[发明专利]一种含高熔点合金元素的钛合金的熔炼方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种钛合金的熔炼方法，特别是指一种含高熔点合金元素的钛合金的熔炼方法；属于钛合金制备技术领域。

背景技术

生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是材料科学技术中一个正在发展的新领域，世界人口近60亿，据不完全统计，伤残者接近4亿，肢体伤残者6000万，牙病患者20亿，目前生物材料器件植入者仅有3500万人，每年关节置换量约150万例，与实际需要置换者的数量相差甚远。因此，生物医用材料市场需求潜力巨大。作为生物医用金属材料的首选-钛及其合金需求也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力度势在必行。Ti6Al4V钛合金是目前应用最为广泛的钛合金，虽然Ti6Al4V钛合金具有优异的性能，但由于V元素可引起恶性组织反应，可能对人体产生毒副作用，因而促使材料学家研究新的不含V的钛合金。其中应用并有代表性的合金大多都含有高熔点元素，如TiNbTaZr合金的弹性模量在60GPa，TiNbSn系列合金的弹性模量更是在40GPa。

针对高熔点元素的熔炼方式，目前采取的方法之一有将金属铌制成与电极块等长的细条，与海绵钛及钛锡中间合金一起压制成电极块，再将这种电极块焊接成自耗电极经多次真空自耗电弧熔炼制备这种含高熔点钛合金铸锭。这种方法制备的铸锭，往往在铸锭心部存在不熔的铌块夹杂。此外，是使用铌棒作为自耗电极的心部，将海绵钛及其它合金元素配料压制成电极块焊接到心部的铌棒上制成自耗电极。这种方法虽然可以用真空自耗电弧熔炼技术制备基础上合格的这类钛合金铸锭，但在实际操作上，需要采用超常规的熔炼工艺制度进行熔炼操作，主要是通过提高熔炼过程的电流和电压来实现，一般高于正常熔炼电流和电压20％以上，电流和电压的升高导致自耗电极的熔化速度提高，但由于自耗电极各部位熔化所需热能差异很大，海绵钛等合金成分的熔化速度快于高熔点合金元素，导致铸锭的化学成分均匀性较差。也有研究人员采用纯高熔点金属粉末的形式，由于粉末的粒度较细，相对而言在正常熔炼条件下，高熔点元素能够熔解，但是由于高熔点合金元素的熔点明显高于钛合金熔炼熔池温度，纯高熔点金属粉末往往发生掉块现象，掉入熔池中的高熔点合金粉末无法保证充分溶解，这就导致同样存在不熔块夹杂的问题，同时采用粉末添加，粉末过细容易在制备过程中损耗，造成成分偏差，而超细粉末的成本一般要高于纯金属板。因此不难发现，在传统的一些制备方法容易在钛合金中形成不熔块、偏析等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高熔点金属在自耗电极中分布均匀，自耗电极制备方便、成本低，熔炼时电流、电压参数合理的含高熔点合金元素钛合金的熔炼方法。

本发明一种含高熔点合金元素钛合金的熔炼方法，包括下述步骤：

第一步：自耗电极的制备

1、根据需制备的含高熔点合金元素钛合金的总质量，按钛合金的名义化学成分计算各组元合金元素的质量；

2、所述高熔点合金元素选自铌、钼、钽中的一种；所述钛以海绵钛的形式配入，其他合金元素以含钛的中间合金颗粒的形式加入；所述高熔点合金元素以纯金属板形式配入；

3、将除高熔点合金元素以外的其他钛合金组元按质量均分为四等分并混合均匀，分别压制成截面积相同、长度相等的电极块，所述电极块的横截面为正方形；

4、将四个电极块拼装焊接成一个自耗电极，所述自耗电极由任意两个电极块沿长度方向的相邻面之间夹装一块高熔点合金元素纯金属板构成，所述自耗电极的横截面为正方形，由高熔点合金元素纯金属板形成的十字架使所述自耗电极的横截面呈“田”字结构；

第二步、一次熔炼

采用第一步所得的自耗电极置于真空度低于1Pa，真空漏率低于0.8Pa的熔炼炉中熔炼，得到一次熔炼合金，熔炼电流3-6KA，熔炼电压16-24V，熔炼过程真空度小于等于8Pa；

第三步：二次熔炼

将一次熔炼合金置于真空度低于0.8Pa，真空漏率低于0.6Pa的熔炼炉中熔炼，得到二次熔炼合金，熔炼电流6-10KA，熔炼电压24-30V，熔炼过程真空度小于等于5Pa。

第四步：三次熔炼

将二次熔炼合金置于真空度低于0.7Pa，真空漏率低于0.5Pa的熔炼炉中熔炼，熔炼电流10-13KA，熔炼电压26-32V，熔炼过程真空度小于等于2Pa，熔炼完成后，随炉冷却至炉温低于300℃出炉，得到含高熔点合金元素钛合金铸锭。

本发明一种含高熔点合金元素钛合金的熔炼方法中，所述含高熔点合金元素钛合金中高熔点合金元素的质量百分数为10-40％。