一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺

技术领域

本发明涉及钛合金EB熔炼技术领域，具体涉及一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺。

背景技术

Gr.38钛合金是美国阿莱格尼技术公司开发的一种新型高强度钛合金，该合金亦被称作ATI425，其名义成分为Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O，是一种α+β型高强钛合金。Gr.38钛合金的强度可以和Ti-6-4合金相媲美，具有可以进行冷加工的优势；鉴于Gr.38钛合金具有极佳的超塑成形性和开孔疲劳性能，而且还可进行摩擦搅动焊接，其用途十分广泛，颇适合用来取代钢、铝、复合材料、纯钛材及其他钛合金，特别是在航空航天以及军事防御系统方面有极其广阔的应用前景；

由于钛合金加工材成材率较低，其中Gr.38钛合金从原材料到最终产品有效利用率仅为10％～15％，目前生产过程中产生的残料未能合理使用造成资源的严重浪费和环境污染。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺，通过原料和废料混合进行EB熔炼铸锭；其中，原料的比例为44.47％-59.64％，废料的比例为40.36％-55.53％；原料中各元素的配比为Al为4.605％-4.781％，V为2.414％-2.436％,Fe为1.414％-1.436％,O为0.215％-0.226％,余量为Ti(海绵钛)。

优选的，原料的比例为59.64％，废料的比例为40.36％；原料中各元素配比为Al为4.611％，V为2.436％,Fe为1.435％,O为0.223％,余量为Ti；所述Ti为海绵钛，所述的废料为飞边料。

优选的，原料的比例为55.31％，废料的比例为44.69％；原料中各元素配比为Al为4.609％，V为2.432％,Fe为1.43％,O为0.226％,余量为Ti；所述Ti为海绵钛，废料为飞边料及散屑，其中，飞边料占废料的75.68％，余量为散屑。

优选的，原料的比例为50.03％，废料的比例为49.97％；原料中各元素配比为Al为4.781％，V为2.414％,Fe为1.414％,O为0.215％,余量为Ti；所述Ti为海绵钛，废料为飞边料及散屑，其中飞边料占废料的68％，余量为散屑。

优选的，原料的比例为44.47％，废料的比例为55.53％；原料中各元素配比为Al为4.781％，V为2.414％,Fe为1.414％,O为0.215％,余量为Ti；所述Ti为海绵钛，废料为飞边料及块料，其中，飞边料占废料的35.84％，余量为块料。

优选的，EB熔炼时采用的布料方式为，将钛坨A分两份码放在料箱底部两侧，在两份钛坨A的顶部及中间的空隙码放飞边料；钛坨A为海绵钛块；

优选的，EB熔炼时采用的布料方式为，将钛坨B4成“U”型结构码放在料箱底部及两侧，在钛坨B4形成的中间凹槽内以及钛坨B顶部码放飞边料；钛坨B是由海绵钛和成品Gr.38钛合金加工刨铣下来的散屑压制成块；

优选的，EB熔炼时采用的布料方式为，将钛坨B分两份码放在料箱底部两侧，在两份钛坨B的顶部及中间的空隙码放飞边料；

优选的，EB熔炼时采用的布料方式为，将钛坨C分两份码放在料箱底部两侧，在两份钛坨C的顶部及中间的空隙码放飞边料；钛坨C是由海绵钛和成品Gr.38钛合金加工时产生的块料压制成块；

优选的，EB熔炼的过程为：

S1:装料与真空作业

1)对原材料及废料进行烘干作业，烘干时长2～4h，温度120℃；

2)将Gr.38实验用建壳放入电子束冷床；

3)将烘干的原料及废料配料布料，确认装料无误后封闭炉膛；

4)根据操作规程完成真空作业，炉内真空度高于1.0×10-2torr后使用氦质谱检漏仪对炉体检漏确认无漏点，测炉体漏气率低于3.3torr·L/s。

S2：铸锭熔炼

1)启动电子枪及制作底托

启动电子枪烘炉：加热冷凝壳且不使其熔化，观察炉内真空变化情况；烘炉期间应严格控制1～5#枪电流范围；同时启动6～7#枪预热底托；确认所有电子枪状态无异常且炉内真空稳定后，提高电流熔化冷凝壳。

