权利要求
1.一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将原材料进行电子束冷床炉熔炼，得到一次铸锭;所述原材料包括中间合金、TA15返回料及TC6返回料;
步骤二、将步骤一中得到的一次铸锭进行真空自耗电弧熔炼，冷却后得到Ti52钛合金铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述中间合金为
铝钒合金、铝铬合金、钛铁合金、铝钼合金的一种或两种以上;所述铝钒合金的粒度为0.83mm~3mm，所述铝铬合金的粒度为1mm~3mm，所述钛铁合金的粒度为1mm~6mm，所述铝钼合金的粒度不大于0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述原材料还包括海绵钛、海绵锆及铝中的一种或两种以上，所述海绵钛选用1级以上海绵钛。
4.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，当步骤一中所述TA15返回料及TC6返回料的总质量占原材料总质量的60%~80%。
5.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，当步骤一中所述TA15返回料和TC6返回料为块状时，在进行电子束冷床炉熔炼前，将TA15返回料和TC6返回料进行酸洗、碱洗及喷丸，然后将除TA15返回料和TC6返回料之外的原材料混匀后压制为电极块，将TA15返回料、TC6返回料、电极块在电子束冷床炉的料箱中分层铺设为TA15返回料层、TC6返回料层及电极块层;所述块状的尺寸为：长度大于100mm，宽度大于100mm，厚度大于15mm。
6.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，当步骤一中所述TA15返回料和TC6返回料为屑状时，在进行电子束冷床炉熔炼前，将TA15返回料和TC6返回料进行破碎、清洗、筛分，然后将全部原材料混匀后压制为电极块;所述屑状的尺寸为：长度5mm~12mm，宽度5mm~12mm，厚度不大于1mm。
7.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述电子束冷床炉熔炼包括制底和熔炼过程，所述制底过程的电子枪电流为1A~6A，所述熔炼过程的熔速为150kg/h~900kg/h，所述电子束冷床炉熔炼的坩埚直径为300mm~890mm。
8.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤二中所述真空自耗熔炼的参数为：熔炼电流8kA~36kA，熔炼电压22V~34V，稳弧电流5A~30A，稳弧周期5s~30s;所述真空自耗熔炼的坩埚直径为380mm~1020mm。
9.根据权利要求1所述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述一次铸锭与步骤二中所述Ti52钛合金铸锭的横截面面积比为0.62~0.88。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于钛合金铸锭制备技术领域，尤其是涉及一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法。
背景技术
钛合金具有高比强度、低密度、耐腐蚀、无磁性等特点，在航空航天、兵器舰船、石油化工等领域具有非常重要的应用和扩大其应用的潜力。但由于钛合金原料成本高、加工流程长，导致其价格相对于钢和铝等金属较高，限制了其进一步的广泛应用。因此，降低成本是近年来钛合金研究者的研究重点和热点。常用的方式有两种：(1)通过添加Fe等低价格元素以代替昂贵的V等元素;(2)通过添加钛合金返回料降低原料成本。俄罗斯阿维斯玛公司报道称钛返回料每增加1%，可使钛合金锭的成本降低0.7%;钛返回料加入量达50%，则可使钛合金锭的成本至少降低三分之一。
[0002]钛合金回收料包括铸锭冒口、锭底、棒头、板边条、车屑料等，其在产生过程中有混入其他原料或夹杂物的风险，最终导致铸锭成分异常或存在夹杂。真空自耗电弧炉是目前钛合金熔炼使用最广泛地方式之一，其优点是生产的铸锭成分均匀性良好，但由于边熔化边凝固的特点除杂能力有限。而真空电子束冷床炉(EB)是另一种常用的熔炼方式，熔化后的钛熔体会在冷床上停留一段时间，可以有效去除钛合金返回料带入的夹杂。但由于电子束冷床炉的熔炼特点，其会导致低饱和蒸气压元素(如Al、Cr等)烧损严重，铸锭成分均匀性控制难度较大。
