一种利用纯钛TA1残废料制备TC4ELI合金的制备工艺
文献发布时间:2024-04-18 19:58:53
技术领域
本发明涉及合金制备工艺的技术领域,特别是涉及一种利用纯钛TA1残废料制备TC4ELI合金的制备工艺。
背景技术
目前,国内主流熔炼制备TC4ELI钛合金的方法主要有以下两种:一种是利用传统真空自耗电弧(VAR)炉多次熔炼制备,其过程为将海绵钛、铝钒合金、铝豆、铁钉(或铝钒铁合金)等原材料按一定比例混合均匀后,用油压机压制成一定规格的电极块,焊接成“圆棒状”自耗电极,然后在VAR炉中真空熔炼成TC4ELI钛合金圆形铸锭(一般要经过2-3次重复熔炼);VAR熔炼过程,自耗电极经电弧熔化后滴落至坩埚底部,逐渐凝固成铸锭,即:原材料(自耗电极)中含有的杂质及夹杂物会直接进入铸锭中,无法有效剥离;制备的TC4ELI钛合金存在高、低密度夹杂物,宏观偏析等冶金缺陷;此外,VAR熔炼炉真空度一般为0.1~1.0Pa,且炉室空间小、气体杂质逃逸缺口有限,故脱气效果差,反而会发生铸锭中气体含量增加的问题;
另外一种是采用电子束冷床回收合金残废料熔炼技术制备工艺,其原理为在真空成形环境中,利用具有高能量的电子束作为热源,将送进的合金材料熔化,按照规划好的成形路径,逐点逐层堆积,直至成形出近净成形的金属零件。回收合金残废料的方式中,残废料成分难以控制,配料分析难免存在误差,物料装配过程难以做到成分均匀,因此造成熔炼过程中铸锭成分不均匀,制备的TC4ELI钛合金存在宏观偏析等冶金缺陷。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种利用纯钛TA1残废料制备TC4ELI合金的制备工艺,以解决上述存在的技术问题。
本发明提供一种利用纯钛TA1残废料制备TC4ELI合金的制备工艺,包括如下步骤:
步骤一:原材料准备,选择高纯度的原材料:纯钛TA1残废料、海绵钛、铝钒合金、铝豆和铁钉;建立原材料配料数据库,包括成分、质量和挥发性质;计算和控制原材料的比例,确保每种原材料按正确比例投入;
步骤二:混料、压制成块,使用混合设备混料,通过自动称重和控制系统称重传输;在80MN油压机上设置压机锤头参数进行压制;
步骤三:布料、烘干,通过机器视觉系统,对每个料块进行检查,根据料块尺寸和成分,优化烘干参数进行烘干;
步骤四:电子束冷床炉熔炼,烘干后的料块钛坨依次码放入进料器中,并送入电子束冷床炉进行熔炼,一次熔炼得到BT22钛合金铸锭,通过温度控制系统确保电子束冷床炉内温度稳定,达到所需熔炼温度;通过实时监控系统,监测炉内温度、压力、电流;
步骤五:质量检验,使用非破坏性检测方法,对铸锭进行全面检测,确保内部无缺陷;做详细的数据记录和分析,对每批铸锭的检测结果进行统计和分析。
步骤一:原材料配料;
原材料配料计算及物料用量统计如下:试验所用海绵钛(1级)、铝钒合金(AlV55)、铝豆(99.8%)、铁钉(Fe)重量共计1509.46Kg,经混布料机混合,单层双排摆放在料箱中,钛坨上层均匀码放TA1纯钛残料1496kg,合计配料物料的重量为3005.46kg;
建立原材料配料数据库,包括成分、质量和挥发性质;
原材料的比例分析:
(1)正常熔炼料块分析
试验正常熔炼料配料计算如下:
Al%=(114×99.86%+191.6×41.09%)÷2731.6=7.05%
V%=191.600×58.45%÷2731.6=4.10%
Fe%=(1060×0.018%+114×0.073%+191.6×0.14%+2.96×99.652%+3.12×0.010%+1360×0.030%)÷2731.6=0.14%
O%=(1060×0.044%+191.6×0.063%+3.12×40.05%+1360×0.055%)
÷2731.6=0.095%;
(2)头排料块分析
根据经验可知,熔炼前期,由于熔炼速度较低,易挥发元素挥发损失率偏大,故头排料配料值中Al元素配料值略有提升,配料计算如下:
Al%=(12×99.86%+19.24×41.09%)÷273.74=7.26%
V%=19.24×58.45%÷273.74=4.10%
Fe%=(106×0.018%+12×0.073%+19.24×0.14%+0.292×99.652%+0.248×0.010%+136×0.030%)÷273.74=0.14%
