本發明涉及一種鈦材加工技術，具體的說是涉及一種TC4鈦合金殘料的回收方法。

背景技術：

Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金強度高、綜合性能優異、加工性能好，大量應用于航空、艦船、兵器、體育等領域，其生產量占鈦合金總產量50%以上，但是由于生產成本高，限制了其進一步推廣應用，因此世界各國都在探索降低成本的工藝及方法。在海綿鈦原材料成本不能進一步顯著下降的現狀下，鈦合金殘料回收，是降低成本最為有效方法之一。現有技術主要采用真空電弧爐(VAR)熔煉回收，工藝路線為“鈦殘料定尺→表面處理→捆綁組焊電極→一次VAR熔煉→二次VAR熔煉→機加工”，可獲得TC4鈦殘料熔煉回收圓形鈦錠，但受需要捆綁組焊電極的限制，僅能回收尺寸規格較大的板狀、棒狀或坯頭類殘料，無法對尺寸較小的粒狀殘料回收，因此鈦殘料形狀適用性差。由于VAR熔煉過熱度低，高、低密度夾雜物不易去除，同時2次及以上次數熔煉也會導致O、N有害雜質元素增加，熔煉回收質量不夠理想。此外，上述工藝方法僅能獲得圓形鈦錠，當用于軋板用途時，還需經過多火次加熱、鍛造、修磨扒皮及機加工獲得軋制開坯所需方坯，修磨扒皮、切頭尾等工序會大幅降低成材率，生產流程長、成本高。因此，現有技術在TC4鈦合金殘料熔煉回收及應用方面，存在鈦殘料形狀適用性差、生產流程長、成本高、有害雜質元素增量大、高低密度夾雜物不易去除的缺點，在經濟性及質量方面效果不夠理想，需要探索新的熔煉回收方法。

技術實現要素：

本發明為了解決上述技術問題，提供一種TC4鈦合金殘料的回收方法，其有效解決了傳統鈦殘料形狀適用性差、生產流程長、成本高、有害雜質元素增量大、高低密度夾雜物不易去除等問題。

本發明所采用的技術方案是：一種TC4鈦合金殘料的回收方法，包括以下步驟：

步驟一、選取待處理的TC4鈦合金殘料并去除其表面的雜質，烘干后獲得表面潔凈、干燥的鈦殘料備用；

步驟二、選取厚度為2~10mm 的TC4鈦板進行定尺，并使用定尺后的鈦板制備上部開口的鈦殘料裝料箱，將步驟一處理后的TC4鈦合金殘料進行定尺，使定尺后的TC4鈦合金殘料尺寸小于裝料箱尺寸，備用；

步驟三、選取純鋁帶卷進行定尺獲得鋁薄板，且該定尺規格與步驟二中制備的鈦殘料裝料箱的內腔尺寸一致；

步驟四、假定鈦殘料裝料箱裝箱后的總質量為M，根據TC4鈦合金殘料Al元素質量百分比x%、熔煉過程中Al元素揮發燒損百分比y%、熔煉回收鈦錠Al元素質量百分比目標值z%，確定每個料箱所需加入純鋁的重量m，其中，配料公式為：[(M*x%+m) * (1-y%)]/[M+m-(M*x%+m) *y%)]=z%；

步驟五、根據步驟四中的計算的質量，稱取步驟一中的TC4鈦合金殘料和步驟三中的鋁薄板，并按照鋁薄板和將步驟一選取的TC4鈦合金殘料由下至上交替鋪設的方法進行布料，且裝料箱最上層為TC4鈦合金殘料，布料完成后備用；

步驟六、將經步驟五布料好的裝料箱放入EB冷床爐進料系統，并對進料室、熔煉室進行抽真空至進料室真空度≤0.6Pa、熔煉室真空度≤0.1Pa時，開始進行熔煉，熔煉過程中熔煉室真空度滿足≤0.1Pa，電子槍功率為280~440kV，轟擊電壓為45±5kW，TC4鈦合金殘料受電子束轟擊熔化為鈦液后，經熔化冷床、精煉冷床，流入結晶器坩堝凝固，再經拉錠系統將鑄錠拉至拉錠室隨爐冷卻后出爐，獲得EB錠方錠；

步驟七、使用銑床和鋸床對步驟六中制備的EB錠方錠進行銑面及鋸切，獲得產品。

所述步驟一中鈦殘料表面雜質的清洗采用拋丸酸洗或堿酸洗。

所述步驟二中鈦殘料裝料箱由5塊步驟二中的TC4鈦板拼焊而成，各焊縫采用氬弧焊方法進行焊接。

所述步驟三中純鋁帶卷的純鋁純度≥99%，鋁帶卷的厚度為0.01~3.0mm。

所述步驟五中將TC4鈦殘料按照板狀、棒狀以及粒狀進行劃分，且在布料時，板狀和棒狀鈦殘料的間隙中填充有粒狀鈦材料。

所述步驟七中，單側銑面厚度應≥5mm。

本發明的有益效果：

（1）本發明生產流程短、成本低，經一次EB冷床爐熔煉即可獲得可直接用于開坯軋制的方錠，熔煉次數少，且無需多火次鍛造、修磨扒皮，成材率高，因此具有生產流程短、成本低的優勢；

