钛－铝系金属间化合物基合金均匀化熔铸工艺制造技术

本发明专利技术属于合金熔炼技术领域，涉及对Ｔｉ－Ａｌ系金属间化合物熔炼工艺的改进。本发明专利技术的基本特征是采用了真空自耗电弧炉与真空铸造凝壳炉相结合的熔铸工艺，既保证了合金成分的均匀性，又解决了大铸锭的熔炼问题。采用本工艺能为变形加工提供成分均匀、冶金质量优良的铸坯或铸锭，使合金具有优良的可锻性进而使热变形产品具有优良的力学性能。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于合金熔炼
，涉及对Ti-Al系金属间化合物基合金(例如Ti3Al基合金)的熔铸工艺的改进。Ti-Al系金属间化合物基合金(例如Ti3Al、Ti2AlNb、TiAl、TiAl3基合金)由于具有较低的密度、较高的比强度、比刚度和抗氧化性，成为提高航空发动机推重比的理想材料。本世纪七十年代以来，国外对Ti-Al系金属间化合物基合金作了大量研究，并开展了对熔铸、锻造工艺的研究，参见文献Harry A.Lipsitt，Conf.on advance high temperature alloy，USA，1985，P.137。但是Ti-Al系合金的室温塑性低，改善其室温塑性的途径除了加入相当量的β稳定元素和通过热加工细化组织外，改善合金成分的均匀性也是十分重要的，而在热加工前首先必须得到成分均匀的合金铸锭。由于Ti和Al的熔点、比重差别很大，加入Nb、Mo等合金元素后差别就更大，因此寻找使合金成分均匀化的熔铸工艺是研制Ti-Al系金属间化合物基合金的关键问题之一。Ti的化学活泼性很强，液态时与常规的坩埚材料能起激烈的化学反应，因此不能使用常规坩埚熔炼。目前国内、外的Ti-Al系金属间化合物基合金的熔炼工艺是采用真空自耗电弧炉水冷铜坩埚熔炼工艺，将原料(海绵钛以及其他合金元素)混合并压制成适于真空自耗电弧炉安装的棒状电极，装入炉中通电熔炼。为使成分均匀性有一定程度的改进，需要进行多次熔炼。真空自耗电弧炉在熔炼时以原料自身为电极避免了使用非自耗电弧炉时钨电极对合金的污染，而且可以熔炼大铸锭，便于工业化生产，这是其优点所在;其缺点是熔炼出的合金成分的均匀性差。其原因是合金液体在水冷铜坩埚的冷却作用下很快结晶，因此熔炼时熔池深度不大，合金中各种元素很难均匀化分布。实践中采用真空自耗电弧炉熔铸的铸锭其成分的均匀性很难控制。真空铸造壳炉，它具有较大的熔池，合金液的成分较易达到均匀化，但一般只在钛合金铸件(指直接铸成零件)生产中使用这种设备，即不采用这种设备熔炼成铸锭，更不熔炼大铸锭。本专利技术的目的是提供一种Ti-Al系金属间化合物基合金的均匀化熔铸工艺，使用本专利技术工艺熔炼合金既可以解决成分均匀化的问题，又便于进行工业化生产，熔铸大铸锭。本专利技术工艺适用于熔铸提供进行变形加工的铸坯或铸锭。本专利技术的技术方案是一种Ti-Al系金属间化合物基合金的均匀化熔铸工艺，包括配料以及将原料压制成适合于真空熔炼的自耗电极，其特征在于，采用真空自耗电弧炉和真空铸造凝壳炉相结合的熔炼方法，即先使用真空自耗电弧炉熔炼合金，冷却后使用真空铸造凝壳炉再次熔炼合金并直接浇铸出供变形加工(例如锻造、挤压)用的铸坯或铸锭。本专利技术技术方案的第二种情况是先使用真空自耗电弧炉熔炼合金，冷却后使用真空铸造凝壳炉再次熔炼合金并浇铸出棒状铸锭，冷却后再使用真空自耗电弧炉进行第三次熔炼而获得供变形加工用的铸锭。本专利技术的熔炼方法与现有技术相比主要优点是保证了合金成分的宏观和微观的均匀性，从而明显地改善了合金的室温塑性以及各种性能的均匀性和稳定性，使之具有良好的疲劳、蠕变等综合性能。本专利技术另一个明显的优点是便于进行工业化生产，可以熔铸大型的铸坯或铸锭，满足批量生产和航空大锻件的要求。下面对本专利技术工艺作详细说明。本专利技术工艺的基本特征是采用真空自耗炉与真空凝壳炉相结合的熔铸工艺，由于真空铸造凝壳炉有较大的熔池，可以使合金成分充分扩散，从而保证了合金的均匀性。真空铸造凝壳炉在一般钛合金铸件生产中是直接浇铸零件使用的，在本专利技术中使用这种工艺的目的是促进合金成分均匀化，生产供变形加工的铸坯或铸锭。本专利技术方法在使用时其生产条件的控制可以按真空自耗炉和真空凝壳炉的常规要求进行，其具体工艺过程如下1、电极制备。