自耗电极及其制备方法和在钛合金铸锭熔炼成型中的应用技术

一种自耗电极及其制备方法和在钛合金铸锭熔炼成型中的应用，该自耗电极包括沿轴向设有通孔的自耗电极主体及插设于通孔中的反偏析芯棒；反偏析芯棒中各元素的种类与自耗电极主体中各元素的种类相同；当自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，同种正偏析元素在反偏析芯棒中的重量含量低于其在自耗电极主体中的重量含量，同种负偏析元素在反偏析芯棒中的重量含量高于其在自耗电极主体中的重量含量。该自耗电极切合了偏析元素在凝固过程中的偏析规律，创造性地解决了自耗电极在熔池冷凝过程中所产生的元素偏析问题，从而提高了合金铸锭的品质稳定性。

Self consumable electrode and its preparation method and its application in the melting and molding of titanium alloy ingot

A consumable electrode and a preparation method thereof and in titanium alloy ingot melting molding application, the consumable electrode includes a through hole is arranged along the axial direction of the consumable electrode body and inserted into the hole of the anti segregation rod; different elements in the anti segregation mandrel and consumable electrode in the body of each element the same type; when contain positive segregation elements and / or negative segregation element of consumable electrode in the body when the weight content of same positive segregation elements in the anti segregation of mandrel on the consumable electrode is lower than the content in the body weight, the weight content of the same negative segregation element in the anti segregation of mandrel on the consumable electrode was higher than that of the body weight. The consumable electrode meets the segregation rule of segregation elements during solidification process, creatively solves the element segregation problem of consumable electrode in the process of condensing, thus improving the quality and stability of alloy ingot.

【技术实现步骤摘要】
自耗电极及其制备方法和在钛合金铸锭熔炼成型中的应用
本专利技术涉及合金铸造
，特别是涉及一种自耗电极及其制备方法和在钛合金铸锭熔炼成型中的应用。
技术介绍
随着钛合金等合金材料在航空、航天、海洋、化工及医疗等诸多领域的应用越来越广泛，在合金铸造方面中元素偏析严重导致合金材料品质不均的问题越来越受关注。例如，钛合金多采用真空自耗电弧(英文简称VAR)熔炼的方式将海绵钛及各种中间合金或单质元素材料熔化凝固生产成为铸锭，由于VAR熔炼过程本身对坩埚气密性及熔池的稳定性有极高的要求，实际熔炼过程中很难通过搅拌的方式来控制合金成分的均匀性，因此海绵钛及各种合金元素都要经过混料、压制、焊接等流程制备成为成分较均匀的自耗电极，再进行VAR熔炼，但该方法仍然无法克服在熔池冷凝过程中所产生的元素偏析问题，生产得到的合金铸锭品质仍然不稳定。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种能够提高合金铸锭品质稳定性的自耗电极及其制备方法和在钛合金铸锭熔炼成型中的应用。一种自耗电极，包括沿轴向设有通孔的自耗电极主体及插设于所述通孔中的反偏析芯棒；所述反偏析芯棒中各元素的种类与所述自耗电极主体中各元素的种类相同；当所述自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，同种正偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量低于其在所述自耗电极主体中的重量含量，同种负偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量高于其在所述自耗电极主体中的重量含量。本申请人发现，在熔池冷凝过程中自耗电极的中心部分的温度高于自耗电极的边缘部分会导致正偏析元素从自耗电极的边缘向中心部分聚集。常规的减少偏析的方法是扩大温度梯度以提高凝固速度或者提高铸模的热辐射速度。而本申请创造性地将自耗电极设计成自耗电极主体及反偏析芯棒的组合结构。该自耗电极切合了偏析元素在凝固过程中的偏析规律，创造性地解决了自耗电极在熔池冷凝过程中所产生的元素偏析问题，从而提高了合金铸锭的品质稳定性；同时打破了在自耗电极熔炼过程中以人工方式添加含有偏析元素的合金包的传统反偏析布料方式，避免了合金包掉落熔池内导致熔池溶液不稳影响合金铸锭品质的问题，也省去了制备含有偏析元素的合金包及人工布料的步骤，另外也避免了人工布料不均精度难以控制及生产效率低下的问题，从而简化了布料操作，提高了生产效率。在其中一个实施例中，所述反偏析芯棒的长度大于所述自耗电极本体的长度；所述自耗电极的反偏析芯棒与自耗电极主体在一端齐平以用于在熔炼起弧时与真空自耗电极电弧炉的炉底相对设置，在另一端所述反偏析芯棒露出于所述自耗电极本体以用于固定。在其中一个实施例中，当所述自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，从所述自耗电极齐平的一端至另一端，所述自耗电极主体中同种正偏析元素的重量含量逐渐降低，所述自耗电极主体中同种负偏析元素的重量含量逐渐增加。在其中一个实施例中，所述自耗电极主体由多个设有通孔的电极块单元依次贴合并焊接而成；且当所述自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，从所述自耗电极齐平的一端至另一端，多个所述电极块单元含有的同种正偏析元素对应的重量含量逐渐降低，多个所述电极块单元含有的同种负偏析元素对应的重量含量逐渐增加。在其中一个实施例中，所述电极块单元包括多个子电极块，多个所述子电极块沿周向拼接形成所述电极块单元。在其中一个实施例中，当所述反偏析芯棒及所述自耗电极主体中含有的正偏析元素为铁、铜和铬中的至少一种时，同种正偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量为其在所述自耗电极主体中的重量含量的40％～60％；当所述反偏析芯棒及所述自耗电极主体中含有的负偏析元素为钼、铌和钽中的至少一种时，同种负偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量为其在所述自耗电极主体中的重量含量的140％～180％。在其中一个实施例中，当所述反偏析芯棒及所述自耗电极主体中含有的正偏析元素为铁和铜中的至少一种时，同种正偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量为其在所述自耗电极主体中的重量含量的50％～55％。在其中一个实施例中，当所述反偏析芯棒及所述自耗电极主体中含有的负偏析元素为钼和铌中的至少一种时，同种负偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量为其在所述自耗电极主体中的重量含量的160％～180％。一种上述自耗电极的制备方法，包括以下步骤：根据自耗电极对应的待制备的合金铸锭所需各元素的种类及含量配置自耗电极主体的原料，并将所述自耗电极主体的原料制成所述自耗电极主体；根据自耗电极对应的待制备的合金铸锭所需各元素的种类配置所述反偏析芯棒的原料，并将所述反偏析芯棒的原料制成所述反偏析芯棒；将所述反偏析芯棒插入所述自耗电极主体的所述通孔中，制得自耗电极。一种上述自耗电极在钛合金铸锭熔炼成型中的应用。附图说明图1为一实施方式的自耗电极的结构图；图2为图1所示自耗电极的自耗电极本体的结构图；图3为图1所示自耗电极的反偏析芯棒的结构图；图4为图1所示自耗电极的电极块单元的结构图；图5为图1所示自耗电极在真空自耗电极电弧炉中熔炼成型的示意图；图6～7为实施例1～5、实施例a～e、对比例1及对比例a得到的钛合金铸锭中进行化学成分分析时取样位置的示意图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将对本专利技术进行更全面的描述，并给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。参照图1，一实施例方式的自耗电极100，包括沿轴向设有通孔的自耗电极主体110及插设于通孔中的反偏析芯棒120。参照图2～3，反偏析芯棒120中各元素的种类与自耗电极主体110中各元素的种类相同。当自耗电极主体110中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，同种正偏析元素在反偏析芯棒120中的重量含量低于其在自耗电极主体110中的重量含量，同种负偏析元素在反偏析芯棒120中的重量含量高于其在自耗电极主体110中的重量含量。本申请人发现，在熔池冷凝过程中自耗电极100的中心部分的温度高于自耗电极100的边缘部分会导致正偏析元素从自耗电极100的边缘向中心部分聚集。常规的减少偏析的方法是扩大温度梯度以提高凝固速度或者提高铸模的热辐射速度。而本申请创造性地将自耗电极100设计成自耗电极主体110及反偏析芯棒120的组合结构。该自耗电极100切合了偏析元素在凝固过程中的偏析规律，创造性地解决了自耗电极100在熔池冷凝过程中所产生的元素偏析问题，从而提高了合金铸锭的品质稳定性；同时打破了在自耗电极100熔炼过程中以人工方式添加含有偏析元素的合金包的传统反偏析布料方式，避免了合金包掉落熔池内导致熔池溶液不稳影响合金铸锭品质的问题，也省去了制备含有偏析元素的合金包及人工布料的步骤，另外也避免了人工布料不均精度难以控制及生产效率低下的问题，从而简化了布料操作，提高了生产效率。该自耗电极100可使铁、铜、铬、钼、铌和钽等偏析元素添加到钛合金中，替代传统方法通常采用价格昂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自耗电极，其特征在于，包括沿轴向设有通孔的自耗电极主体及插设于所述通孔中的反偏析芯棒；所述反偏析芯棒中各元素的种类与所述自耗电极主体中各元素的种类相同；当所述自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，同种正偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量低于其在所述自耗电极主体中的重量含量，同种负偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量高于其在所述自耗电极主体中的重量含量。

