[发明专利]制备钛棒的方法、钛棒、钛合金及钛合金器件

权利要求书

1.一种制备钛棒的方法，其特征在于：所述方法使用制备钛棒的装置，所述装置包括炉体，所述炉体内充有氩/氢混合气体，所述炉体的顶部设置有氩氢等离子炬（1）和送料管（2），所述等离子炬（1）的电源输入端位于所述炉体的外侧，高频直流电源（20）用于为所述等离子炬提供工作电源，所述等离子炬的下端位于所述炉体内，且所述等离子炬下方的炉体内设置有电极熔炼水冷铜坩埚（4），所述等离子炬与所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）内的原料之间能够产生等离子电弧（3），通过等离子电弧（3）对原料进行熔炼，形成钛熔体；所述送料管（2）的一端位于所述炉体的外侧，所述送料管的另一端位于所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）的上侧，用于向所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）内输送原料；

所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）的出液口的下方设置有第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）且所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的下端具有开口，使得相应的物料能够从其上端开口进入，再从下端开口排出；所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的外侧设置有第一感应线圈，第一交流电源（6）用于为所述第一感应线圈提供工作电源，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的下端设置有两个第一辅助轮（34），所述第一辅助轮（34）的下侧设置有两个第一夹持导向轮（12），两个所述第一辅助轮（34）的内侧距离以及两个所述第一夹持导向轮（12）的内侧距离与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的内径相适配，所述第一夹持导向轮（12）的下侧设置有第二感应线圈（14），所述第二感应线圈（14）通过独立的交流电源为其供电，所述第二感应线圈（）14的上沿与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的下沿之间保持有一段距离，该段距离使得当第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）内的钛熔体排出时先凝固；

所述第二感应线圈（14）的下方设置有第二感应熔炼水冷铜坩埚（10），且所述第二感应线圈（14）下端与第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）上端之间的距离为D-2D之间，D为应熔炼水冷铜坩埚的内径，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的下端具有开口，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的外侧设置有第三感应线圈，第二交流电源（7）用于为所述第三感应线圈提供工作电源，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的下端设置有两个第二辅助轮，所述第二辅助轮的下侧设置有两个第二夹持导向轮（13），两个所述第二辅助轮的内侧距离以及两个所述第二夹持导向轮（13）的内侧距离与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的内径相适配，所述第二夹持导向轮（13）的下侧设置有第四感应线圈（15），所述第四感应线圈（15）通过独立的交流电源为其供电；所述第四感应线圈（15）的上沿与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的下沿之间保持有一段距离，该段距离使得当第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内的钛熔体排出时先凝固；

所述第四感应线圈（15）的下方设置有第三感应熔炼水冷铜坩埚（11），且所述第四感应线圈（15）与第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）之间具有一段距离，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）的下端具有开口，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）的外侧设置有第五感应线圈，第三交流电源（8）用于为所述第五感应线圈提供工作电源，高纯钛支撑杆（18）位于所述炉体内，且其下端与下拉杆（19）的上端连接，所述下拉杆（19）的下端延伸至所述炉体外并与下拉杆升降装置的动力输出端连接，所述高纯钛支撑杆（18）在所述下拉杆的带动下能够进入到所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）内；

所述方法包括如下步骤：

首先给整体体系通入循环水，抽真空至10^-1Pa-10^-3Pa，然后将高纯钛支撑杆（18）顶端置于第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）内的平衡界面位置处，高纯钛支撑杆（18）与下拉杆（19）相连，在电极熔炼水冷铜坩埚（4）内放置初始纯钛料，启动氩氢等离子炬（1），使其工作，待初始纯钛料熔炼平衡后，通过送料管（2）不断的将氧化钛或者金红石投入到电极熔炼水冷铜坩埚（4）中，此时的钛熔体表层部分的温度达到2400℃，高温下氧化钛或者金红石熔解在纯钛熔体中，氧及铁杂质以原子形式进入钛熔体中，炉体内气氛中的氢原子在高温下熔解在钛熔池（5）中，熔解到钛熔体中的氢元素将熔体中的氧元素、氮元素和碳元素除去；随着熔炼的进行电极熔炼水冷铜坩埚（4）中的钛元素的不断增加，钛熔池（5）中的钛熔体溢出流入到第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）中，通过第一观察管（23）观察第一感应熔炼水冷铜坩埚（9），当溢入第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）中的钛熔体达到其内部空间的一半时，启动第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）周围的水冷铜坩埚感应线圈，在电磁感应的作用下，流入的熔体继续处于熔化状态，高纯钛支撑杆（18）上的钛熔体与其熔接在一起；

待第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）中的熔体驼峰与第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的上沿平齐以后，下拉杆（19）不断的向下运动，随着下拉杆（19）的运动，从第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的底部排出的钛熔体凝固成钛棒，根据下拉杆（19）运动距离，当高纯钛支撑杆（18）的原有上端面位置位于第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的上端面时，停止下拉杆（19）的运动，同时停止送料管（2）中的投料，启动第二感应线圈（14）对钛棒进行感应加热直至其熔化并熔断，然后驱动下拉杆（19）运动，待下拉杆（19）上熔断钛棒的上表面与第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内的平衡界面相齐平后，停止下拉杆运动，启动第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）外侧的水冷铜坩埚感应线圈，然后向送料管（2）中投料同时启动第一夹持导向轮（12）使得第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）内的钛棒不断边凝固边进入第二感应线圈（14）区域内，并通过第二感应线圈（14）对其加热形成稳定的钛熔体液滴（29），钛熔体液滴（29）滴落入第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内；

通过第二观察管（21）观察钛棒的熔化情况以及第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内的情况，待第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）中的熔体驼峰与第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的上沿平齐以后，下拉杆（19）不断的向下运动，从第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的底部排出的钛熔体凝固成钛棒，根据下拉杆（19）运动距离，当高纯钛支撑杆（18）的原有上端面位置位于第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）的上端面时，停止下拉杆（19）的运动，同时停止送料管（2）中的投料并停止第二感应线圈（14）的感应加热以及第一夹持导向轮（12）的驱动；启动第四感应线圈（15）对钛棒进行感应加热直至其熔化并熔断，然后驱动下拉杆（19）运动，待下拉杆（19）上熔断钛棒的上表面与第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）内的平衡界面相齐平后，停止下拉杆运动，启动第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）外侧的水冷铜坩埚感应线圈；然后向送料管（2）中投料同时启动第一夹持导向轮（12）使得第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）内的钛棒不断边凝固边进入第二感应线圈（14）区域内，并同时启动第二夹持导向轮（13）使得第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内的钛棒不断边凝固边进入第四感应线圈（15）区域内，通过第二感应线圈（14）对第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）排出的钛棒进行加热形成稳定的钛熔体液滴（29），钛熔体液滴（29）滴落入第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内，同时通过第四感应线圈（15）对第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）排出的钛棒进行加热形成稳定的钛熔体液滴（29），钛熔体液滴（29）滴落入第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）内；

通过第三观察管（22）观察钛棒的熔化情况以及第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）内的情况，待第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）中的熔体驼峰与第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）的上沿平齐以后，下拉杆（19）开始向下运动，伴随着下拉杆（19）的向下运动，第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）内的钛熔体将被以钛棒的形式拉出，实现从氢去除氧杂质到第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）、第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）及第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）中的分级凝固排杂过程，当第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）和第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内部熔池的杂质过多时，将其倾倒至第一积渣池（16）和第二积渣池（17）中，然后重复上述整个过程，最后获得的钛棒经过高温真空除氢，实现钛棒的制备。