采用液压机压制电极，海绵钛的颗粒度小于等于25.4毫米，中间合金用铝箔包装或直接加入海绵钛中间，在液压机上压制成圆形或者多边形截面的电极，其密度为3.0～3.7g/cm3，压制时的压力为2～5T/cm2，压制后用氩气保护等离子焊或氩弧焊将小块电极焊接成所需要的长度。2、真空自耗电弧炉熔炼。所用电极的直径d与坩埚直径D之比为0.63～0.88，熔炼电压为23～35伏，熔炼电流密度为5～60A/cm2，熔炼时的真空度为2.5～0.5Pa。3、真空铸造凝壳炉熔炼浇铸。熔炼电压为25～40伏，熔炼电流密度为40～60A/cm2，熔炼真空度为2.5～0.5Pa。完成熔炼以后，将合金液体浇入经过真空高温除气的优质石墨模具中。浇铸环形铸坯时采用环形模具离心浇铸工艺，模具随底盘旋转，转速为每分钟100～2000转。Ti-Al系金属间化合物基合金的环形铸件可直接轧制成环形零件。浇铸用于变形加工的铸锭时一般采用圆锥形模具，它可以控制合金的凝固顺序，使其由下向上顺序凝固，减缓铸锭上部的凝固速度，使缩孔上移并减少内部气孔。浇铸用于下述工艺过程4所述的自耗电极时一般采用圆柱形模具。4、真空自耗电弧炉再次熔炼。用时为了进一步保证铸锭内部质量和减少冒口损失，或为了熔炼大型铸锭，可将真空铸造凝壳炉熔铸成的铸锭作为电极(熔铸大型铸锭时，可用焊接等方法将凝壳炉熔铸成的多个铸锭连接成大型电极)，在真空自耗电弧炉中再次熔铸成供变形加工用的铸锭。熔炼工艺参数同上述工艺过程2。上述工艺过程2或4中一般只需要熔炼一次，在某些情况下也可以连续熔炼2、3次。试验结果表明采用本专利技术工艺熔铸的Ti-24Al-11Nb(at%)、Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(at%)和Ti-48Al-2Mn(at%)等合金铸锭，其成分均匀性以及杂质元素水平控制取得了令人满意的效果。下面表1是本专利技术工艺与使用真空自耗炉熔炼工艺对铸锭宏观成分均匀性的影响的对比数据，表2是两种工艺对铸锭微观成分均匀性的影响的对比数据。表1 铸锭宏观成分均匀性的对比数据 注表中数据取自铸锭四个横截面(头部、中上部、中下部和底部)，每个截面分内、中、外三部位，共取12部位的化学分析结果。表2 铸锭微观成分均匀性对比数据 注表中数据取自拉伸试样横截面半径(2.5毫米)上均匀地打10点，电子探针的电子束直径为30微米。由表1、2中的数据可见，本专利技术工艺合金成分的波动值远小于现有工艺，使其得到良好的控制。实施例1Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(at%)Ti3Al基合金环形铸坯的制造。＊合金配料成分Ti-14.3Al-19.4Nb-3.2V-2Mo(wt%)。＊第一次熔炼。使用200公斤真空自耗电弧炉熔炼，电极直径105毫米，坩埚直径160毫米，熔炼电压27～28伏，熔炼电流3.4～3.7千安，熔炼真空度1.5～0.5Pa。铸锭重量50公斤，铸锭尺寸φ160×600毫米。＊第二次熔炼。使用50公斤真空铸造凝壳炉熔铸，用上述φ160铸锭作为电极，坩埚尺寸φ270×330毫米，熔炼电压27～28伏，熔炼电流11千安，熔炼真空度2.2～1.8Pa，熔炼时间6.5分钟。浇铸时采用环形石墨模具并随离心盘旋转，转速为每分钟300转，浇成的环坯尺寸为φ373×140×69毫米(外径×内径×高)。环形铸坯的化学分析结果见表3。表3 环坯内外不同部位化学成分波动范围(wt%). 该环坯经1200℃热轧成φ656×600×80毫米环形件。也可以从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｔｉ－Ａｌ系金属间化合物基合金的均匀化熔铸工艺，包括配料以及将原料压制成适合于真空熔炼的自耗电极，其特征在于，采用真空自耗电弧炉和真空铸造凝壳炉相结合的熔炼方法，即先使用真空自耗电弧炉熔炼合金，冷却后使用真空铸造凝壳炉再次熔炼合金并直接浇铸出供变形加櫎用的铸坯或铸锭。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹春晓，高扬，孙福生，张鹰，张荣顺，马济民，孙育峰，李学明，周盛年，戴介泉，
申请(专利权)人：航空航天工业部第六二一研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]