一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法

摘要

本发明公开了一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，属于钛合金铸锭制备技术领域，包括：步骤1：确定TC4制备钛合金铸锭所用原料百分比并称重；步骤2：将步骤1中原料混料后，在油压机上压制成料块；步骤3：将步骤2中压制的料块摆放放入料箱后，对料块进行烘干；步骤4：将步骤3中烘干后的料块送入电子束冷床炉进行熔炼，一次熔炼得到TC4钛合金铸锭。本发明解决了自耗熔炼导致原材料成本上升的问题，且易导致原材料被氧化或造成其他污染，避免了在破碎过程中原材料污染，通过直接将原材料混合和压制完成后，整齐码放入装料箱并入炉内，一次熔炼成合格铸锭，大大降低了生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种TC4钛合金铸锭的方法，特别是涉及一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，属于钛合金铸锭制备技术领域。

背景技术

目前，在发动机上使用量最大的钛合金主要是Ti-6Al-4V和Ti-6242S，传统的飞机发动机用钛合金采用真空自耗炉进行多次提纯熔炼，采用多次熔炼可以均匀化学成分，但由于海绵钛生产工艺的固有特性和真空自耗电弧熔炼工艺的固有缺陷，杂质只能通过一个有底的结晶器的侧壁和自耗炉电极之间的狭窄圆形缺口排出，这个缺口宽度通常不会超过30~50mm，这样生产的钛合金铸锭存在低密度夹杂等冶金缺陷，宏观偏析也比较严重，为了解决这一技术难题，上世纪80年代末，国际上采用了自耗熔炼结合冷床熔炼技术来代替传统的三次真空自耗电弧熔炼工艺，冷床熔炼技术通过把钛合金的熔炼过程分为原料溶化区、精炼区和铸锭凝固区三个区域，通过溶解和密度分离两种原理去除原料中的低密度夹杂和高密度夹杂。

目前，电子束冷床熔炼技术已经成为生产航空发动机转动件用优质钛铸锭的国际工业标准，电子束冷床炉熔炼技术除能比较好地消除高密度和低密度夹杂，获得细晶均质铸锭外，还可以大幅度降低钛合金材的生产成本，美国率先针对电子束冷床炉炉单次熔炼技术展开了研究，电子束冷床炉熔炼要求在真空（约10-3Torr至10-2Torr）环境下工作，可以有效地去除合金中的气体元素和易挥发元素，提高铸锭纯度，但也引起易挥发合金元素（主要是Al元素）的控制困难，挥发量非常大。

Al元素是钛合金铸锭熔铸过程中添加最为广泛的一种合金元素，在电子束冷床炉熔炼炉熔炼钛合金铸锭过程中，由于Al元素的饱和蒸汽压远大于基体元素，造成在熔炼过程中合金元素Al发生大面积挥发损失导致铸锭化学成分无法达标。

现有技术的缺点主要是原材料形态要求复杂，成本高。由海绵钛和铝豆混合均匀后压制成电极块，焊接成电极后置于真空自耗电弧炉中，一次熔炼得到Ti-Al中间合金，此方法至少存在以下明显缺点：1）一次真空自耗熔炼导致原材料成本上升；2）压制成的电极块在焊接成电极的过程中容易导致原材料被氧化或造成其他污染，导致原材料质量下降；3）此方法熔炼得到的Ti-Al中间合金本身存在较严重的偏析（化学成分不均匀）问题，导致后续铸锭质量难以保证。将Ti-Al中间合金破碎成Ti-Al中间合金颗粒，又再次导致原材料成本上升，并在破碎规程中导致原材料受到来自破碎工具的污染。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决目前现有技术中熔炼TC4钛合金铸锭存在的上述问题，提供一种能够降低生产成本、能够一次熔炼成合格铸锭的电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，包括如下步骤：

