一种控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法技术

本发明专利技术属于金属材料制备技术领域，涉及一种控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，通过将现有的等截面电极改为倒置圆台状变截面电极，通过改变电极截面面积进而改变熔池的受热面积，并根据熔池深度、电极直径和电流强度的关系公式，合理匹配熔炼参数，在保持较大熔炼速率的基础上对浅U型熔池进行精确控制，使正偏析元素整体定向扩散至铸锭头部，有效降低了大尺寸钛合金铸锭的偏析程度，改善铸锭组织均匀性，提升铸锭表面质量，减少扒皮量，提高成品率。成品率。成品率。

【技术实现步骤摘要】
一种控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法


[0001]本专利技术属于金属材料制备
，涉及钛合金的制备，具体涉及一种控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法。

技术介绍

[0002]真空自耗电弧熔炼(VAR)由于其具有成本低、可批量化生产大规格铸锭的特点，在钛合金熔炼领域已得到广泛应用。在VAR熔炼过程中，自耗电极和水冷坩埚分别连接电源的负极和正极，在一定的电压下，位于自耗电极和水冷坩埚之间的稀薄气体被激发产生释放出热电子，自耗电极被高能量的热电子不断熔化成滴，掉落到激冷铜坩埚表面而凝固。由此可见，电极作为最主要的热源对VAR过程有着决定性的影响。目前，大多数钛合金所使用的VAR电极为截面一致的圆形、正方形或正六边形。此外，为实现产量的最大化，生产单位倾向于采用较大的坩埚比(电极直径与坩埚直径之比)。
[0003]在航空、航天及核领域，钛合金的服役条件十分苛刻，这对钛合金铸锭的组织、成分均匀性提出了更高的要求。VAR工艺参数可直接影响熔炼过程中温度场与浓度场分布以及熔池深度，对铸锭组织和宏观偏析有重要影响。一般说来，当熔炼速率较大时，热量输入较多，熔池倾向于呈深V型。这种深V型熔池温度梯度较小，铸锭心部的冷却速率较慢，导致偏析元素沿轴向富集于心部。此外，这种温度场会促进柱状晶由铸锭表面向轴心沿径向生长，并向铸锭头部倾斜，并在心部形成等轴晶组织，这种铸态组织的差异对后续锻造组织的均匀性会造成不利影响。然而，当熔炼速率较小时，热量输入较少，熔池倾向于呈浅U型。这种浅U型熔池温度梯度较大，铸锭心部的冷却速率较快，铸锭不易沿轴向产生心部偏析。这种温度场可将柱状晶的生长方向由径向转变为轴向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，获得全柱状晶组织，明显提升铸锭组织均匀性。因此，在钛合金VAR熔炼易偏析合金时，多数采用降低熔炼速率的方式来降低偏析程度，改善组织均匀性，进而提升铸锭质量。如中国专利(公开号：CN112501449A，公开日：2021年3月16日)通过降低熔炼速率至2～5kg/min获得了高质量铸锭。但是，大幅降低熔炼速率会明显降低生产效率，导致铸锭熔炼时长增加数倍，且熔池到边情况不良，导致铸锭表面质量较差，扒皮量增多，降低成品率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，通过改变截面面积进而改变熔池的受热面积，并根据熔池深度、电极直径和电流强度的关系式，合理匹配熔炼参数，在保持较大熔炼速率的基础上对浅U型熔池进行精确控制，并提升铸锭表面质量，减少扒皮量，提高成品率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0006]这种控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，在含易偏析元素钛合金的成品熔炼时，通过将现有的等截面电极改为变截面电极，并根据熔池深度、电极直径和电流强度合理配置熔炼参数，在保证熔炼速率的基础上以获得稳定的熔池；所述变截面电极呈倒置
的圆台状；所述变截面电极的坩埚比由下至上在0.4～0.9之间连续变化。
[0007]进一步，所述熔池深度与变截面电极直径、电流强度的关系式如下：
[0008][0009]式(1)中，h
p
表示熔池深度；D
e
表示电极直径；J表示电流强度。
[0010]进一步，所述含易偏析元素钛合金为至少含有Fe、Cr及Cu元素的钛合金。
[0011]进一步，所述变截面电极的形成过程如下：将一次熔炼得到的一次锭放入圆台状坩埚中进行二次熔炼，冷却凝固后得到呈圆台状的二次锭，将所述二次锭倒置作为三次熔炼的变截面电极。
[0012]进一步，所述变截面电极的即时长度h
e
的计算公式如下式(2)，所述变截面电极的即时重量m
e
