一种消除钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源的方法与流程

1.本发明属于钛合金制备技术领域，具体涉及一种消除钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源的方法。


背景技术：

2.低密度夹杂物(ldi)为光亮的条带和区域，且为富集α稳定剂(氧、氮、碳)的区域，其特征是非常硬，而变形过程中在缺陷部位出现疏松、空穴、裂纹，严重损害材料的疲劳强度和塑性，是飞机发动机等用材致命性的缺陷。钛的氮化物、氧化物及碳化物是产生这类缺陷的主要原因。由于氮化钛、氧化钛及碳化钛具有相对高的熔点，在var(真空自耗电弧炉熔炼)过程中，这些物质很难在钛熔体中完全溶解和充分扩散。此类缺陷主要是由α稳定元素o、n、c引起，也称为软α型缺陷、间隙元素偏析。
3.钛及钛合金加工过程中，低密度夹杂的来源有原料中富氧、富氮等缺陷料带入、电极焊接时o、n污染等，但对于半成品铸锭因头部存在缝隙而引入挥发物、夹杂物从而造成冶金缺陷的风险行业内并没有充分认识。采用var(真空自耗电弧炉熔炼)法生产钛合金铸锭一般进行两次或三次熔炼，在用车床车除一次或二次熔炼后的半成品铸锭冒口端挥发物、夹杂物或用洗锭机清洗半成品铸锭表面挥发物、夹杂物的过程中，部分挥发物、夹杂物会凝聚成块状进入半成品铸锭冒口端面的缝隙中，无法彻底清除。一旦挥发物、夹杂物等凝聚成块进入半成品锭冒口端的缝隙中，很难被发现，采用车床对冒口端进行机加车平冒口飞边的常规方法无法去除。由于挥发物、夹杂物中富集o、c等杂质元素，在随后的熔炼过程中，这些元素与钛反应局部会产生相对于基体钛熔点更高、密度较大的化合物，在随后的熔炼过程中无法彻底消除，形成文献中所公认的低密度夹杂等冶金缺陷，导致加工产品出现严重的质量风险。
4.目前，国内钛及钛合金铸锭加工过程中对半成品铸锭熔炼末期的收弧方式没有明确规定，半成品锭平头处理时，一般只要求平头后飞边不大于5mm，但对半成品铸锭冒口端面出现缝隙等情况的处理方法及平头后的标准没有明确的方法规定。此处如果控制不好，则成为冶金缺陷的风险源。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种消除钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源的方法。该方法通过控制半成品铸锭熔炼后期收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数，结合车削平头处理，使得半成品铸锭冒口端面平整无缝隙，避免了钛合金半成品铸锭冒口端面出现缝隙渗入挥发物、夹杂物产生局部富集且无法发现、去除，并在后续熔炼中产生低密度夹杂等冶金缺陷，从源头上消除了钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种消除钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
7.步骤一、var熔炼法制备钛合金铸锭的过程中，在制备钛合金半成品铸锭的熔炼后期，通过控制收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数，得到冒口端面平整、无缝隙的钛合金半成品铸锭；
8.步骤二、采用车床对步骤一中得到的钛合金半成品铸锭冒口端面进行车削平头处理，使得钛合金半成品铸锭冒口端面平整、无缝隙、无飞边、无挥发物、氧化物、夹杂及外来物残留；
9.步骤三、对步骤二中经车削平头处理后的钛合金半成品铸锭进行检查并去除残留物，然后进行后续熔炼，得到钛合金铸锭。
10.针对半成品铸锭冒口端面产生缝隙而产生低密度夹杂缺陷的隐患，本发明通过控制半成品铸锭熔炼后期收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数，得到冒口端面平整、无缝隙，且飞边薄而低的半成品铸锭，然后采用车削平头处理工艺有效去除飞边，使得半成品铸锭冒口端面平整、无缝隙、无飞边、无挥发物、氧化物、夹杂及外来物残留，从而避免了钛合金半成品铸锭冒口端面出现缝隙渗入挥发物、夹杂物产生局部富集且无法发现、去除，并在后续熔炼中产生低密度夹杂等冶金缺陷，从源头上消除了钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源。
11.目前尚无有效手段通过对钛合金铸锭成品的检验而发现低密度夹杂，只能采取预防措施以大大降低产生此类缺陷的风险。钛合金中低密度夹杂的来源有多种，如海绵钛中存在富氧、富氮的颗粒，人工添加钛白粉时混料不均匀导致局部氧元素富集等。目前，行业内的各类文献、熔炼工艺规程、操作规程等均未对var法熔炼后期的收弧方法及铸锭冒口端面表面质量提出明确要求，没有明确制定var法熔炼后期的收弧工艺参数，因而对半成品铸锭冒口端面的低密度夹杂风险，行业内还没有充分认识和重视，为本发明首次提出。本发明首次明确提出针对不同规格的钛合金半成品铸锭制定不同的收弧工艺参数，通过控制收弧工艺参数以防止铸锭冒口端面的挥发物、夹杂物进入铸锭冒口端面的缝隙而产生低密度夹杂的风险，上述过程有效预防并消除了钛合金半成品铸锭头部挥发物及氧化物产生的低密度夹杂，因而本发明的方法适用于不同吨位的真空自耗电弧炉熔炼不同牌号的钛合金。
