一种TA22钛合金铸锭的制备方法与流程

一种ta22钛合金铸锭的制备方法
技术领域
1.本发明属于钛合金制备技术领域，具体涉及一种ta22钛合金铸锭的制备方法。


背景技术：

2.ta22(又称ti31)钛合金名义成分为ti-3al-1mo-1ni-1zr，目前，工业化生产普遍采用海绵钛、铝豆、铝钼合金、钛镍合金、海绵锆为原料，经var法(真空自耗电弧炉熔炼)熔炼铸锭。其中，镍元素以钛镍合金合金形式加入，而市场上并没有中间合金厂家生产的钛合金专用钛镍合金，实际能使用的仅为成品钛镍丝材。与专用钛合金用中间合金相比，采用钛镍合金生产ta22铸锭有以下缺点：(1)钛镍合金为成品丝材，价格昂贵，目前单价约为800元/kg(随市场价格波动)，不利于降低钛合金的制造成本；(2)对于钛合金生产来说，钛镍合金丝材无法满足var法制备铸锭时压制电极的要求，不能直接使用，需要进行剪切加工；但目前市场无专用的剪切设备，需进行人工剪切，生产效率很低，严重影响ta22铸锭的交付周期。


技术实现要素：

3.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ta22钛合金铸锭的制备方法。该方法通过采用镍钼合金代替钛镍合金作为镍元素来源，节约了原料成本，且无需剪切加工而是直接分散加入，大大提高了生产效率，缩短了生产周期，结合控制var熔炼工艺，促进了var熔炼过程中原料的熔化及均匀扩散，防止镍元素偏析，制备得到高品质、无冶金缺陷的ta22钛合金铸锭，改善了ta22钛合金铸锭的质量。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种ta22钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
5.步骤一、根据目标产物ta22钛合金铸锭的设计成分，采用海绵钛、铝豆、铝钼合金、镍钼合金、海绵锆为原料压制电极块；
6.步骤二、采用真空等离子焊箱对步骤一中压制的电极块进行组焊，得到自耗电极；步骤二中所述组焊的具体过程为：将电极块码块后采用夹具固定并紧密排列，然后推入真空等离子焊箱中，关闭箱门后抽真空并调节压升率，再通入氩气开始焊接，焊接完成后冷却出炉；
7.步骤三、采用真空自耗电弧炉对步骤二中得到的自耗电极进行三次以上的var熔炼，得到ta22钛合金铸锭；所述三次以上的var熔炼的具体过程包括以下步骤：
8.步骤301、将尺寸直径
×
高度为500mm
×
2600mm的坩埚与底垫装配后装入熔炼工位，然后将自耗电极装入坩埚中固定，并封炉抽真空；
9.步骤302、将步骤301中经抽真空后的自耗电极与辅助电极在真空自耗电弧炉内进行焊接，控制焊前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka，焊接后得到一次焊接电极，冷却40min以上后出炉检查；
10.步骤303、将步骤302中得到的一次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真
空，控制熔前真空度不超过5pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行一次熔炼，得到一次铸锭；所述一次熔炼的电压为34v～35v；
11.步骤304、采用洗锭机对步骤303中得到的一次铸锭进行清洗，然后采用车床进行机加平头至飞边不超过5mm，再与辅助电极放置于真空自耗电弧炉内进行焊接，控制熔前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka，焊接后得到二次焊接电极，冷却60min以上后出炉检查；
12.步骤305、将步骤304中得到的二次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真空，控制熔前真空度不超过5pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行二次熔炼，得到二次铸锭；所述二次熔炼的电压为33v～34v；
13.步骤306、采用洗锭机对步骤305中得到的二次铸锭进行清洗，然后采用车床进行机加平头至飞边不超过5mm，再与辅助电极放置于真空自耗电弧炉内进行焊接，控制熔前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka，焊接后得到三次焊接电极，冷却60min以上后出炉检查；
14.步骤307、将步骤306中得到的三次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真空，控制熔前真空度不超过1.33pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行产品熔炼，熔炼后期进行补缩，得到ta22钛合金铸锭；所述产品熔炼的电压为33v～34v。