O%=(106×0.044%+19.24×0.063%+0.248×40.05%+136×0.055%)
÷273.74=0.085%;
步骤二:混料、压制成块;
除TA1纯钛残料外,其他物料加入到混料设备上不同的料仓中,经料仓底部出料口振动出料、同时利用设备自带的高精度电子秤自动称重,称重精度为±0.2g,经称重后传送至混料器中进行混料,混料器正反各转1分钟,经2分钟后,倾料至80MN油压机模腔中;在80MN油压机操作平台上设置压机锤头下压行程及吨位,将物料压制成料块钛坨。
根据钛合金熔炼规律分析,对TC4ELI钛合金(Ti-6Al-4V)中各元素的挥发率进行估算,并按此进行配料计算,给予易挥发组元Al一定的补加量;
步骤三:布料、烘干;
通过机器视觉系统,对每个料块进行检查,确保每个料块都符合要求,提高操作的精度和速度,布料码放时使用两个大料箱,下层单层码放合金钛坨A(10块/箱),上层码放残料;每排2块靠两侧摆放,中间可摆残料,以此摆料方式摆5排,上层/两侧码放TA1板边料680kg;码放残料时按长度方向均匀码放,先熔炼的料箱的前端码放前排料,下层单块码放合金钛坨B,上层/两侧码放TA1板边料68kg;
所述步骤三将料块(钛坨)烘干具体包括如下步骤:
步骤31:将步骤二中压制的料块钛坨摆放入烘干料箱中;
步骤32:检查料块钛坨表面,确认所有料块钛坨均添加了中间合金、铝钒合金(AlV55)、铝豆;
步骤33:使用100kg量程电子称,按照30%的比例抽检料块钛坨重量,并做记录,并使用电子吊秤对料块钛坨总重量进行称量,并做记录;
步骤34:将抽检和称量后的料块钛坨进行烘干,烘干时长2~4h,温度115~125℃;
步骤四:电子束冷床(EB)炉熔炼,将装配好的送入电子束冷床炉进行熔炼,一次熔炼得到TC4ELI钛合金铸锭;
电子束冷床炉熔炼,具体包括如下步骤:
步骤41:将步骤三中的料块钛坨按照每排1块,双层摆放放入料箱中;其中,第一排摆放头排料块钛坨,然后是正常熔炼料钛坨,最后一排为尾排料块钛坨;
步骤42:检查电子束冷床炉,包括:检查灌装氢氧气体压力,检查电源柜冷却水,开启电源柜并设定电源柜电压;
步骤43:步骤42对电子束冷床炉检查无误后,启动电子束冷床炉,分别启动1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#电子枪,并设定1#~7#电子枪电流值,并记录;
步骤44:步骤43中1#~7#电子枪启动后,再次对电子枪电流值进行设定,设定好电子枪电流值后开始推料进行熔炼,熔炼期间保证冷床内无冷区;
步骤45:步骤44熔炼结束后,将获得的铸锭从EB炉拉锭系统中取出,并进行铸锭表面加工,包括去除氧化皮、铸锭端面“平头”
处理;
步骤五:质量检验,将熔炼完成的铸锭,从EB炉中取出通过超声波探测进行铸锭质量检验,确保内部无气孔、夹杂物等缺陷。
本发明的有益效果在于:该工艺相比传统的多次VAR熔炼,可有效去除原料中的高、低密度夹杂,保证铸锭质量;相比于电子束熔丝技术工艺,制备过程简单,工艺要求较低,成本小,经济风险低。
附图说明
图1为本发明的电子枪电流拟合曲线图;
图2为本发明的EB电子束冷床炉炉内真空度与各枪电流加总拟合的曲线图;
图3为本发明的进料速度与拉锭速度的拟合曲线图;
具体实施方式
实施例1
如图1-3所示,本发明提供一种利用纯钛TA1残废料制备TC4ELI合金的制备工艺,包括如下步骤:
步骤一:原材料配料;
步骤二:混料、压制成块;
步骤三:布料、烘干;
步骤四:电子束冷床(EB)炉熔炼,将装配好的送入电子束冷床炉进行熔炼,一次熔炼得到TC4ELI钛合金铸锭;
步骤五:质量检验,将熔炼完成的铸锭,从EB炉中取出进行铸锭质量成分检验;
所述步骤一中,原材料配料计算及物料用量统计如下:试验所用海绵钛(1级)、铝钒合金(AlV55)、铝豆(99.8%)、铁钉(Fe)重量共计1509.46Kg,经混布料机混合,单层双排摆放在料箱中,钛坨上层均匀码放TA1纯钛残料1496kg,合计配料物料的重量为3005.46kg。
配料的分析:
(1)正常熔炼料块分析
试验正常熔炼料配料计算如下:
Al%=(114×99.86%+191.6×41.09%)÷2731.6=7.05%
V%=191.600×58.45%÷2731.6=4.10%
