[发明专利]一种高品质钛合金的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于稀有金属加工技术领域，具体涉及一种高品质钛合金的制造方法。

背景技术

钛及钛合金按组织分为α，近α，α+β，近β，β型钛合金，ВТ6С为俄罗斯（前苏联）牌号，中国牌号为TC4ELI,美国牌号为Gr.5；主成分为Ti-6Al-4V,组织为α+β两相钛合金；该类合金是上世纪50年代研发，由于其综合机械性能优良而广泛使用，全世界该类合金使用量约占钛合金使用量的80%；主要应用在航空航天，海上油气田等结构件和钛合金受力部件上，该类钛合金作为人体植入材料也有广泛的使用。

该类合金是典型的两相合金，主成分范围各国牌号差别不大，但微量元素和低间隙杂质控制范围有明显的区别；特别是俄罗斯生产的ВТ6С比中国和美国生产的同类钛合金其机械性能有明显优势；从近年来我国引进俄罗斯的飞机，潜艇的使用情况看，国产化过程中我国同类材料机械性能明显偏低和不稳定。其主要问题是：铝含量不稳定；微量元素特别是可以细化晶粒的元素没有填加或无方法加入；O,N,C,Fe杂质控制范围不正确；我国各钛合金生产单位的传统生产工艺是：海绵钛+钒铝中间合金+纯铝豆或铝箔补铝，大混料或加包中间合金包——挤压电极块——组焊自耗电极——二次或三次真空自耗熔炼——钛铸锭；其中，铝的加入和控制是以钒铝中间合金和纯铝的形式；O,N,C,Fe是以海绵钛和钒铝中间合金含量为基础，考虑熔炼因素来控制；细化晶粒的微量元素基本没有填加；存在主要问题是：纯铝在熔炼中，由于其熔点低，熔炼过程中有烧损和挥发，熔炼前中后期熔炼工艺参数不同损耗程度不一样，所以铝含量在铸锭的上中下部是不均匀的，铝是α相稳定元素，对强化钛合金很敏感，虽然铝含量都在标准范围内，但是组织和性能没有一致性。

国内很多生产单位甚至用填加杂质氧和铁来保证其机械性能，完全是本末到置；钛合金成分决定组织，组织决定性能，成分控制是机械性能高低的基础，因此我们必须采取措施保证成分的均匀性；特别是做为人体植入材料，晶粒组织，机械性能，有比较严格的标准要求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种高品质钛合金的制造方法。

本发明的高品质钛合金的制造方法，要点在于

①铝，钒的加入方法和范围；

铝以钛-铝中间合金和钒-铝中间合金的形式加入；

钛铝中间合金的制备；

由于铝的熔点低，以纯铝的形式补铝，熔炼过程中烧损和挥发，所以必须制备钛-铝中间合金；钛铝形成金属间化合物，原料为用高纯铝和高纯钛，采用水冷铜坩埚真空感应炉熔炼；成分范围为Al:45-55%(原子百分比)，抽高真空后充氩气熔炼，精炼30分钟后浇铸中间合金锭；冷却后出炉，粉碎后备用；

钒-铝合金制备

钒铝合金生产国内普遍工艺是铝热法，成本低产量高，但是杂质含量高， O,N,C含量极不稳定，每炉都不一样；因此必须要精炼一次；同样采用水冷铜坩埚真空感应炉精炼；熔炼工艺同钛铝中间合金；杂质范围控制在O＜0.08%,N＜0.03%，C＜0.05%；

②微量元素锆的加入方法

Zr的加入能够明显提高钛合金的冷热加工性能，加入方法为海绵锆和海绵钛混料加入，成分控制范围为Zr:0.1-0.4%；

③细化晶粒用微量元素的加入方法

ВТ6С钛合金是一种低间隙杂质含量的钛合金；为保证其机械性能加入细化晶粒的元素：B（硼）和RE(稀土)非常重要；但由于其化学活性大，一般在自耗熔炼加入很困难，收得率低，不容易控制；采用加入到钛铝中间合金的方式间接加入，均匀性好，收得率高。加入量控制在钛铝合金总量的B:1-3%(原子百分比)，RE:5-10%(原子百分比)；

④熔炼工艺控制

熔炼过程对于获得高品质钛合金铸锭非常重要；采取二次真空自耗熔炼方式；第一次熔炼过程采取大抽气率高真空方式，有目的去除海绵钛中的挥发物，严格控制O.N杂质的增加；第二次熔炼采取先高真空后充氩气，在氩气保护下自耗熔炼的方式，目的是防止铝和微量元素挥发烧损；调整铸锭组织；成分均匀化，防止偏析；

ВТ6С钛合金铸锭生产过程工艺：

海绵钛（0级）+钛铝中间合金+钒铝中间合金+海绵锆——混料——液压机挤压自耗电极块——等离子组焊自耗电极——一次真空自耗熔炼——二次真空自耗熔炼——钛合金铸锭；

ВТ6С钛合金铸锭的成分控制范围为,其单位为重量百分比：

(Al+O+4N):6.30-6.50%

( V+Fe):4.20-4.45%

Zr:0.1-0.4%