[发明专利]一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法

说明书

本发明公开一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法，包括制作扇形电极块、制作自耗电极、第一次真空自耗熔炼、第二次真空自耗熔炼和第三次真空自耗熔炼等，本发明在真空自耗电弧熔炼炉内进行，通过匹配熔炼过程的熔炼速度和熔池深度来实现控制熔池的过冷度方向，从而改变柱状晶的生长方向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，结合相邻两次真空自耗熔炼中调换铸锭头部和底部的熔炼方式，能有效抑制钛金属中偏析元素Fe、Cr等扩散导致的成分偏析，同时可消除铸锭中柱状晶区与等轴晶区的组织差异，利于提高锻造组织均匀性。

技术领域

本发明涉及金属熔炼技术领域，特别是涉及一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法。

背景技术

目前，钛金属铸锭的熔炼一般采用真空自耗熔炼技术，尽管熔炼技术已经成熟，但是常规真空自耗熔炼存在铸锭成分不均匀、不同部位相变点差异大，导致后续锻造组织均匀性控制难度大等问题。

针对Ti-1023、TC17等富Fe、Cr钛金属铸锭，该方法无法抑制Fe、Cr、Cu等正偏析元素的扩散偏析。一般真空自耗熔炼获得的柱状晶组织表现为尾部柱状晶沿纵向向上而边部柱状晶沿横向向内生长，柱状晶方向不一，导致Fe、Cr、Cu等元素扩散方向紊乱，成分均匀性难以控制。且铸锭中由表面到芯部分布有外部等轴晶层、柱状晶层、内部等轴晶层三层组织状态，不同的组织在锻造过程中的变形情况不一，会对后续锻造组织的均匀性造成不利影响。

因此，开发一种成分与组织形貌均具有高均匀特性的钛金属铸锭熔炼方法具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法，该方法依据的原理为：钛合金的结晶温度范围较窄，在熔池中的凝固区的宽度便窄，在凝固过程中，晶粒一旦在固-液界面前沿形核，即以“顺序凝固”的方式凝固，固、液界面逐步向着过冷方向的反方向推进，此过程中生长方向（β钛合金为100）与热流方向平行的晶粒优先长大，而与散热方向不平行的晶粒则被抑制。这种竞争生长的结果使铸锭内部晶粒的数目减少，并且生长方向总是倾向平行于热流方向，且与热流方向相反，最终形成柱状晶区。根据元素扩散规律，Fe、Cr、Cu等正偏析元素总是在固/液界面的凝固前沿富集，随着柱状晶的逐渐生长，越到末端，正偏析元素富集程度越高。而在真空自耗电弧熔炼炉过程中，热流方向总是垂直于熔池的固液界面由液相传导至固相。一般方法中，因熔池呈V型且深度较大，柱状晶的生长方向为由铸锭圆周面指向轴心，并向铸锭头部倾斜，从而导致正偏析元素富集于铸锭的轴心和头部，产生径向和轴向的偏析，采用多次调头的方法只能缓解铸锭的纵向偏析问题，轴向偏析反而会因为多次熔炼而逐渐加剧。本发明通过匹配熔炼过程中的熔炼速度和熔池深度来控制熔池的过冷方向，从而改变柱状晶的生长方向由径向转变为轴向，使铸锭整体获得沿轴向定向生长的柱状晶组织，使Fe、Cr、Cu等正偏析元素整体定向扩散，并结合相邻两次真空自耗熔炼中调换铸锭头部和底部的熔炼方式，使已发生定向扩散的偏析元素发生反向扩散，能有效抑制钛金属中偏析元素Fe、Cr、Cu等扩散导致的成分偏析，同时，也能有效抑制铸锭心部等轴晶的出现，利于提高锻造组织均匀性。具体技术方案如下：

一种高均匀钛金属铸锭熔炼方法，实现铸锭高成分均匀性的方法为：通过调节熔炼工艺参数，使熔池过冷度方向发生转变，径向生长的柱状晶变为沿轴向定向生长，具体包括以下步骤：

提供钛金属铸锭，钛金属铸锭中含有正偏析元素（Fe、Cr、Cu等）；

步骤一：按照所制备钛金属铸锭所需的成分选择海绵钛、金属单质和中间合金制成扇形电极块；

步骤二：将步骤一中得到的扇形电极块制成自耗电极；

步骤三：将步骤二所得自耗电极进行第一次真空自耗熔炼，得到一次铸锭，其中：一次铸锭的冒口端为头部，其另一端为底部；第一次真空自耗熔炼参数为：真空度≤5.0Pa；熔炼电流为12-18kA；熔炼电压为20-30V；稳弧电流采用直流3-8A；冷却水流速为400-600L/min；熔炼后冷却时间≥5h；