1所示軸向取樣示意圖和圖2所示徑向取樣示意圖中的取樣位置，采用等 離子體原子發(fā)射光譜法分析本實(shí)施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況，結(jié)果 如表1和表2所示。
[0039] 表1實(shí)施例1制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟一、以0級海綿鈦、工業(yè)純鋁、原子能級海綿鋯、金屬鉻、中間合金 Ti-80Sn、中間合金A1-60MO和中間合金Al-65Nb為原料，按照TC21合金名義成分 Ti-6Al-2Zr-2Sn-2M〇-l. 5Cr-2Nb稱取所述原料，混合均勻后采用油壓機(jī)壓制成電極塊； 步驟二、在氬氣保護(hù)下，采用等離子弧焊將多個步驟一中所述電極塊組焊連接在一起， 得到一次自耗電極； 步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不高于IPa， 熔煉電流為20KA?32KA，熔煉電壓為31V?36V，交流穩(wěn)弧電流為6A?11A的條件下對一 次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠； 步驟四、將多個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進(jìn)行爐內(nèi)焊接，得 到二次自耗電極；所述爐內(nèi)焊接的電流為3KA?8KA，電壓為23V?27V ; 步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不高于IPa， 熔煉電流為24KA?36KA，熔煉電壓為32V?37V，交流穩(wěn)弧電流為7A?12A的條件下對二 次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠； 步驟六、將多個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進(jìn)行爐內(nèi)焊接，得 到三次自耗電極；所述爐內(nèi)焊接的電流為3KA?9KA，電壓為23V?27V ; 步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不高于IPa， 熔煉電流為26KA?38KA，熔煉電壓為33V?38V，交流穩(wěn)弧電流為8A?13A的條件下對三 次自耗電極進(jìn)行熔煉，隨爐冷卻后得到直徑不小于720mm的成品鑄錠。
2. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 一中所述油壓機(jī)為5000噸油壓機(jī)。
3. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 一中所述〇級海綿鈦的粒度為3mm?8_，所述0級海綿鈦的質(zhì)量純度不低于99. 7%。
4. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 一中所述工業(yè)純鋁、原子能級海綿鋯和金屬鉻的質(zhì)量純度均不低于99. 9%，所述中間合金 Ti-80Sn、中間合金A1-60MO和中間合金Al-65Nb的質(zhì)量純度均不低于99. 8%。
5. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 二中所述氦氣的流量為4L/min?7L/min。
6. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 三中所述隨爐冷卻的時(shí)間不小于4. 5h。
7. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 五中所述隨爐冷卻的時(shí)間不小于5h。
8. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 七中所述隨爐冷卻的時(shí)間不小于6h。
9. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 五中所述熔煉電流比步驟三中所述熔煉電流大4KA，步驟五中所述熔煉電壓比步驟三中所 述熔煉電壓大IV，步驟五中所述交流穩(wěn)弧電流比步驟三中所述交流穩(wěn)弧電流大1A。
10. 按照權(quán)利要求1所述的一種TC21鈦合金大規(guī)格鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 七中所述熔煉電流比步驟五中所述熔煉電流大2KA，步驟七中所述熔煉電壓比步驟五中所 述熔煉電壓大IV，步驟七中所述交流穩(wěn)弧電流比步驟五中所述交流穩(wěn)弧電流大ΙΑ。
【文檔編號】C22B9/20GK104232994SQ201410478266
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】雷文光, 毛小南, 侯智敏, 韓棟, 張鵬省 申請人:西北有色金屬研究院