15.本发明采用海绵钛、铝豆、铝钼合金、镍钼合金、海绵锆为原料，压制成电极块后组焊并进行var熔炼制备ta22钛合金铸锭，通过采用镍钼合金(目前单价约为350元/kg)代替传统的钛镍合金(目前单价约为800元/kg)作为镍元素来源，节约了原料成本(预计降低5000元/吨产品)，且无需剪切加工而是直接分散加入，大大提高了生产效率；同时，针对于镍钼合金熔点较高的特性，本发明首先通过控制镍钼合金的粒度以促进其充分熔化，结合控制熔炼的坩埚规格较小，以控制产品铸锭的尺寸规格，促进各元素的分散均匀，避免产品铸锭中易偏析元素镍产生宏观偏析；然后通过至少三次以上的var熔炼，分别控制一次熔炼、二次熔炼和成品熔炼的电压、稳弧搅拌参数，控制一次熔炼时保持合适的熔炼速度，促进海绵钛中的杂质充分挥发去除，同时防止组焊的自耗电极焊缝处出现掉渣、掉块现象，控制二次熔炼时维持适当的熔池温度，促进高熔点杂质的熔化及合金元素扩散均匀，控制成品熔炼时维持较浅的熔池深度及适宜的温度梯度，防止镍元素偏析，同时熔池得到适当的搅拌以细化晶粒，得到铸态晶粒形态及分布良好，内部无气孔、夹杂等冶金缺陷、表面质量良好的铸锭；通常，在每次熔炼时均采取逐步降低熔炼电流的方式，以维持稳定的熔炼速度、熔池深度，防止熔炼后期熔池深度加大而导致偏析趋势增加；另外，本发明在成品熔炼的熔炼后期进行补缩，控制合适的自耗电极预留质量，且电流、电压按特定方式逐步降低，以控制合理的补缩时间，进一步防止镍元素在ta22钛合金铸锭头部产生偏析；本发明通过控制var熔炼的工艺参数，促进了var熔炼过程中原料的熔化及均匀扩散，防止了镍元素偏析，制备得到高品质、无冶金缺陷的ta22钛合金铸锭，改善了ta22钛合金铸锭的质量。
16.上述的一种ta22钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述镍钼合金的牌号为nimo30，镍钼合金中各元素的质量含量为：mo27.5％～29.0％，fe≤0.10％，o≤0.10％，c≤0.05％，si≤0.15％，其他单一元素w、pb、cu、sn、zr、y均不超过0.10％，其余为镍。本发明通过优选镍钼合金的牌号为nimo30，并对镍钼合金中的化学成分进行控制，使得其成分配比满足ta22钛合金铸锭的配料要求，有效控制了ta22钛合金铸锭中的杂质元素含
量，保证了ta22钛合金铸锭的质量。
17.上述的一种ta22钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述镍钼合金为尺寸宽
×
长
×
厚为(5～12)mm
×
(5～15)mm
×
(0.5～1)mm的屑状。本发明通过对镍钼合金的形状及规格尺寸进行限定，提高了后续压制电极时布料的均匀性，同时有利于var熔炼过程中原料的充分熔化与均匀扩散。
18.上述的一种ta22钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中压制电极前将镍钼合金进行表面处理至表面洁净，无目视可见的油污、氧化膜及其他金属和非金属夹杂物。本发明通过预先将镍钼合金进行表面处理，以去除其表面的油污、氧化膜及夹杂物，避免原料中引入杂质，进一步保证了ta22钛合金铸锭的质量。
19.上述的一种ta22钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述镍钼合金作为多炉次原料组批使用时，不同批次的镍钼合金中mo的质量含量差别应小于0.5％。本发明通过控制组批使用时不同批次的镍钼合金中mo含量差别，减少了镍钼合金原料提供的镍元素的含量差别，有效控制了ta22钛合金铸锭中镍元素含量的均一性。
20.上述的一种ta22钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述压制的具体过程为：采用自动称重混布料装置将所有原料进行自动称重并进行混料，然后加入压机模腔，采用50mn油压机压制得到密度不小于3.3g/cm3的电极块。
21.上述的一种ta22钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤三中所述一次熔炼的电流为13ka～17ka，二次熔炼的电流为20ka～24ka，产品熔炼的电流为22ka～26ka。
22.本发明与现有技术相比具有以下优点：
23.1、本发明通过采用镍钼合金代替传统的钛镍合金作为镍元素来源，节约了原料成本，且无需剪切加工而是直接分散加入，大大提高了生产效率，缩短了生产周期，结合控制var熔炼工艺，促进了var熔炼过程中原料的熔化及均匀扩散，防止镍元素偏析，制备得到高品质、无冶金缺陷的ta22钛合金铸锭，改善了ta22钛合金铸锭的质量。
