一種航空用熱強鈦合金鑄錠及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種航空用熱強鈦合金鑄錠，其各元素重量百分比：6.2％～7.3％Al，0.4％～1.0％Mo，3.5％～4.5％Zr，0.5％～1.5％Nb，2.0％～3.0％Sn，0.1％～0.25％Si，0.04％～0.15％O，0.05％～0.14％C，余量為Ti，以上組分重量百分比之和為100％。本發(fā)明還公開了上述鑄錠的制備方法。本發(fā)明通過改變合金元素的添加方式來提高大型鑄錠的成分均勻性，成功突破了成分均勻性控制技術(shù)；同時在熔煉過程中，通過控制電流來控制熔煉速度，以達到均勻化成分的目的，有效的解決了采用常規(guī)方法熔煉WSTi62411SC鈦合金易產(chǎn)生鋁偏析和鉬難熔塊等冶金缺陷的問題。
【專利說明】
一種航空用熱強鈦合金鑄錠及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于鈦合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種航空用熱強鈦合金鑄錠，本發(fā)明 還涉及上述航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] WSTi62411SC鈦合金是一種變形熱強鈦合金，屬于近α型鈦合金，它是Ti-Al-Zr- Sn-Mo-Nb-Si-C合金系中最具代表性的合金之一，可在550~600°C工作，用于制造航空發(fā)動 機的壓氣機盤和葉片等。它是由BT18合金改進而來，改型后的合金在降低鋁含量的同時，用 錫代替部分鋯，因而提高了其工藝塑性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變性能和沖擊韌性;同時保持了600 °C的持久強度，但工作溫度下的瞬時強度和該溫度下保溫后的塑性略有降低。WSTi62411SC 鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能，該合金不能通過熱處理進行強化，但調(diào)整熱處理制度，可獲得 具有不同性能的顯微組織，從而使得材料的性能可以通過不同顯微組織的搭配達到使用要 求。
[0003] 由于WSTi62411SC鈦合金中合金元素種類較多，且含量較高，合金中鋁元素含量比 普通的鈦合金高，而鋁和錫的熔點又遠低于鈦，另外，還含有鋯、鈮、鉬和硅等熔點高的元 素，因此WSTi62411SC鈦合金中主元素熔點溫度梯度大，鑄錠熔煉時極易形成鋁偏析和鋯、 鈮、鉬和硅的難熔塊等冶金缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種航空用熱強鈦合金鑄錠，解決了現(xiàn)有WSTi62411SC鈦合 金中主元素熔點溫度梯度大，鑄錠熔煉時極易形成鋁偏析和鋯、鈮、鉬和硅的難熔塊等冶金 缺陷的問題。
[0005] 本發(fā)明的另一目的是提供上述航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種航空用熱強鈦合金鑄錠，其各元素重量百分比： 6.2%~7.3%Al，0.4%~1.0%Mo,3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn， 0.1%~0.25%31，0.04%~0.15%0,0.05%~0.14%(：，余量為11，以上組分重量百分比之 和為100%。
[0007] 本發(fā)明的特點還在于，
[0008] Al、Mo、Zr、Nb、Sn、Si元素來源于鈦合金中間合金。
[0009] 鈦合金中間合金為40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金。
[0010] 〇元素來源于Ti〇2粉末，C元素來源于C粉末。
[0011] 本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，具體 包括以下步驟：
[0012]步驟1，壓制電極塊：
[0013]將鈦合金中間合金、小顆粒海綿鋯、鋁豆、Ti02粉末、C粉末與一級小顆粒海綿鈦， 進行單塊電極混料，然后壓制成電極塊；
[0014] 步驟2,焊接電極：
[0015] 將步驟1得到的電極塊采用非鎢極氬氣保護等離子箱焊接為電極；
[0016] 步驟3,熔煉：
[0017] 將步驟2制得的電極，置于真空自耗電弧爐進行2-3次真空熔煉，即得到航空用熱 強鈦合金鑄錠。
[0018] 本發(fā)明的特點還在于，
[0019] 步驟1中各原料混合后其元素重量百分比：6.2%~7.3 %A1，0.4%~1.0 %Mo， 3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si，0.04%~0.15%0， 0.05%~0.14%C，余量為Ti，以上組分重量百分比之和為100%。
