[發明專利]一種高均勻鈦金屬鑄錠熔煉方法

有效

• 申請號: 202110132733.0
• 申請日: 2021-02-01
• 公開（公告）號: CN112501449B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 楊勝;周慧;周科朝;張曉泳;張慧杰;張宏嶺;向午淵;歐陽濤;肖芬
• 申請（專利權）人: 湖南湘投金天科技集團有限責任公司;中南大學
• 主分類號: C22B9/20
• 分類號: C22B9/20;C22C1/03;C22C14/00;B22D7/00
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 周曉艷;張勇

本發明公開一種高均勻鈦金屬鑄錠熔煉方法，包括制作扇形電極塊、制作自耗電極、第一次真空自耗熔煉、第二次真空自耗熔煉和第三次真空自耗熔煉等，本發明在真空自耗電弧熔煉爐內進行，通過匹配熔煉過程的熔煉速度和熔池深度來實現控制熔池的過冷度方向，從而改變柱狀晶的生長方向，使鑄錠整體獲得沿軸向定向生長的柱狀晶組織，結合相鄰兩次真空自耗熔煉中調換鑄錠頭部和底部的熔煉方式，能有效抑制鈦金屬中偏析元素Fe、Cr等擴散導致的成分偏析，同時可消除鑄錠中柱狀晶區與等軸晶區的組織差異，利于提高鍛造組織均勻性。

技術領域

本發明涉及金屬熔煉技術領域，特別是涉及一種高均勻鈦金屬鑄錠熔煉方法。

背景技術

目前，鈦金屬鑄錠的熔煉一般采用真空自耗熔煉技術，盡管熔煉技術已經成熟，但是常規真空自耗熔煉存在鑄錠成分不均勻、不同部位相變點差異大，導致后續鍛造組織均勻性控制難度大等問題。

針對Ti-1023、TC17等富Fe、Cr鈦金屬鑄錠，該方法無法抑制Fe、Cr、Cu等正偏析元素的擴散偏析。一般真空自耗熔煉獲得的柱狀晶組織表現為尾部柱狀晶沿縱向向上而邊部柱狀晶沿橫向向內生長，柱狀晶方向不一，導致Fe、Cr、Cu等元素擴散方向紊亂，成分均勻性難以控制。且鑄錠中由表面到芯部分布有外部等軸晶層、柱狀晶層、內部等軸晶層三層組織狀態，不同的組織在鍛造過程中的變形情況不一，會對后續鍛造組織的均勻性造成不利影響。

因此，開發一種成分與組織形貌均具有高均勻特性的鈦金屬鑄錠熔煉方法具有重要意義。

發明內容

本發明提供一種高均勻鈦金屬鑄錠熔煉方法，該方法依據的原理為：鈦合金的結晶溫度范圍較窄，在熔池中的凝固區的寬度便窄，在凝固過程中，晶粒一旦在固-液界面前沿形核，即以“順序凝固”的方式凝固，固、液界面逐步向著過冷方向的反方向推進，此過程中生長方向（β鈦合金為100）與熱流方向平行的晶粒優先長大，而與散熱方向不平行的晶粒則被抑制。這種競爭生長的結果使鑄錠內部晶粒的數目減少，并且生長方向總是傾向平行于熱流方向，且與熱流方向相反，最終形成柱狀晶區。根據元素擴散規律，Fe、Cr、Cu等正偏析元素總是在固/液界面的凝固前沿富集，隨著柱狀晶的逐漸生長，越到末端，正偏析元素富集程度越高。而在真空自耗電弧熔煉爐過程中，熱流方向總是垂直于熔池的固液界面由液相傳導至固相。一般方法中，因熔池呈V型且深度較大，柱狀晶的生長方向為由鑄錠圓周面指向軸心，并向鑄錠頭部傾斜，從而導致正偏析元素富集于鑄錠的軸心和頭部，產生徑向和軸向的偏析，采用多次調頭的方法只能緩解鑄錠的縱向偏析問題，軸向偏析反而會因為多次熔煉而逐漸加劇。本發明通過匹配熔煉過程中的熔煉速度和熔池深度來控制熔池的過冷方向，從而改變柱狀晶的生長方向由徑向轉變為軸向，使鑄錠整體獲得沿軸向定向生長的柱狀晶組織，使Fe、Cr、Cu等正偏析元素整體定向擴散，并結合相鄰兩次真空自耗熔煉中調換鑄錠頭部和底部的熔煉方式，使已發生定向擴散的偏析元素發生反向擴散，能有效抑制鈦金屬中偏析元素Fe、Cr、Cu等擴散導致的成分偏析，同時，也能有效抑制鑄錠心部等軸晶的出現，利于提高鍛造組織均勻性。具體技術方案如下：

一種高均勻鈦金屬鑄錠熔煉方法，實現鑄錠高成分均勻性的方法為：通過調節熔煉工藝參數，使熔池過冷度方向發生轉變，徑向生長的柱狀晶變為沿軸向定向生長，具體包括以下步驟：

提供鈦金屬鑄錠，鈦金屬鑄錠中含有正偏析元素（Fe、Cr、Cu等）；

步驟一：按照所制備鈦金屬鑄錠所需的成分選擇海綿鈦、金屬單質和中間合金制成扇形電極塊；

步驟二：將步驟一中得到的扇形電極塊制成自耗電極；

步驟三：將步驟二所得自耗電極進行第一次真空自耗熔煉，得到一次鑄錠，其中：一次鑄錠的冒口端為頭部，其另一端為底部；第一次真空自耗熔煉參數為：真空度≤5.0Pa；熔煉電流為12-18kA；熔煉電壓為20-30V；穩弧電流采用直流3-8A；冷卻水流速為400-600L/min；熔煉后冷卻時間≥5h；