【技术特征摘要】
1.一种自耗电极，其特征在于，包括沿轴向设有通孔的自耗电极主体及插设于所述通孔中的反偏析芯棒；所述反偏析芯棒中各元素的种类与所述自耗电极主体中各元素的种类相同；当所述自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，同种正偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量低于其在所述自耗电极主体中的重量含量，同种负偏析元素在所述反偏析芯棒中的重量含量高于其在所述自耗电极主体中的重量含量。2.如权利要求1所述的自耗电极，其特征在于，所述反偏析芯棒的长度大于所述自耗电极本体的长度；所述自耗电极的反偏析芯棒与自耗电极主体在一端齐平以用于在熔炼起弧时与真空自耗电极电弧炉的炉底相对设置，在另一端所述反偏析芯棒露出于所述自耗电极本体以用于固定。3.如权利要求2所述的自耗电极，其特征在于，当所述自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，从所述自耗电极齐平的一端至另一端，所述自耗电极主体中同种正偏析元素的重量含量逐渐降低，所述自耗电极主体中同种负偏析元素的重量含量逐渐增加。4.如权利要求3所述的自耗电极，其特征在于，所述自耗电极主体由多个设有通孔的电极块单元依次贴合并焊接而成；且当所述自耗电极主体中含有正偏析元素和/或负偏析元素时，从所述自耗电极齐平的一端至另一端，多个所述电极块单元含有的同种正偏析元素对应的重量含量逐渐降低，多个所述电极块单元含有的同种负偏析元素对应的重量含量逐渐增加。5.如权利要求4所述的自耗电极，其特征在于，所述电极块单元包括多个子电极块，多个所述子电极块沿周向拼接形成所述电极块单元。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦毅柱，张宏岭，崔瑞，胡珊珊，陆威，
申请(专利权)人：湖南金天钛业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43