免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法
阅读说明：本技术 免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法 (Cold cathode EB furnace smelting method for forging-free direct rolling Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy ingot ) 是由 张玉勤 邓亚杰 黄海广 张浩泽 史亚鸣 李志敏 蒋业华 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法,其特征在于包括下列各步骤：1)备料,2)混料、压块,3)装料,4)开启1～4号电子枪对冷床内的散装料进行真空熔炼,得冷凝壳,5)将进料区的压块料推入熔炼区,开启1～7号电子枪对压块料进行真空熔炼、拉锭,6)用5～7号电子枪对铸锭进行补缩,直至钛合金液通过冷床全部流入结晶器后,停止熔炼,得成分与组织均匀、高低密度夹杂少、高纯净、且无需锻造直接就能轧制成材的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭。产品性能优于现有产品,工艺流程短,成材率提高到80%,成本降低15%～30%,效果明显。(The invention provides a cold cathode EB furnace smelting method of a forging-free direct rolling Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy ingot, which is characterized by comprising the following steps: 1) preparing materials, 2) mixing and briquetting, 3) charging, 4) starting No. 1-4 electron guns to carry out vacuum melting on bulk materials in a cooling bed to obtain a condensation shell, 5) pushing the briquetting materials in a feeding area into a melting area, starting No. 1-7 electron guns to carry out vacuum melting and ingot pulling on the briquetting materials, 6) feeding ingots by using No. 5-7 electron guns until titanium alloy liquid flows into a crystallizer completely through the cooling bed, and stopping melting to obtain the Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy ingot which is uniform in components and tissues, less in high-low density inclusion, high in purity and capable of being directly rolled into a material without forging. The product performance is superior to the existing product, the process flow is short, the yield is improved to 80 percent, the cost is reduced by 15 to 30 percent, and the effect is obvious.)
技术领域
本发明涉及一种免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法，属于有色金属加工技术领域。
背景技术
Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo（TA31）钛合金不仅具有密度小、比强度高、塑性和耐蚀性好，而且还具有优良的断裂韧性、应力腐蚀断裂韧性、冲击韧性及可焊性等，可加工成管、板、棒、型材等产品，特别是其突出的耐海水和海洋大气腐蚀性能，是海洋石油钻井平台、海洋工程装备、舰船、潜艇、深潜器及离岸设施等领域的优质轻型结构材料，具有广阔的应用前景。在钛材加工领域，将海绵钛与合金原料按配比混合后，熔炼成化学成分无偏析、组织均匀、高低密度夹杂少的优质钛合金铸锭，是一切后续钛材加工过程的重要基础，只有这样的优质钛合金铸锭才能通过后续加工制作成优质、批次性能稳定的各种钛材。
目前TA31合金材料一般采用以下制备工艺流程：首先将海绵钛与合金原料进行混料后压制、焊接成电极，经2～3次真空自耗电弧炉（VAR）熔炼成圆锭，然后将圆锭进行锻造、开坯加工，再轧制成管、板、棒、型材等产品。由于VAR熔炼TA31合金存在高低密度杂质难以去除、成分和组织不均匀、需多次重熔等问题，因此在后续加工中必须对铸锭进行锻压、开坯，再轧制成材，不仅工艺流程长，而且综合成材率低，致使加工出来的材料成本居高不下，极大地限制了TA31合金的大规模应用。
因此，有必要对现有技术加以改进，提供一种无需锻造直接就可轧制的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法。
