[发明专利]一种电子束冷床炉采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法

说明书

技术领域

本发明属于钛合金铸锭制造技术领域，尤其是涉及一种电子束冷床炉采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法。

背景技术

钛合金铸锭中经常出现高密度夹杂和低密度夹杂等冶金缺陷，且上述缺陷成为钛合金零部件的疲劳裂纹源，并且降低钛合金零部件的使用寿命。为了生产优质高洁净航空发动机转动件用钛合金，在20世纪80年代末，国际上引入了冷床熔炼技术。到目前为止，美国三大钛公司均装备了冷床炉，并已形成35000T/年的冷床炉生产能力。美国约40％的飞机发动机旋转件用钛合金铸锭是通过冷床炉+真空自耗电弧炉熔炼生产的。电子束冷床炉熔炼技术除能比较好地消除高密度和低密度夹杂，获得细晶均质铸锭外，还具有以下很多优点：例如可以大幅度降低钛合金板材的生产成本；能大量回收残料，可以100％地利用残料作原料；可生产扁锭、空心锭，减少板材与管材生产时的后续加工；对某些用途可以一次熔炼成锭。美国率先针对电子束冷床炉单次熔炼技术展开了研究，电子束冷床炉单次熔炼Ti-6Al-4V合金铸锭直接轧制的板材有望在航空、兵器等领域获得实际应用，并形成了AMS 6945标准。

美国1988年针对航空应用中质量要求较高的转子零件的夹杂控制问题，对电子束冷床炉+真空自耗电弧炉的2次熔炼生产钛合金铸锭开展了大量的研究工作。原料质量配比为：Ti-6Al-4V合金返回料为68％、块状纯钛料为17％、海绵钛10％和合金元素含量为5％，熔炼了直径为Φ635mm，重量为4300kg4个电子束冷床炉一次铸锭。沿铸锭的长度方向在6个高度处进行取样分析，测得了Al、V、O的含量。Al含量在铸锭初始阶段含量较低，当铸锭达到125mm，铸锭的熔化和铸造的热平衡进入稳定阶段，Al、V、O的成分变化较小，单次熔炼的成分控制在标准规定的范围内。

Timet公司拥有一台3.2MW电子束冷床炉，有5个电子枪，3个750kw，2个500kW，可生产508mm×1524mm×4699mm且重达16.4t的钛板坯和直径914mm×4699mm且重达13.6t的钛铸锭。文献报道了，采用该公司的电子束冷床炉，原料质量配比为62.4％的Ti-6Al-4V返回料、31.6％海绵钛、6％的Al豆和V0Al中间合金，熔炼了3994kg铸锭。铸锭每隔12.5cm取液态样进行化学成分分析，测得的成分结果为：Al：6.05～6.66％，V：3.9～4.25％，Fe：0.14～0.155％，C：0.02～0.026％，O：0.16～0.181％。电子束冷床炉单次熔炼Ti-6Al-4V铸锭Al、V、O元素沿长度方向的分布情况表明，Al易挥发元素得到了很好的控制，在标准偏差范围内。

ATI公司拥有一台世界上最大的电子束冷床炉，该电子束冷床炉配有8个电子枪，总功率为5.4MW，熔炼速度可以达到3.624T/h，可以生产各种形状及尺寸的钛及钛合金铸锭，扁锭的尺寸为863.583mm×1422.372mm，圆形铸锭的直径为761.985mm，重量达到25.368吨。ATI公司开展了电子束冷床炉单次熔炼Ti-6Al-4V钛合金铸锭的生产试验，目的是为了验证电子束冷床炉熔炼的铸锭在航空领域的应用前景。截至到2006年，共生产了5个Ti-6Al-4V合金铸锭，并轧制成不同规格的板材，化学成分均匀，在标准要求的范围之内。

日本东邦公司拥有一台2000kw的电子束冷床炉，由4个电子枪提供热源且4个的功率为600KW，可生产的钛锭规格为675×1750mm(重10吨)和700×1000mm(重8T)。到目前为止由于Al挥发元素的控制困难，日本东邦公司的电子束冷床炉主要用于熔炼纯钛锭，原料主要为海绵钛、钛屑及其它返回料。2001年公司决定开展电子束冷床炉在钛合金熔炼方面的研究，并取得了较好的研究结果。

综上所述，电子束冷床炉自身具有与传统自耗电弧炉无法比拟的优点，得到人们的认可。然而该工艺在熔炼过程中真空度较高，蒸汽压比Ti高的Al、Cr、Mn等元素成分控制较困难。目前电子束冷床炉一次熔炼钛合金铸锭技术大量使用返回料，但是由于返回料的产量还是相当有限的，因而限制该技术在钛合金铸锭熔炼方面的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电子束冷床炉采用常规原材料制备钛合金铸锭的方法，其制备工艺简单、操作方便、使用效果好且能采用单质铝和铝的中间合金等常规原材料成功制备钛合金铸锭，能有效解决现有钛合金铸锭生产工艺中必须大量使用返回料的缺陷和不足。