（2）本發明對鈦殘料的形狀適應性好，只需進行布料裝箱，而無需對鈦殘料進行捆綁組焊電極，因此不僅能回收尺寸規格較大的板狀、棒狀或坯頭類殘料，也可回收尺寸較小的粒狀鈦殘料，操作靈活方便，鈦殘料形狀適用性好；

（3）傳統VAR熔煉為獲得穩定的電離電弧，需一定含量的氣體含量作為電離介質，而高真空度無法獲得穩定電離電弧，因此VAR熔煉無法實現高真空度熔煉，其熔煉真空度在0.1~5Pa范圍，且經過2次熔煉，因此O、N有害雜質元素增量較大，而本發明可一次熔煉獲得方錠(坯)，熔煉室達到10-1~10-3高真空度范圍，因此O、N有害雜質元素增量小；

（4）本發明高、低密度夾雜容易去除，且EB冷床熔煉過程中，鈦液熔化、精煉、凝固分開進行，精煉過程中有足夠的時間使高密度夾雜溶解或沉積被冷床凝殼捕獲，同時也有足夠的時間使低密度夾雜上浮揮發及溶解消除，因此高、低密度夾雜更易去除干凈。

附圖說明

圖1為本發明中裝料箱的結構示意圖；

圖2為裝料箱布料橫截面結構示意圖；

圖中標記：1、裝料箱，2、純鋁薄板，3、板狀鈦殘料，4、棒狀鈦殘料，5、粒狀鈦殘料。

具體實施方式

如圖所示，一種TC4鈦合金殘料EB冷床爐熔煉的回收方法，包括以下步驟：

步驟一、選取待處理的TC4鈦合金殘料并去除其表面的雜質，烘干后獲得表面潔凈、干燥的鈦殘料備用；

步驟二、選取厚度為2~10mm 的TC4鈦板進行定尺，并使用定尺后的鈦板制備上部開口的鈦殘料裝料箱，將步驟一處理后的TC4鈦合金殘料進行定尺，使定尺后的TC4鈦合金殘料尺寸小于裝料箱尺寸，備用；

步驟三、選取純鋁帶卷進行定尺獲得鋁薄板，且該定尺規格與步驟二中制備的鈦殘料裝料箱的內腔尺寸一致；

步驟四、由于TC4合金主要合金元素包括Ti、Al、V，Al相比于其它合金元素熔點低、飽和蒸汽壓大，熔煉過程中揮發燒損嚴重，需要在配料時添加，以獲得熔煉回收鈦錠目標Al元素含量；而Ti、V合金元素，相對于Al元素揮發燒損可忽略不計，無需配料時添加，配料時，首先假定鈦殘料裝料箱裝箱后的總質量為M，根據TC4鈦合金殘料Al元素質量百分比x%、熔煉過程中Al元素揮發燒損百分比y%、熔煉回收鈦錠Al元素質量百分比目標值z%，確定每個料箱所需加入純鋁的重量m，其中，配料公式為：[(M*x%+m) * (1-y%)]/[M+m-(M*x%+m) *y%)]=z%；

步驟五、根據步驟四中的計算的質量，稱取步驟一中的TC4鈦合金殘料和步驟三中的鋁薄板，并按照鋁薄板和將步驟一選取的TC4鈦合金殘料由下至上交替鋪設的方法進行布料，且裝料箱最上層為TC4鈦合金殘料，布料完成后備用；

步驟六、將經步驟五布料好的裝料箱放入EB冷床爐進料系統，并對進料室、熔煉室進行抽真空至進料室真空度≤0.6Pa、熔煉室真空度≤0.1Pa時，開始進行熔煉，熔煉過程中熔煉室真空度滿足≤0.1Pa，電子槍功率為280~440kV，轟擊電壓為45±5kW，TC4鈦合金殘料受電子束轟擊熔化為鈦液后，經熔化冷床、精煉冷床，流入結晶器坩堝凝固，再經拉錠系統將鑄錠拉至拉錠室隨爐冷卻后出爐，獲得EB錠方錠；

步驟七、使用銑床和鋸床對步驟六中制備的EB錠方錠進行銑面及鋸切，獲得產品。

所述步驟一中鈦殘料表面雜質的清洗采用拋丸酸洗或堿酸洗。

所述步驟二中鈦殘料裝料箱由5塊步驟二中的TC4鈦板拼焊而成，各焊縫采用氬弧焊方法進行焊接。

所述步驟三中純鋁帶卷的純鋁純度≥99%，鋁帶卷的厚度為0.01~3.0mm。

所述步驟五中將TC4鈦殘料按照板狀、棒狀以及粒狀進行劃分，且在布料時，板狀和棒狀鈦殘料的間隙中填充有粒狀鈦材料。

所述步驟七中，單側銑面厚度應≥5mm。

以下結合具體實施例進一步闡述本發明。

采用本方法對板狀、棒狀及粒狀TC4鈦合金殘料進行熔煉回收，目標是獲得190*1055*900mm方錠(坯)。鈦殘料成分標定值如表1所示。

表1 TC4鈦合金殘料化學成分 (wt.%)

