本發(fā)明屬于鈦合金技術領域，具體涉及一種WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠，本發(fā)明還涉及上述WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠的制備方法。

背景技術：

在航空、航天和航海領域，鈦合金零部件需要在高速、高壓和振動等條件下長期穩(wěn)定服役，合金往往未達到極限強度時便發(fā)生斷裂。為了提高鈦合金零部件的使用壽命及穩(wěn)定性，設計者對鈦合金棒材提出了損傷容限要求，即合金在保持靜強度的基礎上，具有較低的裂紋擴展速率，較高的斷裂韌性和抗疲勞性能。采用單純改變合金化學成分的技術途徑難以解決高強度、高斷裂韌性和低裂紋擴展速率性能之間的矛盾，必須降低合金中氮和氫等有害雜質(zhì)元素，合理控制碳、氧和鐵等具有強化效果的間隙元素，才能減小位錯遷移速率，避免形成裂紋源，最終滿足損傷容限設計要求。獲得高純高均勻性的鈦合金鑄錠是提高損傷容限性的有效方法之一。

WSTi64E名義成分為Ti-6Al-4V，是在普通Ti-6Al-4V合金基礎上發(fā)展起來的一種高損傷容限兩相鈦合金，該合金制備的大規(guī)格棒材、厚板或鍛件能夠用于大型寬體飛機整框、發(fā)動機風扇鼓桶以及海洋深潛器外殼等大尺寸零部件制造。大規(guī)格鈦材在制備過程中往往容易發(fā)生合金元素偏析、變形抗力和變形速率不均勻等現(xiàn)象，進而降低了合金的損傷容限性能。

與其它元素相比，在2200K下，鋁元素的飽和蒸氣壓約為240Pa，鈦和釩元素的飽和蒸汽壓均為10^-2Pa數(shù)量級，然而鈦合金熔點接近1900K，在液態(tài)鈦合金熔體中，氫、氧和氮元素極易形成氣體，鋁元素則隨著熔體溫度升高，揮發(fā)速率也隨之增加，易揮發(fā)元素容易在坩堝壁冷凝形成渣殼；相比之下，釩元素則不易熔化，在較低溫度下還可能形成不熔塊形式的硬夾雜冶金缺陷，因此不同元素之間飽和蒸汽壓差異阻礙了提升鑄錠化學成分均勻性。

在真空自耗電弧熔煉工藝，以純金屬和海綿鈦形式制備自耗電弧熔煉用電極塊，再進行兩次真空自耗熔煉，無法精確控制鋁和釩等合金元素含量，還可能形成富鈮形式的不熔塊缺陷。因此，合金元素的配入方式和熔煉工藝是WSTi64E合金制備的關鍵。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠，解決了常規(guī)熔煉方法制備WSTi64E合金產(chǎn)生的鋁元素偏析和硬夾雜的冶金缺陷問題。

本發(fā)明的另一目的是提供上述WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠的制備方法。

本發(fā)明所采用的技術方案是，一種WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠，按照重量百分比有以下元素組成：Al：5.8％～6.5％，V：3.6％～4.4％，F(xiàn)e：0.10％～0.25％，C：0.01％～0.05％，O：0.05％～0.12％，N<0.03％，H<0.0125％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素總量不超過0.10％，以上組分重量百分比之和為100％。

本發(fā)明特點還在于，

V、Fe元素分別來源于釩含量為40.0％～60.0％的顆粒狀鋁釩合金，鐵含量為50.0％～70.0％的顆粒狀鋁鐵合金。

Al元素來源于源于鋁豆、以及顆粒狀鋁釩和鋁鐵合金；C元素來源于純度大于99.0％的石墨粉末，O元素來源于純度大于99.0％的二氧化鈦粉末。

本發(fā)明所采用的另一種技術方案是，上述WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1，制備電極：

將顆粒狀的鋁釩合金、鋁鐵合金，和鋁豆、碳粉和二氧化鈦粉，以及小顆粒海綿鈦進行單塊電極混料，并壓制成電極塊；

步驟2，焊接自耗電極：

用夾具夾緊步驟1得到的電極塊，采用非鎢極氬氣保護等離子箱將電極塊焊接為自耗電極；

步驟3，采用真空自耗電弧爐進行對步驟2得到自耗電極進行三次真空熔煉，即得到WSTi64E鈦合金鑄錠。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1中顆粒狀鋁釩合金的釩含量為40.0％～60.0％，顆粒狀鋁鐵合金的鐵含量為50.0％～70.0％，碳粉為純度大于99.0％的石墨粉末。