[0020] 鈦合金中間合金為40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金。
[0021]步驟3中一次真空熔煉的參數(shù)為:坩堝規(guī)格Φ280~Φ440πιπι，熔前真空< 1.5Pa，漏 氣率< 0.8Pa/min，熔煉電壓31~39V，熔煉電流7~15kA，穩(wěn)弧電流采用直流6.0~12.0A，熔 煉后冷卻時間3~4h。
[0022] 步驟3中二次真空熔煉的參數(shù)為:坩堝規(guī)格Φ360~Φ560πιπι，熔前真空< l.OPa，漏 氣率<〇.8Pa/min，熔煉電壓32~43V，熔煉電流10~20kA，穩(wěn)弧電流采用交流6.0~10.0A， 熔煉后冷卻時間4~5h。
[0023] 步驟3中三次真空熔煉的參數(shù)為:坩堝規(guī)格Φ560~Φ720πιπι，熔前真空<0.5Pa，漏 氣率<〇.5Pa/min，熔煉電壓35~40V，熔煉電流20~30kA，穩(wěn)弧電流采用交流交流8.0~ 12.0，熔煉后冷卻時間5~6h。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是，通過改變合金元素的添加方式來提高大型鑄錠的成分均勻 性，采用40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金，成功突破了成分均勻性 控制技術(shù)，避免高熔點元素鋯、鈮、鉬、硅和低熔點元素鋁、錫形成宏觀偏析。嚴格控制合金 中的間隙元素含量，有效的解決了采用常規(guī)方法熔煉WSTi62411SC鈦合金易產(chǎn)生鋁偏析和 鉬難熔塊等冶金缺陷的問題。在熔煉過程中，通過控制電流來控制熔煉速度，以達到均勻化 成分的目的。本發(fā)明有效的解決了WSTi62411SC鈦合金成分偏析，雜質(zhì)和間隙元素的含量控 制、批次穩(wěn)定性等問題，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明方法制得的鑄錠橫向九點取樣位置示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明方法制得的鑄錠橫截面九點取樣主元素含量圖；
[0027]圖3是本發(fā)明方法制得的鑄錠顯微組織圖。
[0028]圖中，1.鑄錠，2.取樣點。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0030]本發(fā)明一種航空用熱強鈦合金鑄錠，其各元素重量百分比：6.2 %~7.3 % A1， 0.4%~1.0%Mo,3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si， 0.04%~0.15%0,0.05%~0.14%(：，余量為11，以上組分重量百分比之和為100%。
[0031]本發(fā)明的特點還在于，
[0032] Al、Mo、Zr、Nb、Sn、Si元素來源于鈦合金中間合金。
[0033] 鈦合金中間合金為40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金。 [0034] 0元素來源于Ti02粉末，C元素來源于C粉末。
[0035] 本發(fā)明一種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，具體包括以下步驟：
[0036] 步驟1，按照元素重量百分比：6.2%~7.3%厶1，0.4%~1.0%]?〇,3.5%~4.5% Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si，0.04%~0· 15%0,0.05%~ 0.14%C，余量為Ti，以上組分重量百分比之和為100%，稱取40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合 金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度為5~9mm的小顆粒海綿鋯、鋁豆、Ti02粉末、C粉末與粒 度為5~10_的一級小顆粒海綿鈦，將以上原料進行單塊電極混料，然后壓制成電極塊；
[0037] 步驟2,將步驟1得到的電極塊采用非鎢極氬氣保護等離子箱焊接為電極；
[0038] 步驟3,將步驟2制得的電極，置于真空自耗電弧爐進行2-3次真空熔煉，熔煉過程 中，通過控制電流來控制熔煉速度，即得到航空用熱強鈦合金鑄錠，熔煉參數(shù)如下：
[0039] 一次真空熔煉的參數(shù)為:坩堝規(guī)格Φ280~Φ440πιπι，熔前真空< 1.5Pa，漏氣率< 0.8Pa/min，熔煉電壓31~39V，熔煉電流7~15kA，穩(wěn)弧電流采用直流6.0~12.0A，熔煉后冷 卻時間3~4h;
