本發(fā)明屬于鈦合金制備領域，涉及一種含鈮Ti3Al合金鑄錠的制備方法。
背景技術：
：Ti3Al是Ti-Al基金屬間化合物的一種，具有有序密排六方結構，其比強度高，但其高溫強度和室溫塑性較低，限制了其發(fā)展應用，通過添加β穩(wěn)定元素Nb可改善其高溫抗氧化性和室溫塑性。含鈮Ti3Al基合金具有許多優(yōu)良的性能，與普通鈦合金相比，具有更好的高溫性能，抗氧化能力，抗蠕變性能，更高的使用溫度；與鎳基合金相比，密度小，約為鎳基合金的一半，有利于設備重量的減輕；與陶瓷材料相比，在高溫下具有更好的塑性。此外，含鈮Ti3Al基合金具有良好的體積穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)隨溫度變化波動較小。因此，含鈮Ti3Al基合金是一種可以填補普通鈦合金和高溫合金使用溫度之間的新型高溫結構材料。含鈮Ti3Al基合金的基本成分范圍為Ti-(20～27)Al-(11～30)Nb(at.％)。含鈮Ti3Al合金各元素之間的熔點、密度和蒸氣壓等相差較大，給合金的制備帶來困難，傳統(tǒng)工藝方法制備出的含鈮Ti3Al合金鈮元素偏析嚴重，合金成分準確性和均勻性難以得到保證。為提高合金化效果和改善合金化學成分均勻性，因此，需要一種更好的制備方法來提高含鈮Ti3Al基合金鑄錠的冶金質(zhì)量。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種質(zhì)量穩(wěn)定性高的含鈮Ti3Al合金鑄錠的制備方法，該方法制得的含鈮Ti3Al合金鑄錠成分均勻、無鈮偏析等現(xiàn)象，提高了原材料成材率，降低了材料損耗。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：一種含鈮Ti3Al合金鑄錠的制備方法，首先制備出純鈦鑄錠，再將純鈦鑄錠加工成光亮鈦棒，然后將獲得的光亮鈦棒與光亮鈮棒、光亮鋁棒拼焊成自耗電極，經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉，獲得含鈮Ti3Al合金鑄錠。本發(fā)明進一步的改進在于，具體步驟如下：步驟1)將海綿鈦壓制成電極塊，并組焊成自耗電極；步驟2)將步驟1制備的自耗電極采用兩次以上真空自耗電弧熔煉制備出成品鑄錠；步驟3)將步驟2制備出的成品鑄錠經(jīng)鍛造、軋制成棒材，并將棒材經(jīng)扒皮或磨削獲得光亮鈦棒；步驟4)將步驟3獲得的鈦棒與鈮棒、鋁棒排列后拼焊成自耗電極；排列的方式具體為：中心一支鈮棒，圍繞鈮棒排列一圈鈦棒，圍繞鈦棒均勻排列一圈鋁棒，并且鈦棒、鋁棒與鈮棒長度一致，鈦棒與鋁棒數(shù)量相同，通過調(diào)整鈦棒、鋁棒、鈮棒的直徑來控制主元素Al、Nb、Ti的含量；步驟5)一次熔煉：將步驟4制備的自耗電極在真空自耗電弧爐中熔煉獲得一次錠；步驟6)二次熔煉：將一次錠倒置作為自耗電極，在真空自耗電弧爐中進行二次熔煉獲得二次錠；步驟7)三次熔煉：將二次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行三次熔煉獲得三次錠；步驟8)冷卻：熔煉完成后冷卻至200℃以下出爐，得到含鈮Ti3Al合金鑄錠。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟1中海綿鈦為0級以上海綿鈦。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟1中采用等離子弧焊方法組焊成自耗電極。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟4中鋁棒的配比重量比要制備的含鈮Ti3Al合金鑄錠中鋁元素實際質(zhì)量百分含量高20％。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟4中采用等離子弧焊接方法拼焊成自耗電極。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟5中熔煉電流為4-8KA，熔煉電壓為25-28V。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟6中熔煉電流為7-12KA，熔煉電壓為26-32V。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟7中熔煉電流為7-10KA，熔煉電壓為28-32V。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟8中冷卻是在真空或充氬狀態(tài)下進行的。