一种高品质钛合金铸锭及其生产方法与流程

1.本发明属于钛合金冶炼工程技术领域，具体涉及了一种高品质钛合金铸锭及其生产方法。


背景技术：

2.我国钛工业经过十多年的高速发展，产能严重过剩，钛材的通用主流产品供大于求，如tc4等合金，而在主流的产品加工形成的钛屑、锭头尾、板条等量非常大，同时在加工的过程中易受到污染而无法重复利用。在传统的焊接电极的方法对钛材进行应用，对钛材的尺寸及原料的纯净度要求高，钛料的利用率有限，导致原材料综合成材率低，钛材的生产成本高，进而限制了钛材的应用。
3.传统的真空自耗电弧炉（以下简称var炉）生产钛合金，工艺简单，但需要多次熔铸，成材率低、生产成本高，且存在高密度夹杂（hdi）和低密度夹杂（ldi）难以去除的工艺难题，给后续材料的使用留下严重安全隐患。
4.国内生产出的主流钛合金，在机加工容易产生污染，被污染后的钛屑、锭头尾、板条等量非常大，同时在加工的过程中易受到污染而无法重复利用。同时因主流的钛合金量非常大，其它的合金生产一般需采用定制的方式，生产周期比较长，特别是物料准备时间占铸锭生产周期40%以上，为了缩短生产周期，并采用现有主流的钛屑、锭头尾、板等被污染的物料通过计算实际需要的物料成分及考虑易烧损元素的含量，并添加至凝壳炉的坩埚里，实现一次熔炼。
5.真空自耗电极凝壳炉（以下简称vcf炉），具有可维持正压惰性气体保护，低熔点合金不容易挥发，同时具有精炼提纯的功能，对物料洁净度要求不高，同时凝壳还可有效去除钛合金中含有的hdi和ldi，可获得更洁净的产品。
6.如何基于vcf炉获得更高品质钛合金铸锭，是值得研究的。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明提供一种高品质钛合金铸锭及其生产方法，通过特定的原料配方及利用vcf炉坩埚特点，不但能有效去除钛合金中含有的hdi和ldi，而且能稳定控制钛合金的易挥发合金元素的成分波动，还可实现钛残料综合利用、同时可实现不同合金的调质，增加残料的利用率，拓宽残料的利用市场应用环境，同时实现铸锭锭坯的尺寸根据后续加工的需要进行选择，不但减少对调质料尺寸要求与成品开坯工序，而且可根据市场的需求，制备出可直接为工业化生产的大规格铸锭。并通过电子束冷床炉实现第二次熔炼来调整铸锭锭形。
8.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高品质钛合金铸锭生产方法，包括以下步骤：（1）根据市场的需求牌号及重量的信息，并依据国标确定牌号成分的范围取平均值为基准值；
（2）将需调质重量的钛/钛合金进行取样，并进行成分分析，取分析成分取平均值与基准值进行比较，并将熔炼过程中元素的烧损量添加进去，计算出需添加的元素用量；（3）把需添加的元素用量进行称量，并与需调质的钛/钛合金料按固定的比例放进凝壳炉的坩埚里，并选取规格为φ104~320mm，长度500mm~900mm的钛/钛合金料，与电极棒焊接在一起，并立在坩埚的正上方；（4）把凝壳炉的炉盖盖好，抽真空，对炉体充氩气；（5）待充压完成后，加载电压30~32v，把电极棒下移，当电极棒与凝壳炉坩埚内的炉料接接触并产生电流时，逐步加大电流，当电流加载至10000a时，通过下移电极以保持电流的恒定，待坩埚里的物料完全熔化后，持续保留电流一段时间，使得坩埚里的物料充分熔化，使得坩埚里的密度大的杂质有充分的时间下沉；（6）待坩埚的杂质充分沉降后，把坩埚里的熔化的钛液浇铸到底部密封外壁有水冷的圆形铜结晶，待结晶器里的钛液充分冷却后，即可获得钛/钛合金调质一次钛锭；（7）把经过熔炼的调质一次铸锭作为原料，放置冷阴极7枪电子束冷床炉的进料仓，并采用顺序放置；（8）根据市场的需求进行选择结晶器，并安装；对电子束冷床炉进行抽真空，待真空度达到0.3pa时，启动电子枪进行一次熔炼，即可实现锭形的调控。