[0003]Ti52合金(名义成分为Ti-6.7Al-2V-1Zr-1.5Mo-2Cr-0.5Fe)是我国自主开发设计的一种钛合金牌号。现有技术采用海绵钛+中间合金的方式生产Ti52合金，但成本较高，并且常规钛合金返回料的夹杂物去除和成分均匀性控制难度大，严重限制了钛合金的广泛使用。
发明内容
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法。该方法通过采用TA15和TC6返回料代替部分原材料，以降低Ti52钛合金铸锭的制备成本，并结合电子束冷床炉熔炼+真空自耗电弧熔炼的双联熔炼工艺，提高Ti52钛合金铸锭的均匀性，制备高质量Ti52钛合金铸锭，解决了现有技术制备Ti52合金的成本较高的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将原材料进行电子束冷床炉熔炼，得到一次铸锭;所述原材料包括中间合金、TA15返回料及TC6返回料;
步骤二、将步骤一中得到的一次铸锭进行真空自耗电弧熔炼，冷却后得到Ti52钛合金铸锭。
[0006]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述中间合金为铝钒合金、铝铬合金、钛铁合金、铝钼合金的一种或两种以上;所述铝钒合金的粒度为0.83mm~3mm，所述铝铬合金的粒度为1mm~3mm，所述钛铁合金的粒度为1mm~6mm，所述铝钼合金的粒度不大于0.5mm。
[0007]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述原材料还包括海绵钛、海绵锆及铝中的一种或两种以上，所述海绵钛选用1级以上海绵钛。
[0008]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，当步骤一中所述TA15返回料及TC6返回料的总质量占原材料总质量的60%~80%。
[0009]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，当步骤一中所述TA15返回料和TC6返回料为块状时，在进行电子束冷床炉熔炼前，将TA15返回料和TC6返回料进行酸洗、碱洗及喷丸，然后将除TA15返回料和TC6返回料之外的原材料混匀后压制为电极块，将TA15返回料、TC6返回料、电极块在电子束冷床炉的料箱中分层铺设为TA15返回料层、TC6返回料层及电极块层;所述块状的尺寸为：长度大于100mm，宽度大于100mm，厚度大于15mm。
[0010]本发明通过将块状的TA15返回料和TC6返回料及电极块分层铺设，能够控制电子束冷床炉熔炼过程中原材料顺利移动，同时能够使电子束冷床炉熔炼过程中的原材料组成较为均匀，进而提高一次铸锭的成分均匀性。
[0011]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，当步骤一中所述TA15返回料和TC6返回料为屑状时，在进行电子束冷床炉熔炼前，将TA15返回料和TC6返回料进行破碎、清洗、筛分，然后将全部原材料混匀后压制为电极块;所述屑状的尺寸为：长度5mm~12mm，宽度5mm~12mm，厚度不大于1mm。
[0012]本发明通过将屑状的TA15返回料和TC6返回料与其他原材料混匀后压制成电极块，避免电子束冷床炉熔炼过程中，屑状材料尺寸较小导致移动时散落，同时能够使电子束冷床炉熔炼过程中的原材料组成较为均匀，进而提高一次铸锭的成分均匀性。
[0013]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述电子束冷床炉熔炼包括制底和熔炼过程，所述制底过程的电子枪电流为1A~6A，所述熔炼过程的熔速为150kg/h~900kg/h，所述电子束冷床炉熔炼的坩埚直径为300mm~890mm。
[0014]本发明通过控制制底过程的电子枪电流及熔炼过程的熔速，用于保证一次铸锭的成分均匀性。
[0015]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤二中所述真空自耗熔炼的参数为：熔炼电流8kA~36kA，熔炼电压22V~34V，稳弧电流5A~30A，稳弧周期5s~30s;所述真空自耗熔炼的坩埚直径为380mm~1020mm。
[0016]本发明通过控制真空自耗熔炼的参数，用于保证Ti52钛合金铸锭的成分均匀性;通过控制电子束冷床炉熔炼和真空自耗熔炼的坩埚直径，能够自由调整制得的Ti52钛合金铸锭的尺寸，同时控制电子束冷床炉熔炼的坩埚直径小于真空自耗熔炼坩埚直径，用于保证生产安全和铸锭的表面质量。
[0017]上述的一种TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法，其特征在于，步骤一中所述一次铸锭与步骤二中所述Ti52钛合金铸锭的横截面面积比为0.62~0.88。