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明采用棒材拼焊的方式制備自耗電極，省去了制備中間合金，以及壓制電極塊的步驟，簡化了工藝。同時，由于采用鈦棒、鋁棒與鈮棒拼焊的方式制備自耗電極，可保證熔煉過程中同一熔煉橫截面上的各元素含量一致，同時由于鈦棒、鋁棒、鈮棒均為密實料，避免了因局部熔化速度不同產(chǎn)生的化學成分不均勻或掉塊產(chǎn)生的夾雜等冶金缺陷。本發(fā)明制備的合金鑄錠的成分均勻，克服了現(xiàn)有技術中鈮元素偏析嚴重、并且合金成分不準確以及均勻性差的問題。進一步的，本發(fā)明中鋁棒的配比重量，采用本發(fā)明制備含鈮Ti3Al鑄錠時一次熔煉的鋁元素燒損量約為20％，在配料過程中提高鋁元素的配比重量，預留足夠的燒損量，保證最終成品錠中各元素含量滿足要求。進一步的，由于鋁的熔點比鈦、鈮低1000℃以上，為防止一次熔煉過程中鋁棒熔化較快，造成鋁元素偏析，在一次熔煉時采用較低的熔煉電流4-8KA、熔煉電壓25-28V，保證鈦棒、鈮棒、鋁棒都能熔化，同時也能降低鋁元素燒損。進一步的，將鈮棒、鈦棒、鋁棒按照熔點從高到底的方式從中心向外圈排列，可利用弧柱溫度從中心向外逐漸降低的特性，減輕熔煉過程中各金屬元素熔點差異產(chǎn)生的化學成分不均勻。具體實施方式現(xiàn)結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，本發(fā)明中at％表示原子數(shù)百分含量。本發(fā)明中鈦棒、鋁棒與鈮棒長度一致，鈦棒與鋁棒數(shù)量相同，通過調(diào)整鈦棒、鋁棒、鈮棒的直徑來控制主元素Al、Nb、Ti的含量。由于一次熔煉的鋁元素燒損量約為20％，所以本發(fā)明步驟4中鋁棒的配比重量比要制備的含鈮Ti3Al合金鑄錠中鋁元素實際質(zhì)量百分含量高20％，預留足夠的燒損量。實施例1以制備120kgTi-22at.％Al-25at.％Nb合金鑄錠為例，其制備步驟如下：步驟1：選用0級以上海綿鈦為原材料制備出純鈦鑄錠，并將純鈦鑄錠經(jīng)鍛造、軋制、磨削等工序制備出Φ28mm規(guī)格的光亮鈦棒。步驟2：經(jīng)計算制備120kgTi-22at.％Al-25at.％Nb合金鑄錠需要Φ62×2000mm鈮棒1支，Φ28×2000mm鈦棒10支，Φ19.5×2000mm鋁棒10支，自耗電極拼焊時鈦棒、鈮棒與鋁棒的排列方式為：中心1支鈮棒，第二層圍繞鈮棒緊密排列10支鈦棒，第三層圍繞鈮棒再均勻排列10支鋁棒。其中，鋁棒的配比重量比要制備的Ti-22at.％Al-25at.％Nb合金鑄錠中鋁元素實際質(zhì)量百分含量高20％。步驟3：采用等離子弧焊接方法按照步驟2設計好的拼焊方式將鈦棒、鋁棒與鈮棒拼焊成自耗電極。步驟4：一次熔煉，用步驟3制備的自耗電極在真空自耗電弧爐中熔煉，獲得一次錠；其中，熔煉電流為4-8KA，熔煉電壓為25-28V。步驟5：二次熔煉，將一次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行二次熔煉，獲得二次錠，其中，熔煉電流為7-12KA，熔煉電壓為26-32V。步驟6：三次熔煉，將二次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行三次熔煉，獲得三次錠，其中，熔煉電流為7-10KA，熔煉電壓為28-32V。步驟7：冷卻，熔煉完成后要求成品錠在真空或充氬狀態(tài)下冷卻至200℃以下出爐，得到含鈮Ti3Al合金鑄錠。對制備的鑄錠進行扒皮、切冒口后，在鑄錠的頭、中、尾部取樣進行化學成分分析。主元素鋁、鈮檢測結果見表1：表1Ti-22at％Al-25at％Nb合金鑄錠鋁、鈮含量(at％)部位頭中尾鋁含量22.5422.3522.27鈮含量25.1024.8224.75實施例2以制備80kgTi-25at.％Al-16at.％Nb合金鑄錠為例，其制備步驟如下：步驟1：選用0級以上海綿鈦為原材料制備出純鈦鑄錠，并將純鈦鑄錠經(jīng)鍛造、軋制、磨削等工序制備出Φ30mm規(guī)格的光亮鈦棒。步驟2：經(jīng)計算制備80kgTi-25at.％Al-16at.％Nb合金鑄錠需要Φ42.5×2000mm鈮棒1支，Φ30×2000mm鈦棒7支，Φ21.5×2000mm鋁棒7支，自耗電極拼焊時鈦棒、鈮棒與鋁棒的排列方式為：中心1支鈮棒，第二層圍繞鈮棒緊密排列7支鈦棒，第三層圍繞鈮棒再均勻排列7支鋁棒步驟3：采用等離子弧焊接方法按照步驟2設計好的拼焊方式將鈦棒、鋁棒與鈮棒拼焊成自耗電極。