[0040]二次真空熔煉的參數(shù)為:坩堝規(guī)格Φ360~Φ560πιπι，熔前真空< l.OPa，漏氣率< 0.8Pa/min，熔煉電壓32~43V，熔煉電流10~20kA，穩(wěn)弧電流采用交流6.0~10.0A，熔煉后 冷卻時間4~5h;
[00411三次真空熔煉的參數(shù)為:坩堝規(guī)格Φ 560~Φ 720mm，熔前真空< 0.5Pa，漏氣率< 0.5Pa/min，熔煉電壓35~40V，熔煉電流20~30kA，穩(wěn)弧電流采用交流交流8.0~12.0，熔煉 后冷卻時間5~6h。
[0042]本發(fā)明方法為了避免高熔點元素鋯、鈮、鉬、硅和低熔點元素鋁、錫形成宏觀偏析 或不熔塊，主元素的加入采用了 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金 等中間合金添加方式，純金屬選用高品位粒度為5~9mm的小顆粒海綿鈦和和粒度為5~ 10mm的海綿鋯，氧采用Ti02粉末添加，碳采用C粉末添加;嚴格控制原材料中的氧含量及其 它雜質(zhì)元素含量，電極壓制前采用單塊電極混料，充分混合均勻；電極在真空等離子焊箱中 完成整個焊接過程，避免了鎢或其他雜質(zhì)的污染以及電極氧化;采用真空電弧爐進行2~3 次熔煉，在熔煉過程中，通過控制電流來控制熔煉速度，同時對真空度、漏氣率等進行嚴格 控制，使整個鑄錠的成分均勻性提高、雜質(zhì)含量降低。
[0043] 采用本發(fā)明的熔煉工藝，生產(chǎn)3批規(guī)格分別為Φ 360mm、Φ 560mm和Φ 720mm的 ￥31^624113(：鈦合金工業(yè)級鑄錠。合金各元素的成分配比為(重量百分比）：11-(6.2~7.3) Al-(0.4~1.0)M〇-(3.5~4.5)Zr-(0.5~1.5)Nb-(2.0~3.0)Sn-(0.1~0.25)Si-(0.04~ 0.15)0-(0.05~0.14)C;所述各種添加物的配比根據(jù)其取樣測試成分數(shù)值和WSTi62411SC 鈦合金目標成分值而定。
[0044] 實施例1
[0045] 步驟 1，按照元素重量百分比：6·2%Α1，0·4%~1.0%Mo,4.5%Zr，1.0%Nb，2.0% Sn，0.2%Si，0.1 %0,0.08%C，余量為Ti，以上組分重量百分比之和為100%，稱取 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度為5~9mm的小顆粒海綿鋯、 鋁豆、Ti02粉末、C粉末與粒度為5~10mm的一級小顆粒海綿鈦，將以上原料進行單塊電極混 料，然后壓制成電極塊；
[0046] 步驟2,將步驟1得到的電極塊采用非鎢極氬氣保護等離子箱焊接為電極；
[0047] 步驟3,將步驟2制得的電極，置于真空自耗電弧爐進行兩次真空熔煉，熔煉過程 中，通過控制電流來控制熔煉速度，參數(shù)如下：
[0048]
[0050]得到規(guī)格為Φ 360mm的航空用熱強鈦合金鑄錠。
[0051 ] 實施例2
[0052] 步驟 1，按照元素重量百分比：7 · 3 %A1，0 · 8 %Mo，4 · 0%Zr，0 · 5 %Nb，2 · 5 % Sn， 0.25%Si，0.04%0,0. 14%C，余量為Ti，以上組分重量百分比之和為100%，稱取 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度為5~9mm的小顆粒海綿鋯、 鋁豆、Ti02粉末與粒度為5~10mm的一級小顆粒海綿鈦，將以上原料進行單塊電極混料，然 后壓制成電極塊；
[0053] 步驟2,將步驟1得到的電極塊采用非鎢極氬氣保護等離子箱焊接為電極；
[0054]步驟3,將步驟2制得的電極，置于真空自耗電弧爐進行三次真空熔煉，熔煉過程 中，通過控制電流來控制熔煉速度，參數(shù)如下：
[0055]
[0057] 得到規(guī)格為Φ 560mm的航空用熱強鈦合金鑄錠。
[0058] 實施例3
[0059] 步驟 1，按照元素重量百分比：6 · 7 %Al，1 · 0 %Mo，3 · 5%Zr，1 · 5 %Nb，3 · 0 % Sn， 0 . 1 %Si，0 . 15%0,0.05%C，余量為Ti，以上組分重量百分比之和為100%，稱取 40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金和粒度為5~9mm的小顆粒海綿鋯、 鋁豆、Ti02粉末與粒度為5~10mm的一級小顆粒海綿鈦，將以上原料進行單塊電極混料，然 后壓制成電極塊；
[0060] 步驟2,將步驟1得到的電極塊采用非鎢極氬氣保護等離子箱焊接為電極；
[0061] 步驟3,將步驟2制得的電極，置于真空自耗電弧爐進行三次真空熔煉，熔煉過程 中，通過控制電流來控制熔煉速度，參數(shù)如下：
[0062]
[0063] 得到規(guī)格為Φ 720_的航空用熱強鈦合金鑄錠。