Fe%=(1060×0.018%+114×0.073%+191.6×0.14%+2.96×99.652%+3.12×0.010%+1360×0.030%)÷2731.6=0.14%
O%=(1060×0.044%+191.6×0.063%+3.12×40.05%+1360×0.055%)÷2731.6=0.095%;
(2)头排料块分析
根据经验可知,熔炼前期,由于熔炼速度较低,易挥发元素挥发损失率偏大,故头排料配料值中Al元素配料值略有提升,配料计算如下:
Al%=(12×99.86%+19.24×41.09%)÷273.74=7.26%
V%=19.24×58.45%÷273.74=4.10%
Fe%=(106×0.018%+12×0.073%+19.24×0.14%+0.292×99.652%+0.248×0.010%+136×0.030%)÷273.74=0.14%
O%=(106×0.044%+19.24×0.063%+0.248×40.05%+136×0.055%)÷273.74=0.085%;
所述步骤二中,TA1纯钛残料、铝钒合金(AlV55)、铝豆(99.86%)等原材料,其中除TA1纯钛残料外,其他物料加入到配混料设备上不同的料仓中,经料仓底部出料口振动出料、同时利用设备自带的高精度电子秤自动称重,称重精度为±0.2g,经称重后倾入送料小车中;物料经送料小车运输至混料器中进行混料,混料器正反各转1分钟,经2分钟后,倾料至80MN油压机模腔中;在80MN油压机操作平台上设置压机锤头下压行程及吨位,将物料压制成料块(钛坨)。
根据钛合金熔炼规律分析,对TC4ELI钛合金(Ti-6Al-4V)中各元素的挥发率进行估算,并按此进行配料计算,给予易挥发组元Al一定的补加量。试验采用海绵钛(1级)、TA1纯钛残料、铝钒合金(AlV55)、铝豆(99.86%)和铁钉(Fe)等原材料,其中除TA1纯钛残料外,其他物料经全自动混布料机称重、混合,在80MN油压机中压制成580×380×95mm规格的钛坨;然后按照一定的规则码放在进料料箱中。
所述步骤三中将步骤一物料通过挑选及剪切匹配物料,顺利实现装料规则及物料平衡。码放时使用两个大料箱,下层单层码放合金钛坨A(10块/箱),上层码放残料。每排2块(靠两侧摆放,中间可摆残料),以此摆料方式摆5排,上层/两侧码放TA1板边料680kg。码放残料时按长度方向均匀码放,先熔炼的料箱的前端码放前排料,下层单块码放合金钛坨B,上层/两侧码放TA1板边料68kg。
所述步骤3将料块(钛坨)烘干具体包括如下步骤:
步骤31:将步骤2中压制的料块(钛坨)摆放入烘干料箱中;
步骤32:目测检查料块(钛坨)表面,确认所有料块(钛坨)均添加了中间合金、铝钒合金(AlV55)、铝豆;
步骤33:使用100kg量程电子称,按照30%的比例抽检料块(钛坨)重量,并做记录,并使用电子吊秤对料块(钛坨)总重量进行称量,并做记录;
步骤34:将抽检和称量后的料块(钛坨)进行烘干,烘干时长2~4h,温度115~125℃。
所述步骤四中将步骤三中烘干后的料块(钛坨)依次码放入进料器中,并送入电子束冷床炉进行熔炼,一次熔炼得到TC4ELI钛合金铸锭;从EB炉中取出铸锭进行检验。
所述步骤4电子束冷床炉熔炼,具体包括如下步骤:
步骤41:将步骤2中压制的料块(钛坨)按照每排1块,双层摆放放入料箱中;其中,第一排摆放头排料块(钛坨),然后是正常熔炼料(钛坨),最后一排为尾排料块(钛坨);
步骤42:检查电子束冷床炉,包括:检查灌装氢氧气体压力,检查电源柜冷却水,开启电源柜并设定电源柜电压;
步骤43:步骤4.2对电子束冷床炉检查无误后,启动电子束冷床炉,分别启动1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#电子枪,并设定1#~7#
电子枪电流值,并记录;
步骤44:步骤4.3中1#~7#电子枪启动后,再次对电子枪电流值进行设定,设定好电子枪电流值后开始推料进行熔炼,熔炼期间保证冷床内无冷区;
步骤45:步骤44熔炼结束后,将获得的铸锭从EB炉拉锭系统中取出,并进行铸锭表面加工,包括去除氧化皮、铸锭端面“平头”
处理;
步骤五:质量检验,将熔炼完成的铸锭,从EB炉中取出通过超声波探测进行铸锭质量检验,确保内部无气孔、夹杂物等缺陷。
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