一种TA15钛合金的电子束冷床熔炼方法技术

本申请公开了一种TA15钛合金铸锭的电子束冷床熔炼方法。所述方法包括如下步骤：S1、准备含有Ti、Al、Mo、V和Zr金属元素的原料；S2、将所述原料送入电子束冷床炉中进行熔炼，得到TA15钛合金；所述原料包括海绵钛、铝豆、铝钼中间合金、铝钒中间合金和铝锆中间合金；所述铝锆中间合金包括铝锆50中间合金。本申请发明专利技术人通过试验研究发现，TA15钛合金熔炼过程中锆元素存在高达10％的挥发率。因此，锆元素挥发是不可忽略的问题，本发明专利技术通过多次试验及研究分析，将铝‑锆元素的联合挥发率控制在了合理的范围内，其中，Al挥发率≤15.5％，Zr挥发率≤3.5％。

An electron beam cooling bed melting method for TA15 titanium alloy

【技术实现步骤摘要】
一种TA15钛合金的电子束冷床熔炼方法
本专利技术涉及钛合金制备领域，具体说是一种TA15钛合金的电子束冷床熔炼方法。
技术介绍
钛合金作为当代飞机结构设计的重要选材之一，其应用水平的高低甚至已成为衡量飞机结构设计选材先进程度的重要标志之一。钛合金对于减轻飞机整体结构重量、提高结构设计效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温和高载以及腐蚀环境要求等方面能够发挥其他金属无法比拟的作用。TA15(Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr)是一种高铝当量损伤容限型近α钛合金，具有良好的热强性和可焊性，有接近α-β型钛合金的工艺塑性，是我国航空领域重要的结构材料。该合金热稳定性能好，室温强度比Ti-6Al-4V高30～50MPa，加工和焊接性能良好，可用于生产薄板、棒材、锻件、板材和型材等产品，在飞机的发动机以及机身结构中有着广泛的应用，如：TA15钛合金整框模锻件是具有典型代表的大型钛合金航空结构件。目前，生产TA15合金的方法主要是真空自耗电弧(VAR)炉多次熔炼和利用粉末冶金法制备。前者的主要缺点是原材料(自耗电极)中含有的杂质及夹杂物会直接进入铸锭中，无法有效剥离，得到的TA15钛合金存在高、低密度夹杂物，宏观偏析等缺陷，实际应用中会严重损害发动机构件的疲劳、持久等性能；后者的主要缺点是规模化制备难度较大，成本高，规模化生产和应用受限。电子束冷床熔炼(EB)炉熔炼物料熔化与铸锭凝固完全隔离、且还有精炼提纯区域，其中熔化和精炼均在冷床中进行，凝固在结晶器中进行；故能够去除高、低密度夹杂，实现提纯作用；EB炉熔炼室真空度(0.01～1.0Pa)相对较高，且熔炼温度较VAR熔炼的高100℃左右，因此气体杂质去除效果明显；EB炉可根据电子束枪的位置排布，多样化设计铸锭规格(如：圆柱形、方形、环形等等)。但目前尚未发现使用EB炉熔炼生产TA15合金的报道。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种TA15钛合金的电子束冷床炉熔炼方法，该方法可同时降低TA15钛合金产品中Al和Zr的挥发率，并同时提高Al和Zr的均匀性。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：本专利技术提供一种TA15钛合金的电子束冷床炉熔炼方法，包括如下步骤：S1、准备含有Ti、Al、Mo、V和Zr金属元素的原料；S2、将所述原料送入电子束冷床炉中进行熔炼；所述原料包括海绵钛、铝豆、铝钼中间合金、铝钒中间合金和铝锆中间合金；所述铝锆中间合金包括铝锆50中间合金。所述铝锆50中间合金中，Zr的含量为50.0％～55.0％，Al的含量为44.659％～49.659％，余量为杂质；所述铝锆50中间合金在所述原料中的含量为3.72-4.12wt％。在上述方法中，所述原料经过混合压制成料块的步骤，所述料块分头排料、正常料和尾排料，所述送入电子束冷床炉按照头排料、正常料和尾排料依次进行；所述头排料为启枪后电子束冷床炉内尚未形成稳定、匀速的熔炼/凝固过程中，且各项工艺参数(具体为电子枪功率、炉内真空度、电子枪电流、电子枪电压、熔炼功率和熔炼速度)运行不平稳时，送入电子束冷床炉内进行熔炼铸锭的原料；头排料摆放在进料器中最前端，在熔炼过程中首先熔化，经由冷床流入结晶器凝固成为铸锭尾部，因锭尾与拉锭机构要形成固态连接，故接受电子束轰击的时间较长，一般为30—70min，该阶段被称为电子束熔炼的“制底”阶段；在此期间，会造成易挥发合金元素的过量挥发及烧损；因此头排料中补加了过量的易挥发合金元素；所述正常料为电子束冷床炉内已形成稳定、匀速的熔炼/凝固过程中，且各项工艺参数运行平稳时，送入电子束冷床炉内进行熔炼铸锭的原料；正常料摆放在进料器中头排料之后，摆放方式及数量视最终铸锭的大小而定，可单层或双层摆放，数量最高可达1.5吨；由于各项工艺参数运行平稳、合金元素的挥发率小于“制底”阶段，故该阶段被称为“正常熔炼阶段”或“稳定熔炼阶段”；故正常料中易挥发合金元素的补加量小于头排料；所述尾排料为熔炼末期，由于单边物料熔化完毕，或熔炼末期需要主动降低电流，导致熔炼速度较慢，电子束冷床炉熔炼结束前熔炼功率和熔炼速度开始下降至熔炼铸锭结束期间，送入电子束冷床炉内进行熔炼铸锭的原料；尾排料摆放于进料器中正常料之后，在熔炼过程中最后被熔化；由于尾排料的熔炼速度较低，金属液从熔化区，经过精炼区，流入结晶区的时间较长，相应的易挥发元素Al挥发时间增长，导致Al元素过量挥发，故尾排料中的合金元素补加量大于正常料。