一种减少Al元素挥发的Ti-Al基钛合金扁锭熔炼方法与流程

一种减少al元素挥发的ti
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al基钛合金扁锭熔炼方法
技术领域
1.本发明涉及一种减少al元素挥发的ti
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al基钛合金扁锭熔炼方法，属于钛合金熔炼技术领域。


背景技术：

2.钛的化学活性高，熔点高，性能受到间隙杂质元素和熔炼工艺的影响，一般的熔炼方法难以生产出适合服役于航空航天、海洋工程以及其他工业的合金铸锭。电子束冷床炉熔炼钛合金时只需一次熔炼，能够解决工艺流程长、成本高、成材率低、成分偏析、组织不均匀和高低密度夹杂等问题，成为当前优质钛及钛合金铸锭不可替代的先进熔炼技术。
3.然而在实际电子束冷床熔炼过程中，由于处于高温高真空条件下，合金元素特别是al元素的挥发非常严重，al元素的挥发过程为：al元素从钛合金熔体内部迁移到钛合金熔体表面的过程；在钛合金熔体表面发生从液相转变为气相的气化反应的过程；挥发的al元素扩散到气相中去的过程，如图4所示；电子束冷床熔炼过程al元素挥发的主要影响因素是熔池的表面温度，可由改变扫描工艺参数进行调整；此外，需制定合理的布料方式以及时补充合金元素以减少al元素挥发。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种减少al元素挥发的ti
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al基钛合金扁锭熔炼方法，具体包括以下步骤：（1）将所需熔炼的ti
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al基钛合金的合金成分设定为熔炼名义成分，根据所需熔炼的钛合金成分和重量进行组料；（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把混匀的海绵钛和合金料进行烘烤；（3）先加入25~40%的海绵钛，再加入用单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入60~75%的海绵钛，压制成电极块；如果铝的添加量超过铝箔的量，多余的铝与合金混合用单质铝箔包裹。
5.（4）只用海绵钛压制电极块，不加入铝箔包裹的合金料包；（5）把加入合金料包的电极块焊接在一起，没有加入合金料包的电极块焊接在一起；（6）把焊接好的电极块按照顺序加入电子束冷床（eb）炉中进行熔炼：先加入带有合金料的电极块，然后再加入没有合金料包的电极块。
6.优选的，本发明步骤（2）中烘烤的条件为：温度为100
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200℃，烘烤时间为1.5~3h，烘烤的目的是为了排出海绵钛中含有的少量氯气和水分。
7.优选的，本发明步骤（3）和（4）制备的电极快的质量为100~200 kg。
8.优选的，本发明步骤（6）中熔炼条件为：熔炼速度为1000kg/h，熔炼温度为1900
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2100k。
9.在组料时要挑选成分相近，保存时间相近，产品等级相同的海绵钛。
10.本发明的原理：发明人发现前人用eb炉熔炼ti
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al基钛合金时，混完料不压制成块，以散料的形式进行熔炼，然后熔炼过程中由于al元素挥发较多，需要补加较多的铝豆，并且铸锭成分会有一定程度的不均匀；但是发明人发现通过改变布料方式，用单质铝箔包裹合金料，先加入25~40%的海绵钛，再加入单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入剩余的海绵钛，压制成块；在电子束冷床炉的料箱内排布电极块时，按照不同顺序进行布料，底部先加入含有铝箔包裹的合金料包的电极块，上部加入不含有合金料包的电极块，这样的布料方式在熔炼ti
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al基钛合金时可以有效减少al元素的挥发，提高合金成分均匀性。
11.本发明的有益效果：本发明通过改变传统的布料方式，即用单质铝箔包裹合金料，按照不同顺序进行加料，先加入约30%的海绵钛，再加入单质铝箔包裹的合金料包，然后继续加入剩余的海绵钛，压制成块，可以有效减少al元素的挥发，提高合金成分均匀性。
附图说明
12.图1单质铝箔包裹合金料的料包。
13.图2为压制电极块的加料方式示意图。
14.图3为电极块的布料方式示意图。
15.图4为al元素的挥发过程示意图。
16.图5是经本发明实施例1焊接在一起的电极块。
17.图6是经本发明实施例1熔炼得到的扁锭。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
19.实施例1一种减少al元素挥发的ti
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al基钛合金扁锭电子束冷床炉熔炼的布料方式，具体步骤如下：（1）本实施例材料为tc4钛合金，将所需熔炼的合金成分设定为熔炼名义成分：ti
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6al
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4v，然后根据所需熔炼的钛合金成分重量进行组料，分别称取海绵钛、铝箔及铝钒合金，al含量为7%，v含量为4%，预计熔炼重量约为9800kg。