步骤1：原材料准备

按以下重量百分比的原料称取960kg，海绵钛88.0%～90.0%，V-Al中间合金5.5%～7.0%，铝豆3.0%～7.0%；

步骤2：将原材料压制成块

将步骤1中所述海绵钛、V-Al中间合金、铝豆混料后，在油压机上压制成料块；

步骤3：将料块放入料箱并烘干

将步骤2中压制的料块按照每排4块，单层摆放放入料箱后，对料块进行烘干，烘干时长2～4h，温度115～125℃；

步骤4：电子束冷床炉炉熔炼

将步骤3中烘干后的料块送入电子束冷床炉炉进行熔炼，一次熔炼得到TC4钛合金铸锭，电子束冷床炉炉内真空度高于1.0×10^{-2>Torr，使用氦质谱检漏仪对炉体检漏，炉体漏气率应当低于3.3Torr·l/s。}

进一步的，所述步骤1中所述铝豆的纯度大于99.6%；

所述海绵钛的成分含量为：O的含量为0.044%，N的含量为0.005%，Fe的含量为0.025%，C的含量为0.008%，H的含量为0.001%；

所述V-Al中间合金的成分含量为：V的含量为45.0%~65.0%，Al的含量为34.7%~54.7%，杂质的含量为0.30%。

进一步的，所述步骤1中使用5000g量程电子天平称分别称取海绵钛所需V-Al中间合金和铝豆，并将V-Al中间合金和铝豆装入自封袋中，使用100kg量程电子称对所需海绵钛称重，上述两种规格的电子天平使用前均须使用试重块检查测量精度。

进一步的，在所述步骤2将原材料压制成块，包括如下步骤：

步骤21：将所述步骤1中经称重的海绵钛倒入V型混料机中，V-Al中间合金和铝豆经5000g量程电子天平称重复检无误后倒入V型混料机中；

步骤22：确认V型混料机的入料口与出料口封闭无误；

步骤23：在步骤22确认后开始混料，V型混料机正反各转1分钟，经2分钟后，V型混料机出料，出料时确认V型混料机内无原料遗留；

步骤24：经步骤23混料后，将V型混料机出料的原料手动加入油压机的模具，压制成料块。

进一步的，所述步骤3将料块放入料箱并烘干，包括如下步骤：

步骤31：将步骤2中压制的料块按照每排4块，单层摆放放入料箱中；

步骤32：目测检查料块表面，确认所有料块均添加了V-Al中间合金和铝豆；

步骤33：使用100kg量程电子称，按照30%的比例抽检料块重量，并做记录，并使用电子吊秤对料块总重量进行称量，并做记录；

步骤34：将抽检和称量后的料块进行烘干，烘干时长2～4h，温度115～125℃。

进一步的，所述步骤4电子束冷床炉炉熔炼，包括如下步骤：

步骤41：步骤3中烘干后的料块摆放入左右两侧料箱内，每排4块，两侧各有6排，共计48块；

步骤42：检查电子束冷床炉，包括：检查灌装氢氧气体压力，检查电源柜冷却水，开启电源柜并设定电源柜电压；

步骤43：步骤42对电子束冷床炉检查无误后，启动电子束冷床炉，分别启动1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#电子枪，并设定1#～7#电子枪电流值，并记录；

步骤44：步骤43中1#～7#电子枪启动后，再次对电子枪电流值进行设定，设定好电子枪电流值后开始推料进行熔炼，熔炼期间保证冷床内无冷区；

进一步的，所述步骤42包括：检查灌装氢氧气体压力充足，确认氧气调节阀开关阀处于关闭状态，将微调阀在上一炉熔炼时所处位置关小1/5至1/4圈，确保O₂初始通入量不会导致电子枪阴极表面氧化，检查电源柜冷却水无误，开启电源柜，设定电源柜电压为30KV。

进一步的，所述步骤43包括如下步骤：

步骤431：启动1～5#电子枪，使建壳表面熔化，启动过程中随各枪电流提升不断扩大扫描轨迹区域，避免建壳局部过热；

步骤432：同时启动6#和7#电子枪，随电流提升调整扫描轨迹，6#和7#电子枪扫描轨迹在结晶器中心部位不重叠，电流提升至将表面刚好全部熔化开为止，并记录此时6#和7#电子枪电流值；

步骤433：控制启动电子枪节奏，尽可能使建壳表面熔化与结晶器内锭尾表面熔化同步。

进一步的，所述步骤44中所述的正常熔炼时，1～4#电子枪保证物料正常熔化，5#电子枪保证物料通过交道口由冷床流入结晶器，6、7#电子枪结晶器内熔池表面全部熔化。物料熔化区（1～4#电子枪）获得功率占总功率的65%，精炼区（5#）功率占比为15%，结晶区功率占比为25%～20%。