24.2、本发明通过对镍钼合金中的化学成分进行控制，使得其成分配比满足ta22钛合金铸锭的配料要求，有效控制了ta22钛合金铸锭中的杂质元素含量，保证了ta22钛合金铸锭的质量。
25.3、本发明通过对镍钼合金的形状及规格尺寸进行限定，提高了后续压制电极时布料的均匀性，同时有利于var熔炼过程中原料的充分熔化与均匀扩散，进而得到元素含量均匀分布的ta22钛合金铸锭，进一步提高了ta22钛合金铸锭的质量。
26.4、本发明通过控制var熔炼的工艺参数，有效控制了各熔炼过程，促进了var熔炼过程中原料的熔化及均匀扩散，防止了镍元素偏析，制备得到高品质、无冶金缺陷的ta22钛合金铸锭，改善了ta22钛合金铸锭的质量。
27.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
28.图1为传统ta22钛合金铸锭制备采用的钛镍合金丝材的实物图。
29.图2为本发明ta22钛合金铸锭制备采用的镍钼合金的实物图。
具体实施方式
30.实施例1
31.本实施例包括以下步骤：
32.步骤一、根据目标产物ta22钛合金铸锭的设计成分ti-3.0al-1.0mo-0.55ni-1.6zr，采用海绵钛、铝豆、铝钼合金、镍钼合金、海绵锆为原料，采用自动称重混布料装置将所有原料进行自动称重并进行混料90s，然后加入压机模腔，采用50mn油压机在压力为26mpa下压制10s，得到单重55.6kg、密度3.3g/cm3的电极块；
33.所述镍钼合金的牌号为nimo30，镍钼合金中各元素的质量含量为：mo 27.5％，fe≤0.10％，o≤0.10％，c≤0.05％，si≤0.15％，其他单一元素w、pb、cu、sn、zr、y均不超过0.10％，其余为镍；所述镍钼合金为尺寸宽
×
长
×
厚为(5～12)mm
×
(5～15)mm
×
(0.5～1)mm的屑状，如图2所示，且采用前将镍钼合金进行表面处理至表面洁净，无目视可见的油污、氧化膜及其他金属和非金属夹杂物；
34.步骤二、采用真空等离子焊箱对步骤一中压制的电极块进行组焊：先将电极块按2
×
10节进行码块，并采用夹具固定，使其紧密排列，然后推入真空等离子焊箱中，关闭箱门后抽真空并调节压升率，待炉室真空度不超过5pa、漏气率不超过3pa/min时充入氩气至压力表显示值为-0.03mpa，停止充入氩气并采用380a的焊接电流开始焊接，焊接完成后冷却20min以上出炉，得到自耗电极；
35.步骤三、采用德国ald公司造8吨真空自耗电弧炉对步骤二中得到的自耗电极进行三次var熔炼，得到ta22钛合金铸锭；所述三次var熔炼的具体过程包括以下步骤：
36.步骤301、将尺寸直径
×
高度为500mm
×
2600mm的坩埚与底垫装配后装入熔炼工位，然后将自耗电极装入坩埚中固定，并封炉抽真空；
37.步骤302、将步骤301中经抽真空后的自耗电极与辅助电极在真空自耗电弧炉内进行焊接，控制焊前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka且缓慢上升，焊接后得到一次焊接电极，冷却40min以上后出炉检查；
38.步骤303、将步骤302中得到的一次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真空，控制熔前真空度不超过5pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行一次熔炼，得到一次铸锭；所述一次熔炼的电流为15ka～13ka且逐步下降，电压为34v；
39.步骤304、采用洗锭机对步骤303中得到的一次铸锭进行清洗去除表面挥发物，然后采用车床进行机加平头去除头伏挥发物、夹杂物至飞边不超过5mm，再与辅助电极放置于真空自耗电弧炉内进行焊接，控制熔前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka且缓慢上升，焊接后得到二次焊接电极，冷却60min以上后出炉检查；
40.步骤305、将步骤304中得到的二次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真空，控制熔前真空度不超过5pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行二次熔炼，得到二次铸锭；所述二次熔炼的电流为22ka～20ka且缓慢下降，电压为33v；
41.步骤306、采用洗锭机对步骤305中得到的二次铸锭进行清洗去除表面挥发物，然后采用车床进行机加平头去除头伏挥发物、夹杂物至飞边不超过5mm，再与辅助电极放置于在真空自耗电弧炉内进行焊接，控制熔前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka且缓慢上升，焊接后得到三次焊接电极，冷却60min以上后出炉检查；