的计算公式如下式(3)：
[0013][0014][0015]式(2)中，h0为变截面VAR电极的初始长度，h
e
为变截面VAR电极即时长度，D1为变截面VAR电极的上底面直径，D2为变截面电极的下底面直径，D
e
为变截面电极的即时下底面直径；式(3)中，m
e
为变截面电极的即时重量，由VAR设备即时读取；ρ为变截面电极的密度。
[0016]进一步，通过可编程逻辑控制器实现变截面电极的即时重量m
e
与电流强度J的自动匹配。
[0017]进一步，成品熔炼过程中，起弧阶段、稳定熔炼阶段及补缩阶段的各工艺参数均通过可编程逻辑控制器控制。
[0018]进一步，稳弧电流范围为5～15A，稳弧周期范围为3～12s。
[0019]与现有技术相比，本专利技术提供的技术方案包括以下有益效果：本专利技术采用倒置圆台状变截面电极，通过理论公式合理匹配熔炼参数，在不降低电流强度进而导致熔炼速率降低的基础上，实现在较大熔速下获得稳定的浅U型熔池，使正偏析元素整体定向扩散至铸锭头部，有效降低了大尺寸钛合金铸锭的偏析程度。同时，较大的熔炼速率可保证良好的熔池到边情况，使得铸锭表面质量较高，减少扒皮量，提高成品率。
附图说明
[0020]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本专利技术的原理。
[0021]图1为本专利技术实施例1提供的二次熔炼和成品熔炼的示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例1提供的稳定熔炼期熔池形貌的数值模拟图；
[0023]图3为本专利技术实施例1中Φ720mm规格的Ti5331合金铸锭表面结构图；
[0024]图4为本专利技术对比例1中Φ720mm规格的Ti5331合金铸锭表面结构图；
[0025]图5为本专利技术实施例2中Ti1023纵向试样片空烧检查低倍组织图；
[0026]图6为本专利技术对比例2中Ti1023纵向试样片空烧检查低倍组织图。
具体实施方式
[0027]这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本专利技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本专利技术的一些方面相一致的方法的例子。
[0028]为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0029]实施例1
[0030]本实施例提供了一种控制Ti
‑
5Al
‑
3Zr
‑
3V
‑
1Cr(Ti5331)合金变截面VAR电极熔池深度的方法，Ti5331合金主要应用于核工业领域，主要的正偏析元素为Cr。根据数值模拟计算结果，5吨级Φ720mm规格Ti5331合金铸锭的理想熔池深度约为510mm，熔炼的具体过程如下：
[0031]S1、将一次熔炼得到的重量为5000kg、规格为Φ520mm的一次锭置于底部Φ64本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，其特征在于，在含易偏析元素钛合金的成品熔炼时，通过将现有的等截面电极改为变截面电极，并根据熔池深度、电极直径和电流强度合理配置熔炼参数，在保证熔炼速率的基础上以获得稳定的熔池；所述变截面电极呈倒置的圆台状；所述变截面电极的坩埚比由下至上在0.4～0.9之间连续变化。2.根据权利要求1所述的控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，其特征在于，所述熔池深度与变截面电极直径、电流强度的关系式如下：式(1)中，h
p
表示熔池深度；D
e
表示电极直径；J表示电流强度。3.根据权利要求1所述的控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，其特征在于，所述含易偏析元素钛合金为至少含有Fe、Cr及Cu元素的钛合金。4.根据权利要求1所述的控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，其特征在于，所述变截面电极的形成过程如下：将一次熔炼得到的一次锭放入圆台状坩埚中进行二次熔炼，冷却凝固后得到呈圆台状的二次锭，将所述二次锭倒置作为三次熔炼的变截面电极。5.根据权利要求1所述的控制变截面钛合金VAR电极熔池深度的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘向宏，吴与伦，尚金金，种南京，杜玉俊，王凯旋，李少强，杜予晅，冯勇，
申请(专利权)人：西部超导材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：