步驟4：一次熔煉，用步驟3制備的自耗電極在真空自耗電弧爐中熔煉，獲得一次錠；其中，熔煉電流為4-8KA，熔煉電壓為25-28V。步驟5：二次熔煉，將一次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行二次熔，煉獲得二次錠，其中，熔煉電流為7-12KA，熔煉電壓為26-32V。步驟6：三次熔煉，將二次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行三次熔煉，獲得三次錠，其中，熔煉電流為7-10KA，熔煉電壓為28-32V。步驟7：冷卻，熔煉完成后要求成品錠在真空或充氬狀態(tài)下冷卻至200℃以下出爐，得到含鈮Ti3Al合金鑄錠。對制備的鑄錠進行扒皮、切冒口后，在鑄錠的頭、中、尾部取樣進行化學成分分析。主元素鋁、鈮檢測結果見表2：表2Ti-25at％Al-16at％Nb合金鑄錠鋁、鈮含量(at％)部位頭中尾鋁含量25.4825.2425.32鈮含量16.2516.1816.12實施例3以制備124kgTi-22at.％Al-27at.％Nb合金鑄錠為例，其制備步驟如下：步驟1：選用0級以上海綿鈦為原材料制備出純鈦鑄錠，并將純鈦鑄錠經(jīng)鍛造、軋制、磨削等工序制備出Φ27.5mm規(guī)格的光亮鈦棒。步驟2：經(jīng)計算制備124kgTi-22at.％Al-27at.％Nb合金鑄錠需要Φ65×2000mm鈮棒1支，Φ27.5×2000mm鈦棒10支，Φ19.5×2000mm鋁棒10支，自耗電極拼焊時鈦棒、鈮棒與鋁棒的排列方式為：中心1支鈮棒，第二層圍繞鈮棒緊密排列10支鈦棒，第三層再均勻排列10支鋁棒。步驟3：采用等離子弧焊接方法按照步驟2設計好的拼焊方式將鈦棒、鋁棒與鈮棒拼焊成自耗電極。步驟4：一次熔煉，用步驟3制備的自耗電極在真空自耗電弧爐中熔煉，獲得一次錠；其中，熔煉電流為4-8KA，熔煉電壓為25-28V。步驟5：二次熔煉，將一次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行二次熔煉，獲得二次錠，其中，熔煉電流為7-12KA，熔煉電壓為26-32V。步驟6：三次熔煉，將二次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行三次熔煉，獲得三次錠，其中，熔煉電流為7-10KA，熔煉電壓為28-32V。步驟7：冷卻，熔煉完成后要求成品錠在真空或充氬狀態(tài)下冷卻至200℃以下出爐，得到含鈮Ti3Al合金鑄錠。對制備的鑄錠進行扒皮、切冒口后，在鑄錠的頭、中、尾部取樣進行化學成分分析。主元素鋁、鈮檢測結果見表3：表3Ti-22at％Al-27at％Nb合金鑄錠鋁、鈮含量(at％)部位頭中尾鋁含量22.4122.1522.12鈮含量27.1427.0527.19實施例4以制備100kgTi-24at.％Al-11at.％Nb合金鑄錠為例，其制備步驟如下：步驟1：選用0級以上海綿鈦為原材料制備出純鈦鑄錠，并將純鈦鑄錠經(jīng)鍛造、軋制、磨削等工序制備出Φ39mm規(guī)格的光亮鈦棒。步驟2：經(jīng)計算制備100kgTi-24at.％Al-11at.％Nb合金鑄錠需要Φ40×2000mm鈮棒1支，Φ39×2000mm鈦棒6支，Φ25.5×2000mm鋁棒6支，自耗電極拼焊時鈦棒、鈮棒與鋁棒的排列方式為：中心1支鈮棒，第二層圍繞鈮棒緊密排列6支鈦棒，第三層圍繞鈮棒再均勻排列6支鋁棒。步驟3：采用等離子弧焊接方法按照步驟2設計好的拼焊方式將鈦棒、鋁棒與鈮棒拼焊成自耗電極。步驟4：一次熔煉，用步驟3制備的自耗電極在真空自耗電弧爐中熔煉，獲得一次錠；其中，熔煉電流為4-8KA，熔煉電壓為25-28V。步驟5：二次熔煉，將一次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行二次熔煉，獲得二次錠，其中，熔煉電流為7-12KA，熔煉電壓為26-32V。步驟6：三次熔煉，將二次錠倒置作為自耗電極在真空自耗電弧爐中進行三次熔煉，獲得三次錠，其中，熔煉電流為7-10KA，熔煉電壓為28-32V。步驟7：冷卻，熔煉完成后要求成品錠在真空或充氬狀態(tài)下冷卻至200℃以下出爐，得到含鈮Ti3Al合金鑄錠。對制備的鑄錠進行扒皮、切冒口后，在鑄錠的頭、中、尾部取樣進行化學成分分析。主元素鋁、鈮檢測結果見表4：表4Ti-24at％Al-11at％Nb合金鑄錠鋁、鈮含量(at％)部位頭中尾鋁含量24.3224.2524.40鈮含量10.8510.9211.06從表1-4可以看出，實施例1-4制備的合金化學成分均勻性好。當前第1頁1 2 3