[发明专利]钛铝合金大尺寸铸锭的熔炼方法

说明书

技术领域：

本发明涉及钛铝合金大尺寸铸锭的熔炼方法。

背景技术

TiAl金属间化合物是一种新型轻质的高温结构材料，体积质量不及镍基合金的50%，具有轻质、高比强、耐蚀、耐蚀、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，并具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达700～1000℃，成为当代应用前景最为广阔的一种轻质高温结构材料。也成为新一代武器装备和高技术产品高性能、低成本、长寿命和轻量化的重要物质基础，将对新一代飞机、卫星、空间动量拦截器、高马赫数导弹、以及主战坦克和先进车辆耐热部件研制过程中的关键技术提供新技术指导。

据报道，2001年美国波音公司宣布，787民用客机使用GE公司发动机GENX低压涡轮后两级叶片采用TiAl合金，减轻发动机质量800磅（364公斤），1998年和2003年日本三菱重工采用真空熔炼反重力低压铸造法制备了高Nb-TiAl合金，并应用在赛车发动机用增压涡轮，以替代较重的镍基合金Inconel713C涡轮，使用TiAl合金节省启动时间，提高了最大转速，显示出极大的潜力。

TiAl合金的应用领域不断扩展，在民用航空航天领域，除了叶片外，非转动部件、非受力轮盘、薄板蒙皮等都可能应用，汽车的增压涡轮和排气阀等也成为发展重点，以及多孔TiAl材料等。

由于TiAl基合金间化合物的组成元素的熔点和密度的差异，铸锭不可避免的会存在冶金缺陷、成分偏析，会使后续热机械加工不可控，并且得不到均匀组织，严重影响其综合力学性能和高温抗氧化性。因此铸锭的熔炼尤其大型铸锭的熔炼一直是国内外的行业重点难题。

TiAl合金铸锭的制备主要有真空电弧熔炼、等离子束熔炼、感应凝壳熔炼三种办法，当铸锭尺寸较小时（小于160～200mm），能得到成分和组织相对均匀的铸锭但仍存在大量的枝晶及组织的宏观偏析，当铸锭尺寸较大时，通常会存在明显裂纹甚至直接发生铸锭开裂等严重质量问题。从文献报道来看，真空电弧熔炼比后两种熔炼方法更适宜熔炼大尺寸TiAl合金锭，适合工程化应用。

TiAl合金在熔炼中由于元素熔点、密度及非平衡凝固偏析系数的差异，通常会在铸锭中导致不同程度的元素偏析，而且容易在冷却过程中，造成铸锭开裂，大直径的TiAl合金铸锭熔炼的是一大难题，也限制了国内TiAl合金材料的加工和应用，目前国内能熔炼直径不大于300mm的铸锭。

发明内容

本发明目的是，提供一种熔炼大直径TiAl合金铸锭的方法。

本发明技术方案是：钛铝合金大尺寸铸锭的熔炼方法，采用多次真空自耗熔炼，在金属复合材料坩埚中凝结成锭，此坩埚采用特种金属与纯铜爆炸复合后的复合材料制作坩埚，特种材料熔点可达～2000℃以上作为内层与金属熔池接触，而外层采用纯铜水冷，使得熔炼TiAl合金时可以获得缓慢的冷却速度，熔炼铸锭的直径可以达到320mm。

真空自耗一次熔炼的熔炼电压：25～37伏，电流：40～70安培/平方厘米；熔炼真空度：0.4～3帕斯卡；一次铸锭：真空凝壳二次熔炼，将一次铸锭在250公斤真空凝壳炉中进行二次熔炼，浇注圆锭。真空自耗三次熔炼，将真空凝壳炉熔炼的两个铸锭组焊后在真空自耗炉中熔炼，熔炼电压：25～37伏，电流：40～70安培/平方厘米，熔炼真空度：0.4～3帕斯卡，三次铸锭：

本发明有益效果是，本发明可以得到质量达到国标的铸锭。

具体实施方式

工艺实例：Ti-43Al-9V-合金铸锭

1.制备电极：

1)原料：0级海绵钛（颗粒12.5～25.4mm)

铝钒合金（钒含量58%）

铝豆：(颗粒直径小于10mm)

油压机压制近似圆形电极块，密度达3.0克/立方厘米以上，压制后用氩气保护等离子焊将电极块组焊成待熔化电极。

2.真空自耗一次熔炼

熔炼电压：25～37伏

电流：40～70安培/平方厘米

熔炼真空度：0.4～3帕斯卡

一次铸锭：

坩埚采用特种金属复合材料制作，外水冷方式。

3.真空凝壳二次熔炼

将一次铸锭在250公斤真空凝壳炉中进行二次熔炼，浇注圆锭。

熔炼电压：25～40伏

电流密度：40～70安培/平方厘米

熔炼真空度：0.4～3帕斯卡

铸模采用特种金属复合材料制作。

4.真空自耗三次熔炼

将真空凝壳炉熔炼的两个铸锭组焊后在真空自耗炉中熔炼。