所述步骤44中所述推料时，保持左右两侧料箱的进料速度一致，尽可能使两侧料块同时完成熔化；完成料块熔化后，第一时间关闭1～5#电子枪。

本发明的有益技术效果：

1、本发明提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，解决了现有技术原材料形态要求复杂，成本高的问题。

2、本发明提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，解决了由于海绵钛和铝豆混合均匀后压制成电极块，焊接成电极后置于真空自耗电弧炉中，而存在的自耗熔炼导致原材料成本上升的问题，压制成的电极块在焊接成电极的过程中容易导致原材料被氧化或造成其他污染，导致原材料质量下降的问题，且得到的Ti-Al中间合金本身存在较严重的偏析（化学成分不均匀）问题，导致后续铸锭质量难以保证。

3、本发明提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，解决了将Ti-Al中间合金破碎成Ti-Al中间合金颗粒，又再次导致原材料成本上升的问题，并在破碎过程中导致原材料受到来自破碎工具的污染。

4、本发明提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，通过直接使用市场上最为常见的海绵钛、V-Al中间合金和铝豆作为电子束冷床炉熔炼的原材料，通过直接将原材料混合和压制完成后，整齐码放入装料箱并入炉内，一次熔炼成合格铸锭，大大降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明电子束冷床炉炉内真空度与各枪电流加总拟合的曲线；

图2为本发明料块熔化区域电子枪电流占各枪电流加总的比例图；

图3为本发明精炼区域电子枪电流占各枪电流加总的比例图；

图4为本发明铸锭凝固区域电子枪电流占各枪电流加总的比例图；

图5为本发明左右两侧进料速度与拉锭速度的拟合曲线图；

图6为本发明平均拉锭速度曲线图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，包括如下步骤：

步骤1：原材料准备

按以下重量百分比的原料称取960kg，海绵钛88.0%～90.0%，V-Al中间合金5.5%～7.0%，铝豆3.0%～7.0%；

步骤2：将原材料压制成块

将步骤1中所述海绵钛、V-Al中间合金、铝豆混料后，在油压机上压制成料块；

步骤3：将料块放入料箱并烘干

将步骤2中压制的料块按照每排4块，单层摆放放入料箱后，对料块进行烘干，烘干时长2～4h，温度115～125℃；

步骤4：电子束冷床炉炉熔炼

将步骤3中烘干后的料块送入电子束冷床炉炉进行熔炼，一次熔炼得到TC4钛合金铸锭，电子束冷床炉炉内真空度高于1.0×10^{-2>Torr，使用氦质谱检漏仪对炉体检漏，炉体漏气率应当低于3.3Torr·l/s。}

进一步的，所述步骤1中所述铝豆的纯度大于99.6%；

所述海绵钛的成分含量为：O的含量为0.044%，N的含量为0.005%，Fe的含量为0.025%，C的含量为0.008%，H的含量为0.001%；

所述V-Al中间合金的成分含量为：V的含量为45.0%~65.0%，Al的含量为34.7%~54.7%，杂质的含量为0.30%；

进一步的，所述步骤1中使用5000g量程电子天平称分别称取海绵钛所需V-Al中间合金和铝豆，并将V-Al中间合金和铝豆装入自封袋中，使用100kg量程电子称对所需海绵钛称重，上述两种规格的电子天平使用前均须使用试重块检查测量精度。