发明内容
由于TA31合金含有易挥发的Al元素和高熔点的Nb元素，因此如何在EB炉高真空条件下，控制Al元素不挥发、控制Nb元素均匀分布，且单次熔炼就能获得成分与组织均匀、高低密度夹杂少、高纯净、且无需锻造直接就能轧制成材的优质铸锭，是本发明所要解决的技术难题。
本发明正是为解决上述技术难题而提供一种免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法。
本发明通过下列技术方案实现：一种免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法，其特征在于包括下列各步骤：
（1）按下列质量比进行配料：
铝铌合金 5.7wt.%～6.3wt.%
铝豆 4.05wt.%～4.77wt.%
海绵锆 1.5wt.%～2.5wt.%
铝钼合金 1.5wt.%～1.7wt.%
海绵钛 余量
上述各组分之和为100 wt.%；
（2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100～120℃烘干5～6h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子束枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区；
（4）关闭EB炉炉门，抽真空至1.8×10-3～4.4×10-3torr，之后用氢气与氧气吹扫电子枪表面及炉内的灰尘至炉内清洁，之后继续抽真空至真空度为3.9×10-3～4.4×10- 3torr时，开启1～4号电子枪对冷床内的散装料进行熔炼，控制1～4号电子枪功率均为100～130kW，熔炼100～120min后，关闭电子枪，冷却20～40min后，获得冷凝壳，并随炉冷却25～35min；
（5）在真空度为1.8×10-3～3.5×10-3torr时，将进料区的压块料推入熔炼区，开启1～7号电子枪对压块料进行熔炼，控制1～2号电子枪功率均为70～90kW，3～4号电子枪功率均为160～180kW，5号电子枪功率为110～140kW，6～7号电子束枪功率均为50～80kW，熔炼的钛合金液通过冷床流入结晶器，在12～18mm/min的速度下拉锭，如此持续推料、熔炼、拉锭，直至压块料全部熔炼完毕；
（6）关闭1～4号电子枪，在真空度为1.8×10-3～3.5×10-3torr时，用5～7号电子枪对铸锭进行补缩，控制5～7号电子枪的功率均为70～100kW，直至钛合金液通过冷床全部流入结晶器后，关闭5～7号电子枪，停止拉锭，随炉冷却3～4h，得Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭。
所述步骤（1）铝铌合金的粒度为1～10mm，且铝的含量为47～52wt.%，Nb的含量为48～53wt.%，铝铌之和为100 wt.%。
所述步骤（1）铝豆中Al的含量≥99.9wt.%。
所述步骤（1）海绵锆的粒度为3～10mm，且Zr的含量≥99.4wt.%。
所述步骤（1）铝钼合金的粒度为1～3mm，且Al的含量为35～40wt.%，Mo的含量为60～65wt.%，铝钼之和为100 wt.%。
所述步骤（6）的铸锭为圆锭或扁锭。
所述步骤（6）的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭成分为：Al：5.5wt.%～6.5wt.%，Nb：2.5wt.%～3.5wt.%，Zr：1.5wt.% ～2.5wt.%，Mo:0.6wt.%～1.5wt.%，其余为Ti。
本发明具有下列优点和有益技术效果：采用上述技术，尤其是通过合理的合金比例达配，同时在EB炉熔炼过程中控制相应的工艺参数，单次熔炼就获得成分与组织均匀、高低密度夹杂少、高纯净、且无需锻造直接就能轧制成材的优质TA31合金铸锭，不仅产品性能优于现有技术水平，同时缩短工艺流程，产品综合成材率提高到80%以上，生产成本降低15%～30%，具有明显的市场应用前景。
附图说明
图1为熔炼圆锭的EB炉内区域及电子枪分布示意图。
图2为熔炼扁锭的EB炉内区域及电子枪分布另一示意图。
图3为本发明实施例1～3所得铸锭的X射线衍射图谱。
图4为本发明实施例1熔炼圆锭的光学显微组织图。
图5为本发明实施例2熔炼扁锭的光学显微组织图。
图6为本发明实施例3熔炼圆锭的光学显微组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法，包括下列各步骤：
（1）按下列质量比进行配料：
铝铌合金 6.3wt.%
铝豆 4.05wt.%
海绵锆 1.5wt.%
铝钼合金 1.5wt.%
海绵钛 86.65wt.%；
其中：铝铌合金的粒度为1～10mm，且铝的含量为47wt.%，Nb的含量为53wt.%；
铝豆中Al的含量≥99.9wt.%；
海绵锆的粒度为3～10mm，且Zr的含量≥99.4wt.%；
铝钼合金的粒度为1～3mm，且Al的含量为35wt.%，Mo的含量为65wt.%；
（2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100℃烘干6h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区，EB炉的结晶器采用圆形结晶器；
（4）关闭EB炉炉门，抽真空至1.8×10-3torr，之后用氢气与氧气吹扫电子枪表面及炉内的灰尘至炉内清洁，之后继续抽真空至真空度为3.9×10-3torr时，开启1～4号电子枪对冷床内的散装料进行熔炼，控制1～4号电子枪功率均为100kW，熔炼120min后，关闭电子枪，冷却40min后，获得冷凝壳，并随炉冷却35min；