所述头排料中Zr元素含量低于所述正常料中Zr元素含量0.01-0.1wt％；优选，0.03-0.08wt％，更优选，0.04-0.06wt％，更优选0.05wt％；所述尾排料中Zr元素含量低于所述正常料中Zr元素含量0.01-0.1wt％；优选，0.02-0.08wt％，更优选，0.04-0.06wt％，更优选0.05wt％；优选的，所述正常料中Zr元素的含量为2.0-2.2wt％，优选2.05-2.15wt％，更优选2.10％。在上述方法中，所述头排料中Al元素含量高于所述正常料中Al元素含量0.3-0.8wt％；优选0.4-0.6wt％，更优选0.5％；所述尾排料中Al元素含量高于所述正常料中Al元素含量0.3-0.8wt％；优选0.4-0.6wt％，更优选0.5％；优选的，所述正常料中Al元素的含量为7.2-7.6wt％，优选7.5％。在上述方法中，所述正常料中V元素的含量为1.5-1.7wt％，优选1.5wt％，Mo元素的含量为0.9-1.3wt％，优选1.0wt％；Ti元素的含量为87.7-89wt％，优选87.7wt％；和/或，所述头排料中V元素的含量为1.3-1.6wt％，优选1.45％，Mo元素的含量为0.8-1.2wt％，优选0.9wt％；Ti元素的含量为87-88wt％，优选87wt％；和/或，所述头排料中V元素的含量为1.3-1.6wt％，优选1.45％，Mo元素的含量为0.8-1.2wt％，优选0.9wt％；Ti元素的含量为87-88wt％，优选87wt％。在上述方法中，所述原料中Zr的含量为2.0-2.2wt％，优选2.1wt％；和/或，所述原料中Al的含量为7.2-8.0wt％，优选7.6wt％；和/或，所述原料中Ti的含量为86.9-89wt％，优选87.6wt％；和/或，所述原料中Mo的含量为0.9-1.1wt％，优选1.0wt％；和/或，所述原料中V的含量为1.3-1.7wt％，优选1.5wt％。在上述方法中，所述熔炼包括三个阶段：1)启动电子枪阶段：从启动电子枪到原料熔化形成的液体第一次流入结晶器；其中，炉内真空度为1.87×10-2-9.03×10-3Torr；时间为30-70min；2)铸锭制底阶段：从原料熔化形成的液体第一次流入结晶器至铸锭第一次下拉；其中，炉内真空度为9.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TA15钛合金的电子束冷床炉熔炼方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/nS1、准备含有Ti、Al、Mo、V和Zr金属元素的原料；/nS2、将所述原料送入电子束冷床炉中进行熔炼，得到TA15钛合金；/n所述原料包括海绵钛、铝豆、铝钼中间合金、铝钒中间合金和铝锆中间合金；/n所述铝锆中间合金包括铝锆50中间合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种TA15钛合金的电子束冷床炉熔炼方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、准备含有Ti、Al、Mo、V和Zr金属元素的原料；
S2、将所述原料送入电子束冷床炉中进行熔炼，得到TA15钛合金；
所述原料包括海绵钛、铝豆、铝钼中间合金、铝钒中间合金和铝锆中间合金；
所述铝锆中间合金包括铝锆50中间合金。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料经过混合压制成料块的步骤，所述料块包括头排料、正常料和尾排料，所述送入电子束冷床炉按照头排料、正常料和尾排料依次进行；
所述头排料中Zr元素含量低于所述正常料中Zr元素含量0.01-0.1wt％；优选，0.03-0.08wt％，更优选，0.04-0.06wt％，更优选0.05wt％；
所述尾排料中Zr元素含量低于所述正常料中Zr元素含量0.01-0.1wt％；优选，0.02-0.08wt％，更优选，0.04-0.06wt％，更优选0.05wt％；
优选的，所述正常料中Zr元素的含量为2.0-2.2wt％，优选2.05-2.15wt％，更优选2.10％。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述头排料中Al元素含量高于所述正常料中Al元素含量0.3-0.8wt％；优选0.4-0.6wt％，更优选0.5％；
所述尾排料中Al元素含量高于所述正常料中Al元素含量0.3-0.8wt％；优选0.4-0.6wt％，更优选0.5％；
优选的，所述正常料中Al元素的含量为7.2-7.6wt％，优选7.5wt％。


4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述正常料中V元素的含量为1.5-1.7wt％，优选1.5wt％，Mo元素的含量为0.9-1.3wt％，优选1.0wt％；Ti元素的含量为87.7-89wt％，优选87.7wt％；
和/或，所述头排料中V元素的含量为1.3-1.6wt％，优选1.45％，Mo元素的含量为0.8-1.2wt％，优选0.9wt％；Ti元素的含量为87-88wt％，优选87wt％；
和/或，所述尾排料中V元素的含量为1.3-1.6wt％，优选1.45％，Mo元素的含量为0.8-1.2wt％，优选0.9wt％；Ti元素的含量为87-88wt％，优选87wt％。

【专利技术属性】
技术研发人员：杜彬，张志斌，钱光凝，雷云清，孙宁宁，王倩，
申请(专利权)人：青海聚能钛业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：青海;63