[发明专利]消除钛或钛合金锭中硬α相缺陷的方法及按此法制造的锭

说明书

与铁基合金和镍基合金相比，各种钛合金在高强度、韧性、抗腐蚀性及比强度等方面具有更好的综合性能。这就使它特别适合于飞机、宇航以及其他方面的从很低温到较高温度范围内的高性能应用。例如，有些钛合金在升高温度的情况下具有最高的强度及金相稳定性，并因此而显示出低的蠕变速率及可预测的应力破断性能和低循环疲劳行为，这些钛合金特别适用于燃气涡轮发动机的转动部件。

经过处理的钛合金，通常根据其微观结构分为α型、近α型、α-β型或β型。合金的类型，主要决定于能够影响α型（密排六方晶体结构）转变为β型（体心立方晶体结构）的同素异构转变的那些合金元素。在未经合金化的钛中，这种转变发生在约885℃。用象铝、锡或锆这类α稳定化元素来进行合金化的α型合金，它在一般的热处理条件下不含β相。近α型或超α型合金除了含有α稳定化元素外，还含有少量附加的β稳定化元素（象钼或钒等），它在加热时生成一定量的β相，并可能呈现与α型合金相似的微观结构。α-β型合金由α相和原生的或转变生成的β相所组成，这类合金中含有一种或一种以上的α稳定化元素或α-可溶性元素以及含有一种或一种以上的β稳定化元素。β型合金在初次冷到室温时倾向于保持β相，但在热处理时通常会析出第二相。

生产钛和钛合金的三个主要步骤是：把钛矿石还原成多孔型的钛（称为海绵钛）;把海绵钛（如果有必要，还可以包括回收的钛屑）和合金添加物熔化并铸成锭;然后用重熔、铸造或机械加工的方法使之最后成型，机械加工包括首先用开坯、热轧等初级加工方法把铸锭变成坯段、棒和板等一般的初级产品;然后再用模锻和挤压等第二级加工方法使之最后成型。

有很多种元素即使含量很少也能对最后成型的钛或钛合金的性能产生严重的影响，因此，在生产钛及钛合金时对原材料的控制就是极为重要的。例如，通常在海绵钛中的残存元素碳、氮、氧、硅及铁等倾向于提高钛最终产品的强度和降低它的延展性，因此，必须使这些元素的含量降低到一个可接受的水平，特别是要把碳和氮的含量降到最低的程度，以避免产品脆化。

熔炼过程的控制对于钛及钛基合金的组织、性质和性能也是十分关键的。大多数的钛和钛合金锭要在真空条件下在电弧炉中用双自耗电极真空熔炼方法进行二次熔炼。在这个两阶段的过程中，先把海绵钛回收的钛屑及合金添加物进行机械混合，然后一起熔炼成锭。再把第一次熔炼成的锭，作为第二阶段熔炼用的自耗电极。只有在某些情况下，在第一阶段熔炼时不用自耗电极电弧熔炼而用其它方法。其目的是为了生产一些不用于精密技术的钛锭。但是不管在什么情况下，在进行最后阶段的熔炼时一定要用自耗电极真空电弧熔炼。两次熔炼法被认为是对所有精密技术的应用都是必需的，这是为了保证最后得到的产品获得满意的均匀度。为了达到更好的均匀度和把产品微观结构中所含的富氧或富氮夹杂物减少到十分低的水平，就需采用三次熔炼法。在真空中熔炼可降低钛中氢的含量以及能基本上除掉其它挥发性的物质，这样就能得到更高纯度的铸锭。

钛及其合金易于形成缺陷及不完整区域。不管在熔炼和制造过程中如何小心地控制操作参数，在钛锭及其最后成品中都可经常地或偶尔地发现缺陷和不完整区域。产生缺陷或不完整区域的一般原因是在锭中的偏析作用。钛锭中的偏析作用是十分有害的和必须加以控制的，这是个一般的常识，因为它导致数种不同类型的不完整区域的产生，不管用均匀化热处理或用热处理和初轧相结合的办法，都难以使这些不完整区域消除。

Ⅰ型不完整区域（通常被称为“高间隙缺陷”或“硬α”）是指那些具有间隙稳定α相的区域，这个α相具有比其周围的基体物质较高的硬度和较低的延展性。氮、氧或碳中之一个或多个元素的局部高浓度也是这些不完整区域的一个特征。虽然Ⅰ型不完整区域有时被认为是一种“低密度夹杂物”，但它们常常是具有比合金的正常情况更高的密度。除了由于锭中的偏析作用外，Ⅰ型缺陷还可以产生于下列过程，包括海绵钛的生产（例如由于反应器的泄漏或反应的不平衡）、加热成型和电极制造（例如把电极进行焊接）以及熔炼（例如由于炉子发生故障及熔化杂质的混入）。

Ⅱ型不完整区域（有时候也被称为高铝缺陷）是一种非常稳定的α相区域，它可以伸延通过几个β晶粒。Ⅱ型不完整区域是由于金属的α稳定化元素（如铝）的偏析而引起的。它含有很高比例的初生α相并且略硬于它附近的基体金属。有时候，在Ⅱ型不完整区域的附近伴随有由β相组成的纤维状物。它们是一些铝含量较低硬度也较低的区域。这种情况的产生通常是由于在初始的粗加工步骤中具有高蒸气压的合金组分迁移入封闭的固体化的管状缩孔中，随后即以纤维状物混入显微组织中。