12.上述的一种消除钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源的方法，其特征在于，步骤一中所述控制收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数的具体过程包括以下步骤：
13.步骤101、在熔炼设备的坩埚内自耗电极质量剩余200kg～300kg时，控制熔炼用结晶器的出水温度为40℃～41℃；所述坩埚的直径为500mm～640mm；
14.步骤102、增加电弧电压0.5v～1v，以促进结晶器内的自耗电极形成的液态熔池与结晶器内壁充分接触；
15.步骤103、继续进行熔炼，当熔炼设备的坩埚内自耗电极质量剩余40kg～60kg时，开始进行收弧操作：逐步降低熔炼电流，依次在13ka～18ka保持1min、12ka～16ka保持1min、11ka～13ka保持至熔完，同时逐步降低稳弧电流，依次在10a～20a保持1min、6a～10a保持1min、4a～6a保持至熔完，同时逐步降低电弧电压，依次在32v～34v保持1min、30v～32v保持1min、27v～28v保持至熔完，得到钛合金半成品铸锭。
16.本发明针对不同直径的坩埚选取不同的自耗电极质量、熔炼电流、稳弧电流、电弧电压，即在var法熔炼后期，通过缓慢降低熔炼电流使熔池逐渐变浅，促进挥发物等杂质顺
利排出，同时降低电弧电压以减小弧距，改善熔池径向的温度梯度，防止熔池边部过快凝固收缩，同时降低稳弧电流以减弱搅拌强度，以减小凝壳高度，并促进电弧径向的扩展，也有改善熔池径向的温度梯度、防止熔池边部过快凝固收缩的作用，进一步预防消除钛合金半成品铸锭头部挥发物及氧化物产生的低密度夹杂，改善了钛合金铸锭的质量。
17.上述的一种消除钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源的方法，其特征在于，步骤二中所述车削平头处理的具体过程为：采用车床对半成品铸锭冒口端面进行车削机加平飞边处理，同时避免使用冷却液或对飞边进行火割处理，当车削平头后半成品铸锭的棱角部位存在氧化物，则对端面棱角进行倒角处理，且倒角不大于20mm
×
45
°
。由于半成品铸锭的冒口端面平整、无缝隙，本发明直接采用车床进行车削平头即可去除飞边，且在车削过程中避免使用冷却液以引入污染，同时严禁对飞边进行火割处理以引入氧化物，进一步改善了钛合金铸锭的质量。
18.上述的一种消除钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源的方法，其特征在于，步骤三中所述检查并去除残留物的过程为：采用目视检查钛合金半成品铸锭的端面及棱角部分，并采用人工方法去除附着、粘连的屑状、颗粒状、块状残留物。通过目视检查即可及时发现残留物并去除，简单易行。
19.本发明与现有技术相比具有以下优点：
20.1、本发明通过控制钛合金半成品铸锭熔炼后期收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数，结合车削平头处理，使得半成品铸锭冒口端面平整无缝隙，避免了钛合金半成品铸锭冒口端面出现缝隙渗入挥发物、夹杂物产生局部富集且无法发现、去除，并在后续熔炼中产生低密度夹杂等冶金缺陷，从源头上消除了钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源。
21.2、本发明通过对钛合金半成品铸锭的冒口表面状况及车削平头处理后的标准提出了明确要求，从源头上消除了钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源风险，有利于钛合金半成品铸锭质量标准的建立，进而实现对钛合金半成品铸锭质量的有效控制。
22.3、本发明首先提出钛合金半成品铸锭冒口端面的低密度夹杂风险，并首次明确提出针对不同规格的钛合金半成品铸锭制定不同的收弧工艺参数，通过控制收弧工艺参数以防止铸锭冒口端面的挥发物、夹杂物进入铸锭冒口端面的缝隙而产生低密度夹杂的风险，从而有效预防并消除了钛合金半成品铸锭头部挥发物及氧化物产生的低密度夹杂。
23.4、本发明通过控制收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、稳弧电流、电弧电压、出水温度等工艺参数，促进了挥发物等杂质的顺利排出，避免过快凝固的收缩作用，进一步消除钛合金半成品铸锭头部挥发物及氧化物产生的低密度夹杂，改善了钛合金铸锭的质量，适用于同吨位的真空自耗电弧炉熔炼不同牌号的钛合金。
24.5、本发明的控制过程简单，容易实现，适宜于批量化工业生产。