铸锭制作底托：冷凝壳表层完全熔化后开始进料，1～4#电子枪保持同步提升；左右进料速度尽保持一致；制底过程中平稳提升6#、7#枪电流；制底完成后不冷却，铸锭下拉直接进入熔炼阶段。

2)熔炼

熔炼时1～4#电子枪电流加总占1～7#枪电流加总的比例保持在65％左右；保持左右两侧进料速度保持一致；进入稳定熔炼工况后降低6、7#电子枪电流，将6、7#枪电流加总占1～7#枪电流加总的比例控制在20％；正常熔炼期间合理分配电子枪扫描图形，保证电子束冷床及结晶器内无冷区。

3)出锭

铸锭自然冷却4小时后放气，安全出锭。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

该工艺将Gr.38钛合金的废料和原料混合熔炼，废料添加比例提升至55％，提高了钛合金废料利用率，有效的避免了资源的浪费和环境污染。

工艺通过合理布料配料提升单炉次入炉率，保证熔炼挥发控制及成分均匀性的良好匹配，保证熔炼过程稳定、持续，最大程度缩减熔炼前期及末期用时，将铸锭头尾成分不合格范围压缩至最低，从而提升单锭成材率；精确控制电子枪电流运行及扫描轨迹，避免铸锭表面形成冷隔、夹渣等缺陷，减少铸锭表面加工损耗率。

附图说明

图1是本发明一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺中实施例一的布料方式；

图2是本发明一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺中实施例二的布料方式；

图3是本发明一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺中实施例三的布料方式；

图4是本发明一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺中实施例四的布料方式；

图5是本发明通过EB熔炼铸锭后锻造成棒材的Gr38钛合金棒材低倍组织；

图6是本发明通过EB熔炼铸锭后锻造成棒材的本发明通过EB熔炼铸锭后锻造成棒材的Gr.38钛合金棒材显微组织；

图中：飞边料1、钛坨A2、料箱3、钛坨B4、钛坨C5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：

一种低成本Gr.38钛合金EB熔炼工艺，熔炼工艺以实施例1～实施例4为例，通过原料+废料→EB熔炼铸锭的方式实现，对不同废料形式、添加比例下的熔炼过程及质量进行分析，形成低成本化合金的生产工艺。

实施例1～实施例4试验是在小试、中试试验基础上开展的低成本板坯的熔铸生产试验，在BMO-01型EB炉中，将海绵钛、汽车下支臂(Gr38钛合金产品)飞边料、屑料等不同形式的原材料，根据生产需要灵活搭配，熔炼制备低成本的Gr.38钛合金板坯。

(1)原材料匹配及布料方式：

实施例1～实施例4试验选用不同的废料添加比例；具体原料构成及废料占比如下表所示。

表1低成本熔炼工艺废料添加比例参数

将不同类型的Gr.38钛合金废料进行预处理(清洗、尺寸调整或压制成块)后，按照约40％、45％、50％、55％的添加比例，与原料混合后进行铸锭熔炼试验；

通过对EB炉熔炼炉况的分析，结合具体物料的配料值，对试验物料进行合理的入料搭配。期间，主要关注两方面的要求：一是物料中各元素的配入量尽可能保证均匀，且符合配料目标值的要求；二是尽可能提高单批次入料量(装箱密度)，提高熔炼效率。实施例1～实施例4试验的原料中各元素的配比如下表所示。

表2低成本熔炼工艺原料中各元素的配比

具体布料方式如下图1-4所示；

如图1所示，实施例1的布料方式，将钛坨A2分两份码放在料箱3底部两侧，在两份钛坨A2的顶部及中间的空隙码放飞边料1；钛坨A2为海绵钛块；

如图2所示，实施例2的布料方式，将钛坨B4成“U”型结构码放在料箱3底部及两侧，在钛坨B4形成的中间凹槽内以及钛坨B4顶部码放飞边料1；钛坨B4是由海绵钛和成品Gr.38钛合金加工刨铣下来的散屑压制成块；