[0064] 對3批規(guī)格分別為Φ 360mm、Φ 560mm和Φ 720mm的WSTi62411SC鈦合金鑄錠縱向的 頭、上、中、下、尾5點和橫截面9點取樣對主元素和雜質(zhì)元素進行化學成分檢測，取樣點位置 如圖1所示。第三批鑄錠橫向切片九點取樣分析的各主元素含量如圖2所示，數(shù)據(jù)顯示鑄錠 各元素成分均勻以及批次間的穩(wěn)定性較好。
[0065]由測試結(jié)果可知，采用本發(fā)明的熔煉工藝技術(shù)生產(chǎn)的WSTi62411SC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。
【主權(quán)項】
1. 一種航空用熱強鈦合金鑄錠，其特征在于，其各元素重量百分比：6.2 %~7.3 % A1， 0.4%~1.0%Mo,3.5%~4.5%Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si， 0.04%~0.15%0,0.05%~0.14%(：，余量為11，以上組分重量百分比之和為100%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠，其特征在于，所述Al、Mo、Zr、Nb、 Sn、Si元素來源于鈦合金中間合金。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠，其特征在于，所述鈦合金中間合 金為40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金和Nb47Ti合金。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠，其特征在于，所述0元素來源于 Ti02粉末，C元素來源于C粉末。5. -種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟： 步驟1，壓制電極塊： 將鈦合金中間合金、粒度為5~9mm的小顆粒海綿鋯、鋁豆、Ti02粉末、C粉末與粒度為5~ 10_的一級小顆粒海綿鈦，進行單塊電極混料，然后壓制成電極塊； 步驟2,焊接電極： 將步驟1得到的電極塊采用非鎢極氬氣保護等離子箱焊接為電極； 步驟3,熔煉： 將步驟2制得的電極，置于真空自耗電弧爐進行2-3次真空熔煉，即得到航空用熱強鈦 合金鑄6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，其特征在于，所述步 驟1中各原料混合后其元素重量百分比：6.2%~7.3%Α1，0.4%~1.0%Μ〇,3.5%~4.5% Zr，0.5%~1.5%Nb，2.0%~3.0%Sn，0.1%~0.25%Si，0.04%~0· 15%0,0·05%~ 0.14%C，余量為Ti，以上組分重量百分比之和為100%。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，其特征在于，所述鈦 合金中間合金為40A155Mo5Ti合金、Ti80Sn合金、Ti50Si合金、Nb47Ti合金。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟3 中所述一次真空熔煉的參數(shù)為：坩堝規(guī)格Φ 280~Φ 440mm，熔前真空< 1.5Pa，漏氣率< 0.8Pa/min，熔煉電壓31~39V，熔煉電流7~15kA，穩(wěn)弧電流采用直流6.0~12.0A，熔煉后冷 卻時間3~4h。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟3 中所述二次真空熔煉的參數(shù)為：坩堝規(guī)格Φ 360~Φ 560mm，熔前真空< l.OPa，漏氣率< 0.8Pa/min，熔煉電壓32~43V，熔煉電流10~20kA，穩(wěn)弧電流采用交流6.0~10.0A，熔煉后 冷卻時間4~5h。10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種航空用熱強鈦合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟3 中所述三次真空熔煉的參數(shù)為：坩堝規(guī)格Φ 560~Φ 720mm，熔前真空< 0.5Pa，漏氣率< 0.5Pa/min，熔煉電壓35~40V，熔煉電流20~30kA，穩(wěn)弧電流采用交流交流8.0~12.0，熔煉 后冷卻時間5~6h。
【文檔編號】C22C1/03GK105838922SQ201610355450
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】賴運金, 史小云, 毛友川, 杜建超, 李芳 , 朱靜, 張鵬, 樓美琪, 王凱旋, 馮勇, 張平祥
【申請人】西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司