20.（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把海绵钛和合金料进行烘烤，烘烤温度在160℃，烘烤时间为1.5h左右。
21.（3）用单质铝箔包裹铝钒合金料，如图1所示，按照不同顺序进行加料，先加入比重为30%的0a级海绵钛，再加入合金料包，然后继续加入剩余比重的0a级海绵钛，压制成100kg的电极块，如图2所示。
22.（4）再把0a级海绵钛单独压制成电极块。
23.（5）把步骤（3）与（4）的电极块分别焊接在一起，根据进料系统的尺寸确定把4块电极块焊接在一起。
24.（6）把焊接好的电极块加入电子束冷床（eb）炉中进行熔炼，料箱中电极块的布料方式如图3所示，由图3可知先加入带有合金料的电极块，然后再加入没有合金料包的电极块，熔炼速度为1000kg/h，熔炼温度为2000k，熔炼过程中可以根据熔炼具体情况通过散料
加料装置添加散料，调整铸锭具体成分，钛扁锭尺寸为长7850 mm
×
宽1235 mm
×
厚225mm。
25.（7）用铣床把扁锭表面氧化皮去除，在扁锭的头部、中部和尾部的边部和心部取样，取样后分析al、v、fe、c、n、h、o元素的含量。
26.把熔炼好的tc4钛合金铸锭进行扒皮，在铸锭的头部，中部和尾部的边部和中心位置取样进行化学成分分析。
27.熔炼结束后得到的扁锭如图6所示，由图6可知，铸锭没有明显的宏观铸造缺陷。具体化学成分如表1所示，由表1可知该布料方式熔炼得到的铸锭，其化学成分均匀，al元素挥发较少，没有出现明显的偏析现象，并且成分符合国家标准。
28.表1 实施例1tc4扁锭化学成分实施例2一种减少al元素挥发的ti
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al基钛合金扁锭电子束冷床炉熔炼的布料方式，具体步骤如下：（1）本实施例材料为ti31钛合金，将所需熔炼的合金成分设定为熔炼名义成分：ti
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3al
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1zr
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1mo
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1ni，然后根据所需熔炼的钛合金成分重量进行组料，分别称取海绵钛、铝箔和铝豆、海绵锆、铝钼合金和镍屑，al含量为3.5%，zr含量为1%，mo含量为1%，ni含量为1%，预计熔炼重量约为5000kg。
29.（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把海绵钛和合金料进行烘烤，烘烤温度在160℃，烘烤时间为1.5h左右。
30.（3）用单质铝箔包裹合金料(铝豆、海绵锆、铝钼合金和镍屑)，按照不同顺序进行加料，先加入比重为30%的0a级海绵钛，再加入合金料包，然后继续加入剩余比重的0a级海绵钛，压制成100kg的电极块。
31.（4）再把0a级海绵钛单独压制成电极块。
32.（5）把步骤（3）与（4）的电极块分别焊接在一起，根据进料系统的尺寸确定把4块电极块焊接在一起。
33.（6）把焊接好的电极块加入电子束冷床（eb）炉中进行熔炼，料箱中电极块的布料方式如图3所示，由图3可知先加入带有合金料的电极块，然后再加入没有合金料包的电极块，熔炼速度为1000kg/h，熔炼温度为2050k，熔炼过程中可以根据熔炼具体情况通过散料加料装置添加散料，调整铸锭具体成分，钛扁锭尺寸为长4000 mm
×
宽1235 mm
×
厚225mm。
34.（7）用铣床把扁锭表面氧化皮去除，在扁锭的头部、中部和尾部的边部和心部取样，取样后分析al、zr、mo、ni、fe、c、n、h、o元素的含量。
35.把熔炼好的tc4钛合金铸锭进行扒皮，在铸锭的头部，中部和尾部的边部和中心位置取样进行化学成分分析。
36.具体化学成分如表3所示，由表3可知该布料方式熔炼得到的铸锭，al元素挥发较
少，al元素的质量分数与名义成分相似，化学成分均匀，没有出现明显的偏析现象，并且成分符合国家标准。
37.表1 实施例1tc4扁锭化学成分对比例实施1（1）本实施例材料为tc4钛合金，将所需熔炼的合金成分设定为熔炼名义成分：ti
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6al
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4v，然后根据所需熔炼的钛合金成分重量进行组料，分别称取海绵钛、铝豆及铝钒合金，al含量为7%，v含量为4%，预计熔炼重量约为9000kg。
38.（2）把称量好的海绵钛混料均匀，然后把海绵钛和合金料进行烘烤，烘烤温度在160℃，烘烤时间为1.5h左右。
39.（3）把烘烤完的海绵钛和合金料（铝豆及铝钒合金）混合均匀，加入料箱中。
40.（4）抽真空，在电子束冷床（eb）炉中进行熔炼，熔炼速度为1000kg/h，熔炼温度为2000k，钛扁锭尺寸为长7190 mm
×
宽1235 mm
×
厚225mm。
41.（5）用铣床把扁锭表面氧化皮去除，在扁锭的头部、中部和尾部的边部和心部取样，取样后分析al、v、fe、c、n、h、o元素的含量。
42.具体化学成分如表2所示，由表2可知该布料方式熔炼得到的铸锭，对比例实施1铸锭的化学成分，al元素挥发严重，铸锭的部分区域al元素含量低于国标要求，边部和心部出现明显偏析现象。
43.表2 对比例实施1 tc4扁锭化学成分