9.进一步地，步骤（1）中，国标确定牌号成分的范围取平均值为基准值为国标规定的合金牌号的钛合金成分上限值与下限值之和，取平均值，得出的数值为基准值。
10.进一步地，步骤（2）中，需调质的钛/钛合金进行取样，取样办法为：对单件重量超过10kg，形状规则的物料进行头、中、尾进行取样；对形装不规则的样品采用悬挂法采用上、中、下的方法取样；对于单件重量小于10kg，形状复杂的试样按类别进行抽取3个成分样进行化验。
11.进一步地，步骤（3）中，需添加的元素用量进行称量，添加的元素为单质元素或中间合金元素，添加的重量以当前坩埚物料成分a与需生产合金成分b的差值及熔炼挥发值σ之和为添加量c，即添加量：c=b-a σ。
12.进一步地，步骤（7）中，采用顺序放置是：凝壳炉浇铸的铸锭头、尾摆放在电子束冷床炉中左右料仓的头、尾是保持一致。
13.进一步地，步骤（8）中，根据市场的需求进行选择结晶器，结晶器选择规格为厚210~230mm
×
宽1050~1550mm
×
长1000~11000mm；或者选择规格为直径φ210~620mm
×
长100~11000mm的结晶器。
14.本发明还涉及上述的方法得到的高品质钛合金铸锭。
15.本发明中，步骤（2）、（3）、（5）、（7）为关键步骤，步骤（2）为确认元素的添加量，步骤（3）为物料的称量与排放，步骤（5）为去除调质物料的杂质，步骤（7）为调节铸锭的形状及二次铸锭成分均匀化的关键环节。
16.步骤（2）中，成分分析样不少于3组。
17.步骤（4）中，把凝壳炉的炉盖盖好，进行抽进空至3pa，停止进行抽进空，对炉体进行充氩气，充氩气的压为0.2mpa。
18.步骤（5）中，通过下移电极以保持电流的恒定，待坩埚里的物料完全熔化后，持续保留电流10min，使得坩埚里的物料充分熔化，坩埚里的密度大的杂质有充分的时间下沉。
19.与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明操作方便、能实现钛合金铸锭成分的调质控制，并能通过调质实现多个合金牌号的生产，把主流钛合金生产过程中产生的屑料、边丝、锭头等被污染的物料，实现再回收。并通过凝壳炉的捕捉能力实现污染物的去除，同进通过电子束冷床炉可根据实际的需要浇铸出满足后续加工的铸坯，使产品获得良好的市场竞争能力。
20.本发明的方法中，铸锭成分可调质；铸锭的成分均匀可控；铸锭内无hdi和ldi等铸造缺陷；铸锭可采用不规则的物料；铸锭的锭形可根据后续加工的需要进行选择。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
22.本发明除非另有说明，否则百分号代表的均为质量分数。比例为质量比例，浓度为质量浓度。
23.本实施例中，高品质的体现为高低密度夹杂已被去除，因高低密度夹杂为小概率事件，需人为添加相关的杂质才可获得有效的数据。一般性的机率很难在铸锭当中通过常规的化验或切片的形式找到。能发现的时候已导致重大质量事故或缺陷。理论上来讲通过冷床炉的熔炼成本较高，通过冷床熔炼，可以定义为高品质。
24.实施例1本实施例的高品质钛合金铸锭生产方法，按以下进行：以牌号为单件重量大于10kg，形状规则tc4(ti-6al-4v)圆锭与ta18（ti-3al-2.5v）的钛合金铸坯为例，如表1所示：表1
我们需要生产的合金为ta18（ti-3al-2.5v）1000kg，现有需要调质的tc4(ti-6al-4v)圆锭300kg，对需调质的圆锭进行头、中、尾进行取样，并对al、v元素进行化验，并取平均值，al元素的平均值为5.61，v元素的平均值为4.09。