42.步骤307、将步骤306中得到的三次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真
空，控制熔前真空度不超过1.33pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行产品熔炼，熔炼后期进行补缩，得到ta22钛合金铸锭；所述产品熔炼的电流为24ka～22ka且缓慢下降，电压为33v。
43.实施例2
44.本实施例包括以下步骤：
45.步骤一、根据目标产物ta22钛合金铸锭的设计成分ti-3.2al-1.1mo-0.55ni-1.7zr，采用海绵钛、铝豆、铝钼合金、镍钼合金、海绵锆为原料，采用自动称重混布料装置将所有原料进行自动称重并进行混料90s，然后加入压机模腔，采用50mn油压机在压力为26mpa下压制10s，得到单重57.5kg、密度3.3g/cm3的电极块；
46.所述镍钼合金的牌号为nimo30，镍钼合金中各元素的质量含量为：mo 29.0％，fe≤0.10％，o≤0.10％，c≤0.05％，si≤0.15％，其他单一元素w、pb、cu、sn、zr、y均不超过0.10％，其余为镍；所述镍钼合金为尺寸宽
×
长
×
厚为(5～12)mm
×
(5～15)mm
×
(0.5～1)mm的屑状，如图2所示，且采用前将镍钼合金进行表面处理至表面洁净，无目视可见的油污、氧化膜及其他金属和非金属夹杂物；
47.步骤二、采用真空等离子焊箱对步骤一中压制的电极块进行组焊：先将电极块按2
×
10节进行码块，并采用夹具固定，使其紧密排列，然后推入真空等离子焊箱中，关闭箱门后抽真空并调节压升率，待炉室真空度不超过5pa、漏气率不超过3pa/min时充入氩气至压力表显示值为-0.03mpa，停止充入氩气并采用380a的焊接电流开始焊接，焊接完成后冷却20min以上出炉，得到自耗电极；
48.步骤三、采用德国ald公司造8吨真空自耗电弧炉对步骤二中得到的自耗电极进行三次var熔炼，得到ta22钛合金铸锭；所述三次var熔炼的具体过程包括以下步骤：
49.步骤301、将尺寸直径
×
高度为500mm
×
2600mm的坩埚与底垫装配后装入熔炼工位，然后将自耗电极装入坩埚中固定，并封炉抽真空；
50.步骤302、将步骤301中经抽真空后的自耗电极与辅助电极在真空自耗电弧炉内进行焊接，控制焊前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka且缓慢上升，焊接后得到一次焊接电极，冷却40min以上后出炉检查；
51.步骤303、将步骤302中得到的一次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真空，控制熔前真空度不超过5pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行一次熔炼，得到一次铸锭；所述一次熔炼的电流为17ka～15ka且逐步下降，电压为35v；
52.步骤304、采用洗锭机对步骤303中得到的一次铸锭进行清洗去除表面挥发物，然后采用车床进行机加平头去除头伏挥发物、夹杂物至飞边不超过5mm，再与辅助电极放置于真空自耗电弧炉内进行焊接，控制熔前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka且缓慢上升，焊接后得到二次焊接电极，冷却60min以上后出炉检查；
53.步骤305、将步骤304中得到的二次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真空，控制熔前真空度不超过5pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行二次熔炼，得到二次铸锭；所述二次熔炼的电流为24ka～22ka且缓慢下降，电压为34v；
54.步骤306、采用洗锭机对步骤305中得到的二次铸锭进行清洗去除表面挥发物，然后采用车床进行机加平头去除头伏挥发物、夹杂物至飞边不超过5mm，再与辅助电极放置于在真空自耗电弧炉内进行焊接，控制熔前真空度不超过10pa，焊接电流为2ka～15ka且缓慢
上升，焊接后得到三次焊接电极，冷却60min以上后出炉检查；
55.步骤307、将步骤306中得到的三次焊接电极送入真空自耗电弧炉内重新封炉抽真空，控制熔前真空度不超过1.33pa，漏气率不超过0.6pa/min，然后送电起弧进行产品熔炼，熔炼后期进行补缩，得到ta22钛合金铸锭；所述产品熔炼的电流为26ka～24ka且缓慢下降，电压为34v。
56.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。