[0018]本发明通过控制一次铸锭与Ti52钛合金铸锭截面面积比，用于保证生产安全和铸锭的表面质量。
[0019]本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过采用TA15返回料和TC6返回料代替部分原材料，以降低Ti52钛合金铸锭的制备成本，并结合电子束冷床炉熔炼+真空自耗电弧熔炼的方法，避免Ti52钛合金铸锭化学成分不均匀的现象发生，提高Ti52钛合金铸锭的质量。
[0020]2、本发明制备Ti52钛合金铸锭的原材料中，TA15返回料和TC6返回料的总质量占比能够达到60%以上，显著降低了Ti52钛合金铸锭的制备成本。
[0021]3、本发明通过将TA15返回料和TC6返回料根据尺寸分为块状和屑状，将块状料与其余原料压制的电极块分层铺设后进行电子束冷床炉熔炼，将屑状料与其余原材料混合压制为电极块后进行电子束冷床炉熔炼，并结合控制电子束冷床炉熔炼的速度，能够有效控制一次铸锭成分的均匀性;通过后续的真空自耗电弧熔炼，进一步保证Ti52钛合金铸锭的各部分成分均匀。
[0022]4、本发明的制备方法流程简单，生产成本低，易于工业化生产，制备出的Ti52钛合金铸锭直径可达1020mm;同时，本发明提出的“异种牌号返回料+中间合金”制备低成本钛合金的方法也适用于其他牌号钛合金铸锭的制备。
[0023]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0024]图1为实施例1中制备的Ti52钛合金铸锭的实物图。
具体实施方式
[0025]实施例1
本实施例中Ti52钛合金铸锭的名义成分为Ti-6.0Al-2.6V-1Zr-1.5Mo-1.6Cr-0.5Fe-0.09O，制备该Ti52钛合金铸锭的方法包括以下步骤：
步骤一、将170kg粒度为0.83mm~3mm的铝钒合金、115kg粒度为1mm~3mm的铝铬合金、55kg粒度为1mm~6mm的钛铁合金、22kg粒度不大于0.5mm的铝钼合金、46kg铝豆、22kg海绵锆、1580kg的1级以上海绵钛经自动混布料系统混合均匀后压制为25块密度不小于3.2g/cm3的电极块，并对1400kg块状TA15返回料和1600kg块状TC6返回料进行酸洗、碱洗及喷丸，然后将电极块、块状TA15返回料及块状TC6返回料在料箱内分层布料，铺设为一层TA15返回料、一层TC6返回料、一层电极块，使其均匀分布于料箱中进行电子束冷床炉熔炼，得到一次铸锭;所述块状TA15返回料及块状TC6返回料的尺寸为：长度大于100mm，宽度大于100mm，厚度大于15mm;所述TA15返回料的名义成分为Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，所述TC6返回料的名义成分为Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si;
所述电子束冷床炉熔炼的过程为：抽真空至1.0×100Pa进行制底，制底过程中电子枪电流保持在1A~6A，当金属液铺满坩埚底部后进行熔速为700kg/h~900kg/h的熔炼，冷却10h后出炉;所述电子束冷床炉熔炼的坩埚直径为890mm;
步骤二、将步骤一中得到的一次铸锭进行真空自耗电弧熔炼，冷却11h后出炉，得到如图1所示的5000kg的Ti52钛合金铸锭;所述真空自耗熔炼的参数为：熔炼电流10kA~36kA，熔炼电压27V~34V，稳弧电流5A~30A，稳弧周期10s~30s;所述真空自耗熔炼的坩埚直径为1020mm。
[0026]对本实施例中制备的Ti52钛合金铸锭的上、中、下部进行车削取样进行成分检验，结果见表1;其中上部距离铸锭头部200mm~300mm，下部距离铸锭底部200mm~300mm。
[0027]表1 实施例1中制备的Ti52钛合金铸锭各部位的成分质量占比/%
[0028]采用本实施例的制备方法进行重复制备和成分检测，得到的Ti52钛合金铸锭各部位的成分结果见表2。
[0029]表2 实施例1中重复制备的Ti52钛合金铸锭各部位的成分质量占比/%
[0030]由表1和表2可知，本实施例的制备方法能够制备出整体成分均匀的Ti52钛合金铸锭，且符合名义成分。
[0031]实施例2
本实施例中Ti52钛合金铸锭的名义成分为Ti-6.0Al-2.6V-1Zr-1.5Mo-1.6Cr-0.5Fe-0.10O，制备该Ti52钛合金铸锭的方法包括以下步骤：