25.把需要生产的合金ta8（ti-3al-2.5v）的依据国标范围进行取平均值，al元素的平均值为2.75，v元素的平均值为2.25。
26.需生产的重量为1000kg。则需补的al元素重量为（1000
×
2.75-300
×
5.61）/100=10.67kg，al元素有3%的烧损，则补al元素重量为10.67
×
100/(100-3)=10.7kg，需补的v元素重量为（1000
×
2.25-300
×
4.09）/100=10.23kg。无烧损。剩余的ti元素的重量为1000-300-10.67-10.23=679.1kg。
27.把需添加的al、v、ti元素称量好，并把需调质的tc4合金锭放进凝壳炉的坩埚里，并选取规格为φ104mm，长度500mm的tc4棒材与凝壳炉上可上下伸缩的电极棒焊接在一起，立在坩埚的正上方。把凝壳炉的炉盖盖好，进行抽进空至3pa，停止进行抽进空，对炉体进行充氩气，充氩气的压为0.2mpa。
28.待充压完成后，加载上电压32v，把电极棒下移，当电极棒与凝壳炉坩埚内的炉料接接触并产生电流时，逐步加大电流，当电流加载至10000a时。通过下移电极以保持电流的恒定，待坩埚里的物料完全熔化后，持续保留电流10min，使得坩埚里的物料充分熔化，坩埚里的密度大的杂质有充分的时间下沉，待坩埚的杂质充分沉降后，通过浇铸机构把坩埚里的熔化的钛液浇铸到底部密封外壁有水冷的圆形铜结晶时，待结晶器里的钛液充分冷却后，即将原tc4的品质换成低成本优质ta18合金调质一次钛锭。并把经凝壳炉熔炼好的ta18合金调质一次钛锭顺序放进电子束冷床炉左右料仓，选择厚230mm
×
宽1550mm的结晶器，并安装好，对电子束冷床炉进行抽真空，待真空度达到0.3pa时，启动电子枪进行一次熔炼，待其熔炼长度达800mm时，停止熔炼，即可获得经调质的规格为230mm
×
宽1550mm
×
长800mm的
大规格扁锭。
29.实施例2本实施例的高品质钛合金铸锭生产方法，按以下进行：以牌号为单件重量小于10kg，形状不规则ta28(ti-3al)屑料与tb6（ti-10v-2fe-3al）的钛合金铸坯为例，如表2所示：表2我们需要生产的合金为tb6（ti-10v-2fe-3al）1000kg，现有需要调质的ta28(ti-3al)屑料1000kg，对需调质的屑料进行抽取试样，抽样的部位为屑料上、中、下部位进行取样，并对al元素进行化验，并取平均值，al元素的平均值为2.57。
30.把需要生产的合金tb6的依据国标范围进行取平均值，v元素的平均值为10.0，al元素的平均值为3.0，fe元素的平均值为1.9。需生产的重量为1000kg，需补的v元素重量为（1000
×
10.0）/100=100kg，无烧损。需补的fe元素重量为（1000
×
1.9）/100=19.0kg，无烧损。则ta28可添加量为1000
×
（100-10-19-3）/100=851kg。
31.需补的al元素重量为（1000
×
3.0-851
×
2.57）/100=8.13kg，al元素有3%的烧损，则补al元素重量为8.13
×
100/(100-3)=8.38kg，需添加海绵钛21.62kg。把需添加的v、fe、al、ti元素称量好，并把需调质的ta28合金屑放进凝壳炉的坩埚里，并选取ta28屑料用压块机压制成规格为φ104mm，长度500mm的ta28屑料柱与凝壳炉上可上下伸缩的电极棒焊接在一起，立在坩埚的正上方。
32.把凝壳炉的炉盖盖好，进行抽进空至3pa，停止进行抽进空，对炉体进行充氩气，充氩气的压为0.2mpa。待充压完成后，加载上电压32v，把电极棒下移，当电极棒与凝壳炉坩埚内的炉料接接触并产生电流时，逐步加大电流，当电流加载至10000a时。通过下移电极以保持电流的恒定，待坩埚里的物料完全熔化后，持续保留电流10min，使得坩埚里的物料充分熔化，坩埚里的密度大的杂质有充分的时间下沉，待坩埚的杂质充分沉降后，通过浇铸机构