步驟一、表面處理，采用拋丸酸洗的方法，將TC4鈦合金殘料表面氧化皮、油污等雜質去除干凈，并烘干，獲得表面潔凈、干燥的鈦殘料；

步驟二、定尺，選擇4mm厚度規格TC4鈦合金板進行定尺，定尺規格分別為4*400*400mm/2塊、4.0*400*1600mm/3塊，用于制備裝料箱；對板狀、棒狀待回收TC4鈦合金殘料進行定尺，使其寬度＜400mm、長度＜1600mm，方便后續裝箱；對0.3mm、0.03mm、1.0mm厚度規格純鋁帶卷進行定尺，獲得薄板用于布料裝箱備用，定尺寬長名義規格390*1590mm，純度≥99%；

步驟三、使用氬弧焊的方法將步驟二中選取的4mm厚度規格的TC4鈦板進行焊接，獲得裝料箱，其中頂面不焊鈦板，用于鈦合金殘料布料裝箱。料箱強度，可滿足吊裝、熔煉進料要求；

步驟四、根據待回收TC4鈦合金殘料形態及裝料箱尺寸，設定每個裝料箱TC4鈦合金殘料與裝料箱重量之和為500kg，稱量每個裝料箱重量，計算并稱量每個裝料箱所需TC4鈦合金殘料備用。例如稱量料箱重量為40.3kg，則該料箱所需TC4鈦合金殘料重量為459.7kg。

根據擬采用的EB冷床爐熔煉回收工藝參數(見步驟五)，熔煉過程中Al元素揮發燒損百分比基準值為21.4%，假定熔煉回收鈦錠Al元素質量百分比目標值為6.0%，計算出每個料箱所需加入純鋁薄板重量為8.9kg，并稱取，即1.0mm、0.3mm、0.03mm厚度純鋁薄板各4張，將純鋁薄板分為4組，每組由1.0mm、0.3mm、0.03mm純鋁薄板各1張組成，備用。

裝料箱及每個裝料箱所需TC4鈦合金殘料、純鋁薄板備好后，開始進行布料裝箱，采用4層交替布料，即純鋁薄板、TC4鈦合金殘料分別布料4層。首先將第一組總厚度為1.33mm的純鋁薄板平鋪于料箱底面，然后布料裝箱TC4鈦合金殘料，板狀、棒狀鈦殘料之間較大空隙，可使用粒狀鈦殘料填平，整體應布料厚度均勻。按照上述方法，對純鋁薄板、TC4鈦合金殘料分層交替布料，使純鋁薄板在料箱橫截面均勻分布，其中料箱最上層布料TC4鈦合金殘料。

按照上述方法，對熔煉所需全部裝料箱進行布料裝箱，熔煉備用。

步驟五，EB冷床爐熔煉：采用矩形截面結晶器拉錠系統，進行TC4鈦合金殘料熔煉。將布料好的料箱裝入EB冷床爐進料系統，并對進料室、熔煉室進行抽真空，當進料室真空度≤0.4Pa、熔煉室真空度≤0.08Pa時，開始進行熔煉。熔煉過程中熔煉室真空度滿足≤0.08Pa，電子槍功率為280~380kV，轟擊電壓為45±5kW。TC4鈦合金殘料受電子束轟擊熔化為鈦液后，經熔化冷床、精煉冷床，流入結晶器坩堝凝固，經拉錠系統將鑄錠拉至拉錠室隨爐冷卻后出爐，獲得方錠(坯)毛坯，尺寸為202*1075*5650mm。

步驟六，機加工：使用銑床及鋸床對方錠進行銑面、鋸切。上、下面銑面加工去除厚度6mm，側面銑面加工去除厚度10mm，兩端鋸切去除尺寸50~200mm，獲得190*1055*5400mm方錠（坯），并在頭中尾取樣，化驗成分。對方錠（坯）坯進行鋸切，得到可直接用于軋制開坯的190*1055*900mm/6塊方錠（坯）。

TC4鈦合金殘料熔煉回收方錠(坯)成分如表2所示，各元素成分含量滿足并優于GB/T 3620.1國標。對方錠（坯）進行板材制備，一火軋制溫度1060℃，二火軋制溫度960℃，軋至10mm目標厚度，成品進行800℃熱處理，獲得的成品板力學性能如表3所示，性能滿足并優于GB/T 3621《鈦及鈦合金板材》標準。

表2 TC4鈦合金方錠(坯)化學成分 (wt.%)

表3 TC4合金板力學性能

本發明一方面可減少捆綁組焊電極及二次熔煉工序，生產流程更短；另一方面，可實現粒狀小顆粒散料回收，鈦殘料形狀適用性好，操作方便；此外，無需多火次鍛造、扒皮修磨、機加工，就可獲得可直接用于軋制的方錠（坯），從鈦殘料至方錠（坯）得料率可達到87.3%，顯著高于上述方法75%得料率，成本更低，經濟優勢明顯。因此，本發明是一種短流程、低成本、高質量的TC4鈦合金殘料熔煉回收方法。