步驟2中電極為正方體電極。

步驟2中電極焊接的電流為300～500A，焊接電壓為40～50V。

步驟3中一次熔煉參數(shù)為：坩堝規(guī)格Φ560～Φ640mm，熔前真空度≤2.0Pa，漏氣率≤1.5Pa/min，熔煉電壓30～40V，熔煉電流12～18kA，穩(wěn)弧電流直流3.0～10.0A，冷卻時間4～8h。

步驟3中坩堝規(guī)格Φ640～Φ850mm，熔前真空度≤1.8Pa，漏氣率≤1.2Pa/min，熔煉電壓30～40V，熔煉電流14～24kA，穩(wěn)弧電流交流5.0～12.0A，冷卻時間6～8h。

步驟3中三次熔煉參數(shù)為：坩堝規(guī)格Φ720～Φ920mm，熔前真空度≤1.5Pa，漏氣率≤1.0Pa/min，熔煉電壓32～40V，熔煉電流20～28kA，穩(wěn)弧電流交流8.0～18.0A，冷卻時間6～8h。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用顆粒狀鋁釩和鋁鐵中間合金代替塊狀純釩和純鐵，選用高品位0.83～12.7mm小顆粒海綿鈦，嚴格控制原材料中的氧含量及其它雜質(zhì)元素含量，采用添加高純碳粉和二氧化鈦粉精確控制間隙元素含量。電極壓制前采用單塊電極混料，充分混合均勻；電極在非鎢極真空等離子焊箱中完成整個電極焊接過程，避免了鎢或其他雜質(zhì)的污染以及電極氧化；采用真空自耗電弧爐進行三次熔煉，熔煉過程對真空度、漏氣率等參數(shù)進行嚴格控制，使整個鑄錠化學成分橫向和縱向均勻性均得到提高、雜質(zhì)元素含量降低。成功突破了工業(yè)5噸級和8噸級超大規(guī)格鑄錠化學成分均勻性控制技術，控制了鋁元素在熔煉過程中的燒損，避免了高熔點釩元素形成不熔塊等冶金缺陷，有效的解決了成分偏析，雜質(zhì)和間隙元素的含量控制、批次穩(wěn)定性等問題，適用于Φ720～Φ920mm規(guī)格WSTi64E鈦合金鑄錠的工業(yè)化生產(chǎn)。制備得到的WSTi64E鈦合金鑄錠能夠用于加工大型板材、整體框梁和環(huán)形鍛件，適用于制造海洋壓力容器、寬體飛機機身以及大型發(fā)動機鼓桶等關鍵零部件。

附圖說明

圖1是對采用本發(fā)明方法得到的鑄錠縱向5點取樣示意圖；

圖2是對采用本發(fā)明方法得到的鑄錠橫向9點取樣示意圖；

圖3是本發(fā)明實例3得到的鑄錠縱向5點Al、V元素含量分布圖；

圖4是本發(fā)明實例3得到的鑄錠橫向9點Al化學成分含量分布圖；

圖5是本發(fā)明實例3得到的鑄錠橫向9點V化學成分含量分布圖。

圖中，1.鑄錠，2.縱向取樣點，3.橫向取樣點。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠，按照重量百分比有以下元素組成：Al：5.8％～6.5％，V：3.6％～4.4％，F(xiàn)e：0.10％～0.25％，C：0.01％～0.05％，O：0.05％～0.12％，N<0.03％，H<0.0125％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素總量不超過0.15％，以上組分重量百分比之和為100％。

上述WSTi64E高損傷容限超大規(guī)格鈦合金鑄錠制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1，制備電極：

按照各元素重量百分比為：Al：5.8％～6.5％，V：3.6％～4.4％，F(xiàn)e：0.10％～0.25％，C：0.01％～0.05％，O：0.05％～0.12％，N<0.03％，H<0.0125％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素總量不超過0.10％，以上組分重量百分比之和為100％，計算合金配比并分別稱取釩含量為40.0％～60.0％的顆粒狀鋁釩合金，鐵含量為50.0％～70.0％的顆粒狀鋁鐵合金，以及顆粒狀鋁豆，碳粉和二氧化鈦粉，與粒度為0.83～12.7mm的小顆粒海綿鈦進行單塊電極混料，并用大型液壓機壓制成電極塊，壓制壓力≥20MPa，壓制時間≥4s。

其中碳粉為純度大于99.0％的石墨粉末；二氧化鈦粉純度大于99.0％。

步驟2，焊接自耗電極：

用夾具夾緊電極塊，采用非鎢極氬氣保護等離子箱將電極塊焊接成一個正方體電極，即為自耗電極，電極焊接的電流為300～500A，焊接電壓為40～50V；

焊點要求為銀灰色或淡黃色，防止焊點氧化和高密度夾雜等冶金缺陷。

步驟3，采用真空自耗電弧爐進行對步驟2得到自耗電極進行三次真空熔煉：

一次熔煉：將步驟2得到自耗電極置于坩堝規(guī)格Φ560～Φ640mm，熔前真空度≤2.0Pa，漏氣率≤1.5Pa/min，熔煉電壓30～40V，熔煉電流12～18kA，穩(wěn)弧電流直流3.0～10.0A，冷卻時間4～8h，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