把坩埚里的熔化的钛液浇铸到底部密封外壁有水冷的圆形铜结晶时，待结晶器里的钛液充分冷却后，即将原ta28的品质换成低成本优质tb6合金调质一次钛锭。
33.并把经凝壳炉熔炼好的tb6合金调质一次钛锭顺序放进电子束冷床炉左右料仓，选择直径φ620mm的结晶器，并安装好，对电子束冷床炉进行抽真空，待真空度达到0.3pa时，启动电子枪进行一次熔炼，待其熔炼长度达5000mm时，停止熔炼，即可获得经调质的规格为φ620
×
1200mm的大规格圆锭。
34.实施例3本实施例的高品质钛合金铸锭生产方法，按以下进行：以牌号为单件重量大于10kg，形状规则tc4(ti-6al-4v)圆锭与ta6（ti-5al）的钛合金铸坯为例，如表3所示：表3我们需要生产的合金为tc4（ti-6al-4v）10000kg，现有需要调质的ta6(ti-5al)圆锭9000kg，对需调质的圆锭进行头、中、尾进行取样，并对al、v元素进行化验，并取平均值，al元素的平均值为5.01，v元素全部通过外部添加。
35.把需要生产的合金tc4（ti-6al-4.0v）的依据国标范围进行取平均值，al元素的平均值为6.2，v元素的平均值为4.0。
36.需生产的tc4重量为1000kg。则需补的al元素重量为（10000
×
6.2-9000
×
5.01）/100=169.1kg，al元素有3%的烧损，则补al元素重量为169.1
×
100/(100-3)=174kg，需补的v元素重量为（10000
×
4）/100=400kg。无烧损。剩余的ti元素的重量为10000-9000-174-400=426kg。
37.把需添加的al、v、ti元素称量好，并把需调质的ta6合金锭放进凝壳炉的坩埚里，并选取规格为φ104mm，长度500mm的tc4棒材与凝壳炉上可上下伸缩的电极棒焊接在一起，立在坩埚的正上方。把凝壳炉的炉盖盖好，进行抽进空至3pa，停止进行抽进空，对炉体进行
充氩气，充氩气的压为0.2mpa。
38.待充压完成后，加载上电压32v，把电极棒下移，当电极棒与凝壳炉坩埚内的炉料接接触并产生电流时，逐步加大电流，当电流加载至10000a时。通过下移电极以保持电流的恒定，待坩埚里的物料完全熔化后，持续保留电流10min，使得坩埚里的物料充分熔化，坩埚里的密度大的杂质有充分的时间下沉，待坩埚的杂质充分沉降后，通过浇铸机构把坩埚里的熔化的钛液浇铸到底部密封外壁有水冷的圆形铜结晶时，待结晶器里的钛液充分冷却后，即将原ta6的品质换成低成本优质tc4合金调质一次钛锭。每炉次熔炼2吨一次钛锭，重复5次，并把经凝壳炉熔炼好的tc4合金调质一次钛锭顺序放进电子束冷床炉左右料仓，选择厚230mm
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宽1050mm的结晶器，并安装好，对电子束冷床炉进行抽真空，待真空度达到0.3pa时，启动电子枪进行一次熔炼，待其熔炼长度达10000mm时，停止熔炼，即可获得经调质的规格为230mm
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宽1050mm
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长10000mm的大规格扁锭。
39.以上所述，仅是本发明较佳的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例进行简单的修改、变更以及等效结构的变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。