25.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
26.图1为现有技术中钛合金半成品铸锭冒口端面的实物图。
27.图2为现有技术中钛合金半成品铸锭冒口端面经车削平头处理后的实物图。
28.图3为现有技术中钛合金半成品铸锭冒口端面的缝隙中渗入夹杂物的实物图。
29.图4为本发明实施例1中钛合金半成品铸锭经车削平头处理后的实物图。
具体实施方式
30.如图1～图3所示，现有技术中钛合金半成品铸锭冒口端面的飞边上存在着挥发物、氧化物等残留物，经车削处理后，钛合金半成品铸锭冒口端面中仍存在缝隙，同时，由于未对熔炼过程中的收弧方法进行控制，钛合金半成品铸锭冒口端面的缝隙中渗入氧化物等夹杂物。
31.实施例1
32.本实施例包括以下步骤：
33.步骤一、var熔炼法制备钛合金铸锭的过程中，在制备钛合金半成品铸锭的熔炼后期，通过控制收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数，得到冒口端面平整、无缝隙的钛合金半成品铸锭；
34.所述控制收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数的具体过程包括以下步骤：
35.步骤101、在熔炼设备的坩埚内自耗电极质量剩余200kg时，控制熔炼用结晶器的出水温度为40℃；所述坩埚的直径为500mm；
36.步骤102、增加电弧电压0.5v，以促进结晶器内的自耗电极形成的液态熔池与结晶器内壁充分接触；
37.步骤103、继续进行熔炼，当熔炼设备的坩埚内自耗电极质量剩余40kg时，开始进行收弧操作：逐步降低熔炼电流，依次在13ka保持1min、12ka保持1min、11ka保持至熔完，同时逐步降低稳弧电流，依次在10a保持1min、6a保持1min、4a保持至熔完，同时逐步降低电弧电压，依次在32v保持1min、30v保持1min、27v保持至熔完，得到钛合金半成品铸锭；
38.步骤二、采用车床对步骤一中得到的钛合金半成品铸锭冒口端面进行车削平头处理，控制转速为8r/min，使得钛合金半成品铸锭冒口端面平整、无缝隙、无飞边、无挥发物、氧化物、夹杂及外来物残留，如图4所示；
39.所述车削平头处理的具体过程为：采用车床对半成品铸锭冒口端面进行车削机加平飞边处理，同时避免使用冷却液或对飞边进行火割处理，当车削平头后半成品铸锭的棱角部位存在氧化物，则对端面棱角进行倒角处理，且倒角不大于20mm
×
45
°
；
40.步骤三、对步骤二中经车削平头处理后的半成品铸锭采用目视检查半成品铸锭的端面及棱角部分，并采用人工方法去除附着、粘连的屑状、颗粒状、块状残留物，然后进行后续熔炼，得到钛合金铸锭。
41.将图1～图3与图4进行比较可知，本发明通过控制半成品铸锭熔炼后期的预留自耗电极质量、收弧工艺的熔炼电流、电压、稳弧参数，结合车削平头处理，得到冒口端面平整、无缝隙、无飞边、无挥发物、氧化物、夹杂及外来物残留的半成品铸锭，从源头上消除了钛合金铸锭低密度夹杂缺陷来源。
42.实施例2
43.本实施例包括以下步骤：
44.步骤一、var熔炼法制备钛合金铸锭的过程中，在制备钛合金半成品铸锭的熔炼后期，通过控制收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数，得到冒口端面平
整、无缝隙的钛合金半成品铸锭；
45.所述控制收弧工艺的预留自耗电极质量、熔炼电流、电压、稳弧参数的具体过程包括以下步骤：
46.步骤101、在熔炼设备的坩埚内自耗电极质量剩余300kg时，控制熔炼用结晶器的出水温度为41℃；所述坩埚的直径为640mm；
47.步骤102、增加电弧电压1v，以促进结晶器内的自耗电极形成的液态熔池与结晶器内壁充分接触；
48.步骤103、继续进行熔炼，当熔炼设备的坩埚内自耗电极质量剩余60kg时，开始进行收弧操作：逐步降低熔炼电流，依次在18ka保持1min、16ka保持1min、13ka保持至熔完，同时逐步降低稳弧电流，依次在20a保持1min、10a保持1min、6a保持至熔完，同时逐步降低电弧电压，依次在34v保持1min、32v保持1min、28v保持至熔完，得到钛合金半成品铸锭；
49.步骤二、采用车床对步骤一中得到的钛合金半成品铸锭冒口端面进行车削平头处理，控制转速为8r/min，使得钛合金半成品铸锭冒口端面平整、无缝隙、无飞边、无挥发物、氧化物、夹杂及外来物残留；
50.所述车削平头处理的具体过程为：采用车床对半成品铸锭冒口端面进行车削机加平飞边处理，同时避免使用冷却液或对飞边进行火割处理，当车削平头后半成品铸锭的棱角部位存在氧化物，则对端面棱角进行倒角处理，且倒角不大于20mm
×
45
°
；
51.步骤三、对步骤二中经车削平头处理后的半成品铸锭采用目视检查半成品铸锭的端面及棱角部分，并采用人工方法去除附着、粘连的屑状、颗粒状、块状残留物，然后进行后续熔炼，得到钛合金铸锭。
52.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。