二次熔煉：將一次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉，坩堝規(guī)格Φ640～Φ850mm，熔前真空度≤1.8Pa，漏氣率≤1.2Pa/min，熔煉電壓30～40V，熔煉電流14～24kA，穩(wěn)弧電流交流5.0～12.0A，冷卻時間6～8h，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

三次熔煉：將二次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉，坩堝規(guī)格Φ720～Φ920mm，熔前真空度≤1.5Pa，漏氣率≤1.0Pa/min，熔煉電壓32～40V，熔煉電流20～28kA，穩(wěn)弧電流交流8.0～18.0A，冷卻時間6～8h，即得到WSTi64E鈦合金鑄錠。

本發(fā)明采用顆粒狀鋁釩和鋁鐵中間合金代替塊狀純釩和純鐵，選用高品位0.83～12.7mm小顆粒海綿鈦，嚴格控制原材料中的氧含量及其它雜質(zhì)元素含量，采用添加高純碳粉和二氧化鈦粉精確控制間隙元素含量。電極壓制前采用單塊電極混料，充分混合均勻；電極在非鎢極真空等離子焊箱中完成整個電極焊接過程，避免了鎢或其他雜質(zhì)的污染以及電極氧化；采用真空自耗電弧爐進行三次熔煉，熔煉過程對真空度、漏氣率等參數(shù)進行嚴格控制，使整個鑄錠化學成分橫向和縱向均勻性均得到提高、雜質(zhì)元素含量降低。成功突破了工業(yè)5噸級和8噸級超大規(guī)格鑄錠化學成分均勻性控制技術，控制了鋁元素在熔煉過程中的燒損，避免了高熔點釩元素形成不熔塊等冶金缺陷，有效的解決了成分偏析，雜質(zhì)和間隙元素的含量控制、批次穩(wěn)定性等問題，適用于Φ720～Φ920mm規(guī)格WSTi64E鈦合金鑄錠的工業(yè)化生產(chǎn)。制備得到的WSTi64E鈦合金鑄錠能夠用于加工大型板材、整體框梁和環(huán)形鍛件，適用于制造海洋壓力容器、寬體飛機機身以及大型發(fā)動機鼓桶等關鍵零部件。

實施例1

步驟1，按照各元素重量百分比為：Al6.5％，V4.4％，F(xiàn)e0.25％，C0.05％，O0.10％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素總量不超過0.15％，以上組分重量百分比之和為100％，分別稱取釩含量為40.0％～60.0％的顆粒狀鋁釩合金，鐵含量為50.0％～70.0％的顆粒狀鋁鐵合金，以及顆粒狀鋁豆，碳粉和二氧化鈦粉，與粒度為0.83～12.7mm的小顆粒海綿鈦進行單塊電極混料；

步驟2，將步驟1混合的原料倒入大型液壓機模腔并壓制成致密電極塊，壓制力20MPa，保壓時間4s；

步驟3，用夾具夾緊電極塊，采用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極，焊接電流300A，焊接電壓40V，焊點要求為銀灰色或淡黃色，防止焊點氧化和高密度夾雜等冶金缺陷；

步驟4，采用真空自耗電弧爐對步驟2得到的自耗電極進行三次真空熔煉，具體為：

一次熔煉：結(jié)晶器規(guī)格Φ560mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔煉電壓30V～35V，熔煉電流12kA～14kA，漏氣率控制在1.5Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用直流3A～5A，熔煉后冷卻時間4.0小時，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

二次熔煉：將一次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉，結(jié)晶器規(guī)格Φ640mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔煉電壓30V～35V，熔煉電流14kA～16kA；漏氣率控制在1.2Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用交流5A～8A，熔煉后冷卻時間6.0小時，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

三次熔煉：將二次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉；結(jié)晶器規(guī)格Φ720mm，熔前真空度≤1.5Pa，熔煉電壓32V～37V，熔煉電流20kA～22kA；漏氣率控制在1.0Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用交流8A～11A，熔煉后冷卻時間6.0小時，得到Φ720mm的WSTi64E鈦合金鑄錠。

實施例2

步驟1，按照各元素重量百分比為：Al6.2％，V4.0％，F(xiàn)e0.15％，C0.03％，O0.095％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素總量不超過0.15％，以上組分重量百分比之和為100％，分別稱取釩含量為40.0％～60.0％的顆粒狀鋁釩合金，鐵含量為50.0％～70.0％的顆粒狀鋁鐵合金，以及顆粒狀鋁豆，碳粉和二氧化鈦粉，與粒度為0.83～12.7mm的小顆粒海綿鈦進行單塊電極混料；

