[发明专利]一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体是涉及一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法。

背景技术

TC21钛合金是我国自主研制的一种新规格高强高韧高损伤容限钛合金，该合金具有良好的强度、塑性、断裂韧性及裂纹扩展速率的匹配，室温力学性能可达到抗拉强度R_m≥1100MPa，屈服强度R_p0.2≥1000MPa，延伸率A≥6％，断面收缩率Z≥10％，断裂韧性K_IC≥70MPa·m^1/2，是一种极具应有前景的新规格结构钛合金，有望在航空航天领域得到广泛应用。

随着航空工业的发展，飞机整体设计的发展趋势是减少焊接，承力构件采用大规格锻件和大规格整体锻件。而大规格整体锻件是实现飞机结构整体化、减轻结构重量、增强结构的可靠性、耐久性和缩短产品研制周期的重要条件。作为大规格锻件用坯的大规格棒材直径已达Φ400mm以上，大规格铸锭对提高大规格棒材质量一致性、稳定性和成材率具有重要意义，因而迫切需要成分均匀的直径在Φ720mm以上的TC21钛合金大规格铸锭。一般来说，随着钛合金铸锭尺寸的增大，带来熔炼难度的加大，成分偏析更为明显，大规格铸锭的成分均匀性常常难以得到保证。

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TC21钛合金大规格铸锭的制备方法。该方法选用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，金属铬以及Ti-80Sn，Al-60Mo和Al-65Nb三种中间合金作为原料进行配料，通过三次真空自耗熔炼过程制备得到直径不小于720mm的大规格TC21钛合金铸锭，能够有效减少高熔点元素Mo和Nb在铸锭中形成不熔块以及低熔点元素Al和Sn挥发而造成的成分偏析，另外，通过协同控制优化三次真空自耗熔炼过程的工艺参数，进一步优化合金元素的分配系数，使其接近于1，能够实现铸锭凝固过程的平稳、可控，减少了钛合金铸锭中化学成分的偏析，有效保证了钛合金铸锭中化学成分的均匀性，而且利用本发明大规格铸锭能够锻制得到高强高韧、直径可达400mm以上的TC21钛合金棒材。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、以0级海绵钛、工业纯铝、原子能级海绵锆、金属铬、中间合金Ti-80Sn、中间合金Al-60Mo和中间合金Al-65Nb为原料，按照TC21合金名义成分Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-1.5Cr-2Nb称取所述原料，混合均匀后采用油压机压制成电极块；

步骤二、在氩气保护下，采用等离子弧焊将多个步骤一中所述电极块组焊连接在一起，得到一次自耗电极；

步骤三、将步骤二中所述一次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于1Pa，熔炼电流为20KA～32KA，熔炼电压为31V～36V，交流稳弧电流为6A～11A的条件下对一次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到一次铸锭；

步骤四、将多个步骤三中所述一次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊接，得到二次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA～8KA，电压为23V～27V；

步骤五、将步骤四中所述二次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于1Pa，熔炼电流为24KA～36KA，熔炼电压为32V～37V，交流稳弧电流为7A～12A的条件下对二次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到二次铸锭；

步骤六、将多个步骤五中所述二次铸锭按照冒口与锭底对焊的方式进行炉内焊接，得到三次自耗电极；所述炉内焊接的电流为3KA～9KA，电压为23V～27V；

步骤七、将步骤六中所述三次自耗电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不高于1Pa，熔炼电流为26KA～38KA，熔炼电压为33V～38V，交流稳弧电流为8A～13A的条件下对三次自耗电极进行熔炼，随炉冷却后得到直径不小于720mm的成品铸锭。

上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述油压机为5000吨油压机。

上述的一种TC21钛合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于，步骤一中所述0级海绵钛的粒度为3mm～8mm，所述0级海绵钛的质量纯度不低于99.7％。