如图3所示，实施例3的布料方式，将钛坨B4分两份码放在料箱3底部两侧，在两份钛坨B4的顶部及中间的空隙码放飞边料1；

如图4所示，实施例4的布料方式，将钛坨C5分两份码放在料箱3底部两侧，在两份钛坨C5的顶部及中间的空隙码放飞边料1；钛坨C5是由海绵钛和成品Gr.38钛合金加工时产生的块料压制成块；

(2)熔炼步骤：

EB熔炼过程对各项工艺参数的要求均较为严格，熔炼前期炉内真空的获取及保压极为重要，这是保证电子枪稳定运行的关键前提条件。另外，电子枪运行的稳定性、进料速度与拉锭速度的匹配等参数也是保证稳定熔炼的重要因素。

S1:装料与真空作业；

1)对原料及废料进行烘干作业，烘干时长2～4h，温度120℃；

2)将Gr.38实验用建壳放入电子束冷床；

3)将烘干的原料及废料分别按实施例1-4配料布料，确认装料无误后封闭炉膛；

4)根据操作规程完成真空作业，炉内真空度高于1.0×10-2torr后使用氦质谱检漏仪对炉体检漏确认无漏点，测炉体漏气率应当低于3.3torr·L/s。

S2：铸锭熔炼；

1)启动电子枪及制作底托；

启枪烘炉期间：加热冷凝壳且不使其熔化，观察炉内真空变化情况。烘炉期间应严格控制1～5#枪电流范围；同时应启动6～7#枪预热底托。确认所有电子枪状态无异常且炉内真空较为稳定后，进一步提高电流熔化冷凝壳。

铸锭制底期间：冷凝壳表层完全熔化后开始进料，1～4#电子枪尽量保持同步提升且电流不宜过高；左右进料速度尽可能保持一致；制底过程中平稳提升6#、7#枪电流；制底完成后不冷却，铸锭下拉直接进入熔炼阶段。

2)熔炼；

熔炼时(双层料)1～4#电子枪电流加总占1～7#枪电流加总的比例应保持在65％左右；尽量保持左右两侧进料速度保持一致。进入稳定熔炼工况后微调(降低)6、7#电子枪电流，将6、7#枪电流加总占1～7#枪电流加总的比例控制在20％左右。正常熔炼期间合理分配电子枪扫描图形，保证电子束冷床及结晶器内无冷区。

3)出锭；

铸锭自然冷却4小时后放气，安全出锭。

(3)对实施例四中的Gr.38钛合金铸锭锻后组织性能检测；

1)棒材性能检测；

将Gr.38钛合金锻坯表面机加见光，尺寸为Ф210mm×1800mm，后续在棒材端部截取100mm长一段进行整体热处理和力学性能测试。

将Gr.38钛合金棒材进行解剖取样分析，按照GB/T 228(金属材料室温拉伸试验方法)的标准要求进行取样；按照GB/T 2965-2007(钛及钛合金棒材)的标准要求，测试项目包括：化学成分，高、低倍组织，室温拉伸性能等。

2)理化测试结果；

a)化学成分；

经化学成分测试，Gr.38钛合金铸锭成分测试结果如表3所示，测试结果表明该合金成分均匀性良好。

表3Gr.38钛合金铸锭化学成分(wt％)

b)低倍组织；

Gr.38钛合金棒材低倍组织如图5所示。可以看出，锻棒低倍组织均为明显的清晰晶组织，未发现偏析、夹杂、裂纹、折叠等冶金缺陷，符合下游客户应用要求。

c)显微组织；

Gr.38钛合金棒材显微组织如图6所示。可以看出，Gr.38钛合金的显微组织为(α+β)两相区加工组织，无完整原始β晶界，转变的β基体上为等轴组织，初生α相呈颗粒状或短棒状，整体比较均匀，符合下游客户应用要求。

d)室温拉伸性能；

Gr.38钛合金棒材拉伸性能如表4所示。可以看出，Gr.38钛合金棒材的拉伸性能均能满足研究指标的考核的要求。

表4Gr.38钛合金棒材的力学性能

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。