步骤一、将10.7kg粒度为0.83mm~3mm的铝钒合金、10kg粒度为1mm~3mm的铝铬合金、4.6kg粒度为1mm~6mm的钛铁合金、4.6kg铝豆、90kg的1级以上海绵钛经自动混布料系统混合均匀后压制为15块密度不小于3.2g/cm3的电极块，并对189kg块状TA15返回料和112kg块状TC6返回料进行酸洗、碱洗及喷丸，然后将电极块、块状TA15返回料及块状TC6返回料在料箱内分层布料，铺设为一层TA15返回料、一层TC6返回料、一层电极块，使其均匀分布于料箱中进行电子束冷床炉熔炼，得到一次铸锭;所述块状TA15返回料及块状TC6返回料的尺寸为：长度大于100mm，宽度大于100mm，厚度大于15mm;所述TA15返回料的名义成分为Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，所述TC6返回料的名义成分为Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si;
所述电子束冷床炉熔炼的过程为：抽真空至1.0×100Pa进行制底，制底过程中电子枪电流保持在1A~6A，当金属液铺满坩埚底部后进行熔速为150kg/h~300kg/h的熔炼，冷却4h后出炉;所述电子束冷床炉熔炼的坩埚直径为390mm;
步骤二、将步骤一中得到的一次铸锭进行真空自耗电弧熔炼，冷却5h后出炉，得到400kg的Ti52钛合金铸锭;所述真空自耗熔炼的参数为：熔炼电流8kA~20kA，熔炼电压22V~30V，稳弧电流5A~20A，稳弧周期5s~20s;所述真空自耗熔炼的坩埚直径为480mm。
[0032]对本实施例中制备的Ti52钛合金铸锭的上、下部进行车削取样进行成分检验，结果见表3;其中上部距离铸锭头部200mm~300mm，下部距离铸锭底部200mm~300mm。
[0033]表3 实施例2中制备的Ti52钛合金铸锭各部位的成分质量占比/%
[0034]由表3可知，本实施例的制备方法能够制备出整体成分均匀的Ti52钛合金铸锭，且符合名义成分。
[0035]实施例3
本实施例中Ti52钛合金铸锭的名义成分为Ti-6.0Al-2.6V-1Zr-1.5Mo-1.6Cr-0.5Fe-0.10O，制备该Ti52钛合金铸锭的方法包括以下步骤：
步骤一、将189kg屑状TA15返回料和112kg屑状TC6返回料进行破碎、清洗、筛分，得到屑状无污染TA15返回料和TC6返回料;所述屑状的尺寸为：长度5mm~12mm，宽度5mm~12mm，厚度不大于1mm;
将11kg粒度为0.83mm~3mm的铝钒合金、10.5kg粒度为1mm~3mm的铝铬合金、5.0kg粒度为1mm~6mm的钛铁合金、5.2kg铝豆、105kg的1级以上海绵钛、205kg屑状无污染TA15返回料和124kg屑状无污染TC6返回料经自动混布料系统混合均匀后压制为20块密度不小于3.2g/cm3的电极块，然后将电极块放入料箱内，进行电子束冷床炉熔炼，得到一次铸锭;所述TA15返回料的名义成分为Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，所述TC6返回料的名义成分为Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si;
所述电子束冷床炉熔炼的过程为：抽真空至1.0×100Pa进行制底，制底过程中电子枪电流保持在1A~6A，当金属液铺满坩埚底部后进行熔速为150kg/h~250kg/h熔炼，冷却4h后出炉;所述电子束冷床炉熔炼的坩埚直径为300mm;
步骤二、将步骤一中得到的一次铸锭进行真空自耗电弧熔炼，冷却5h后出炉，得到460kg的Ti52钛合金铸锭;所述真空自耗熔炼的参数为：熔炼电流8kA~15kA，熔炼电压22V~30V，稳弧电流5A~20A，稳弧周期5s~20s;所述真空自耗熔炼的坩埚直径为380mm。
[0036]对本实施例中制备的Ti52钛合金铸锭的上、下部进行车削取样进行成分检验，结果见表4;其中上部距离铸锭头部200mm~300mm，下部距离铸锭底部200mm~300mm。
[0037]表4 实施例3中制备的Ti52钛合金铸锭各部位的成分质量占比/%
[0038]由表4可知，本实施例的制备方法能够制备出整体成分均匀的Ti52钛合金铸锭，且符合名义成分。
[0039]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
说明书附图(1)
声明：
“TA15和TC6返回料制备低成本Ti52钛合金铸锭的方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：西部钛业有限责任公司
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