步驟2，將步驟1混合的原料倒入大型液壓機模腔并壓制成致密電極塊，壓制力25MPa，保壓時間6s；

步驟3，用夾具夾緊電極塊，采用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極，焊接電流400A，焊接電壓45V，焊點要求為銀灰色或淡黃色，防止焊點氧化和高密度夾雜等冶金缺陷；

步驟4，采用真空自耗電弧爐對步驟2得到的自耗電極進行三次真空熔煉，具體為：

一次熔煉：結(jié)晶器規(guī)格Φ640mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔煉電壓32V～37V，熔煉電流14kA～16kA，漏氣率控制在1.5Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用直流5A～8A，熔煉后冷卻時間6.0小時，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

二次熔煉：將一次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉，結(jié)晶器規(guī)格Φ720mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔煉電壓32V～37V，熔煉電流18kA～20kA；漏氣率控制在1.2Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用交流8A～10A，熔煉后冷卻時間6.0小時，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

三次熔煉：將二次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉；結(jié)晶器規(guī)格Φ850mm，熔前真空度≤1.5Pa，熔煉電壓34V～40V，熔煉電流20kA～22kA；漏氣率控制在1.0Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用交流10A～12A，熔煉后冷卻時間7.0小時，得到Φ850mm的WSTi64E鈦合金鑄錠。

實施例3

步驟1，按照各元素重量百分比為：Al5.8％，V3.6％，F(xiàn)e0.10％，C0.01％，O0.05％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素總量不超過0.15％，以上組分重量百分比之和為100％，分別稱取釩含量為40.0％～60.0％的顆粒狀鋁釩合金，鐵含量為50.0％～70.0％的顆粒狀鋁鐵合金，以及顆粒狀鋁豆，碳粉和二氧化鈦粉，與粒度為0.83～12.7mm的小顆粒海綿鈦進行單塊電極混料；

步驟2，將步驟1混合的原料倒入大型液壓機模腔并壓制成致密電極塊，壓制力28MPa，保壓時間6s；

步驟3，用夾具夾緊電極塊，采用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極，焊接電流500A，焊接電壓50V，焊點要求為銀灰色或淡黃色，防止焊點氧化和高密度夾雜等冶金缺陷；

步驟4，采用真空自耗電弧爐對步驟2得到的自耗電極進行三次真空熔煉，具體為：

一次熔煉：結(jié)晶器規(guī)格Φ720mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔煉電壓35V～40V，熔煉電流16kA～18kA，漏氣率控制在1.5Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用直流8A～10A，熔煉后冷卻時間8.0小時，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

二次熔煉：將一次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉，結(jié)晶器規(guī)格Φ850mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔煉電壓35V～40V，熔煉電流22kA～24kA；漏氣率控制在1.2Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用交流10A～12A，熔煉后冷卻時間8.0小時，熔煉完成后對在車床對鑄錠進行倒角處理；

三次熔煉：將二次熔煉并倒角后的鑄錠倒置并重新熔煉；結(jié)晶器規(guī)格Φ920mm，熔前真空度≤1.5Pa，熔煉電壓35V～40V，熔煉電流24kA～28kA；漏氣率控制在1.0Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用交流16A～18A，熔煉后冷卻時間8.0小時，得到Φ920mm的WSTi64E鈦合金鑄錠。

按照圖1和2所示，對實施例中制得的規(guī)格分別為Φ720mm、Φ850mm和Φ920mm的WSTi64E合金5噸、5噸和8噸級工業(yè)大型鑄錠的縱向頭、上、中、下、尾5點和橫截面9點進行取樣及化學成分檢測，數(shù)據(jù)顯示鑄錠各部位各元素成分分布均勻以及批次間的穩(wěn)定性較好；以及對鑄錠頭、中、尾部位切片進行X射線透射，結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)任何成分偏析和冶金缺陷；其中實例3得到的Φ920mm規(guī)格WSTi64E鈦合金鑄錠縱向5點和橫向9點化學成分分析結(jié)果分別如圖3、4、5所示(縱坐標為元素重量百分比)，其中縱向5點化學成分在表1中列出，圖4、圖5分別表示各元素的不同取樣點的含量分布。可見各元素成分分布均勻。

表1Φ920mm規(guī)格WSTi64E鈦合金鑄錠縱向5點化學成分列表

由測試結(jié)果可知，采用本發(fā)明的熔煉工藝技術生產(chǎn)的WSTi64E鈦合金工業(yè)級大型鑄錠成分均勻，并且批次穩(wěn)定性良好，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。