进一步的，在所述步骤2将原材料压制成块，包括如下步骤：

步骤21：将所述步骤1中经称重的海绵钛倒入V型混料机中，V-Al中间合金和铝豆经5000g量程电子天平称重复检无误后倒入V型混料机中；

步骤22：确认V型混料机的入料口与出料口封闭无误；

步骤23：在步骤22确认后开始混料，V型混料机正反各转1分钟，经2分钟后，V型混料机出料，出料时确认V型混料机内无原料遗留；

步骤24：经步骤23混料后，将V型混料机出料的原料手动加入油压机的模具，压制成料块。

进一步的，所述步骤3将料块放入料箱并烘干，包括如下步骤：

步骤31：将步骤2中压制的料块按照每排4块，单层摆放放入料箱中；

步骤32：目测检查料块表面，确认所有料块均添加了V-Al中间合金和铝豆；

步骤33：使用100kg量程电子称，按照30%的比例抽检料块重量，并做记录，并使用电子吊秤对料块总重量进行称量，并做记录；

步骤34：将抽检和称量后的料块进行烘干，烘干时长2～4h，温度115～125℃。

进一步的，所述步骤4电子束冷床炉炉熔炼，包括如下步骤：

步骤41：步骤3中烘干后的料块摆放入左右两侧料箱内，每排4块，两侧各有6排，共计48块；

步骤42：检查电子束冷床炉，包括：检查灌装氢氧气体压力，检查电源柜冷却水，开启电源柜并设定电源柜电压；

步骤43：步骤42对电子束冷床炉检查无误后，启动电子束冷床炉，分别启动1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#电子枪，并设定1#～7#电子枪电流值，并记录；

步骤44：步骤43中1#～7#电子枪启动后，再次对电子枪电流值进行设定，设定好电子枪电流值后开始推料进行熔炼，熔炼期间保证冷床内无冷区；

进一步的，所述步骤42包括：检查灌装氢氧气体压力充足，确认氧气调节阀开关阀处于关闭状态，将微调阀在上一炉熔炼时所处位置关小1/5至1/4圈，确保O₂初始通入量不会导致电子枪阴极表面氧化，检查电源柜冷却水无误，开启电源柜，设定电源柜电压为30KV。

进一步的，所述步骤43包括如下步骤：

步骤431：启动1～5#电子枪使建壳表面熔化，启动过程中随各枪电流提升不断扩大扫描轨迹区域，避免建壳局部过热；

步骤432：同时启动6#和7#电子枪，随电流提升调整扫描轨迹，6#和7#电子枪扫描轨迹在结晶器中心部位不重叠，电流提升至将表面刚好全部熔化开为止，并记录此时6#和7#电子枪电流值；

步骤433：控制启动电子枪节奏，尽可能使建壳表面熔化与结晶器内锭尾表面熔化同步。

进一步的，所述步骤44中所述的正常熔炼时，1～4#电子枪保证物料正常熔化，5#电子枪保证物料通过交道口由冷床流入结晶器，6、7#电子枪结晶器内熔池表面全部熔化。物料熔化区（1～4#电子枪）获得功率占总功率的65%，精炼区（5#）功率占比为15%，结晶区功率占比为25%～20%。

进一步的，所述步骤44中所述推料时，保持左右两侧料箱的进料速度一致，尽可能使两侧料块同时完成熔化；完成料块熔化后，第一时间关闭1～5#电子枪。

图1为电子束冷床炉炉内真空度与各枪电流加总拟合的曲线，图2为料块熔化区域电子枪电流占各枪电流加总的比例图，图3为精炼区域电子枪电流占各枪电流加总的比例图，图4为铸锭凝固区域电子枪电流占各枪电流加总的比例图，图5为左右两侧进料速度与拉锭速度的拟合曲线图，图6为平均拉锭速度曲线图。

综上所述，本实施例提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，解决了现有技术原材料形态要求复杂，成本高的问题；本实施例提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，解决了由于海绵钛和铝豆混合均匀后压制成电极块，焊接成电极后置于真空自耗电弧炉中，而存在的自耗熔炼导致原材料成本上升的问题，压制成的电极块在焊接成电极的过程中容易导致原材料被氧化或造成其他污染，导致原材料质量下降的问题，且得到的Ti-Al中间合金本身存在较严重的偏析（化学成分不均匀）问题，导致后续铸锭质量难以保证。

本实施例提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，解决了将Ti-Al中间合金破碎成Ti-Al中间合金颗粒，又再次导致原材料成本上升的问题，并在破碎过程中导致原材料受到来自破碎工具的污染；本实施例提供的一种电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金铸锭的方法，通过直接使用市场上最为常见的海绵钛、V-Al中间合金和铝豆作为电子束冷床炉熔炼的原材料，通过直接将原材料混合和压制完成后，整齐码放入装料箱并入炉内，一次熔炼成合格铸锭，大大降低了生产成本。

以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。