（5）在真空度为1.8×10-3torr时，将进料区的压块料推入熔炼区，开启1～7号电子枪对压块料进行熔炼，控制1～2号电子枪功率均为90kW，3～4号电子枪功率均为160kW，5号电子枪功率为110kW，6～7号电子束枪功率均为50kW，熔炼的钛合金液通过冷床流入结晶器，在12mm/min的速度下拉锭，如此持续推料、熔炼、拉锭，直至压块料全部熔炼完毕；
（6）关闭1～4号电子枪，在真空度为1.8×10-3torr时，用5～7号电子枪对铸锭进行补缩，控制5～7号电子枪的功率均为70kW，直至钛合金液通过冷床全部流入结晶器后，关闭5～7号电子枪，停止拉锭，随炉冷却3h，得Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金圆锭，对圆锭进行扒皮后进行成分检测，取每个截面的四周进行检测，每隔100mm取一个截面，检测结果见表1，符合GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》要求，并且各处元素含量的平均偏差很小，表明铸锭成分均匀。
表1
元素
Al
Nb
Zr
Mo
平均值
5.87
3.05
2.01
0.99
平均绝对偏差
0.102573
0.00137
0.001277
0.000293
实施例2
免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法，包括下列各步骤：
（1）按下列质量比进行配料：
铝铌合金 6.0wt.%
铝豆 4.45wt.%
海绵锆 2.0wt.%
铝钼合金 1.6wt.%
海绵钛 85.95wt.%；
其中：铝铌合金的粒度为1～10mm，且铝的含量为47wt.%，Nb的含量为53wt.%；
铝豆中Al的含量≥99.9wt.%；
海绵锆的粒度为3～10mm，且Zr的含量≥99.4wt.%；
铝钼合金的粒度为1～3mm，且Al的含量为35wt.%，Mo的含量为65wt.%；
（2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100℃烘干6h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区，EB炉的结晶器采用扁形结晶器；
（4）关闭EB炉炉门，抽真空至3.5×10-3torr，之后用氢气与氧气吹扫电子枪表面及炉内的灰尘至炉内清洁，之后继续抽真空至真空度为4.2×10-3torr时，开启1～4号电子枪对冷床内的散装料进行熔炼，控制1～4号电子枪功率均为120kW，熔炼110min后，关闭电子枪，冷却30min后，获得冷凝壳，并随炉冷却30min；
（5）在真空度为2.8×10-3torr时，将进料区的压块料推入熔炼区，开启1～7号电子枪对压块料进行熔炼，控制1～2号电子枪功率均为80kW，3～4号电子枪功率均为170kW，5号电子枪功率为130kW，6～7号电子束枪功率均为7kW，熔炼的钛合金液通过冷床流入结晶器，在16mm/min的速度下拉锭，如此持续推料、熔炼、拉锭，直至压块料全部熔炼完毕；
（6）关闭1～4号电子枪，在真空度为3.2×10-3torr时，用5～7号电子枪对铸锭进行补缩，控制5～7号电子枪的功率均为70kW，直至钛合金液通过冷床全部流入结晶器后，关闭5～7号电子枪，停止拉锭，随炉冷却3.5h，得Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金扁锭，对熔炼的扁锭扒皮去头后进行成分检测，每个截面取6处，每个宽面取2处，每个窄面取1处，每隔100mm取一个截面，检测结果见表2。符合GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》要求，并且各处元素含量的平均偏差很小，表明铸锭成分均匀。
表2
元素
Al
Nb
Zr
Mo
平均值
6.02
3.00
1.98
1.02
平均绝对偏差
0.09263
0.00247
0.001523
0.000321
实施例3
免锻直轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金铸锭的冷阴极EB炉熔炼方法，包括下列各步骤：
（1）按下列质量比进行配料：
铝铌合金 5.7wt.%
铝豆 4.77wt.%
海绵锆 2.5wt.%
铝钼合金 1.7wt.%
海绵钛 85.33wt.%；
其中：铝铌合金的粒度为1～10mm，且铝的含量为47wt.%，Nb的含量为53wt.%；
铝豆中Al的含量≥99.9wt.%；
海绵锆的粒度为3～10mm，且Zr的含量≥99.4wt.%；
铝钼合金的粒度为1～3mm，且Al的含量为35wt.%，Mo的含量为65wt.%；
（2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100℃烘干6h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区，EB炉的结晶器采用圆形结晶器；
（4）关闭EB炉炉门，抽真空至4.4×10-3torr，之后用氢气与氧气吹扫电子枪表面及炉内的灰尘至炉内清洁，之后继续抽真空至真空度为4.4×10-3torr时，开启1～4号电子枪对冷床内的散装料进行熔炼，控制1～4号电子枪功率均为130kW，熔炼100min后，关闭电子枪，冷却40min后，获得冷凝壳，并随炉冷却35min；
（5）在真空度为3.5×10-3torr时，将进料区的压块料推入熔炼区，开启1～7号电子枪对压块料进行熔炼，控制1～2号电子枪功率均为90kW，3～4号电子枪功率均为180kW，5号电子枪功率为140kW，6～7号电子束枪功率均为80kW，熔炼的钛合金液通过冷床流入结晶器，在18mm/min的速度下拉锭，如此持续推料、熔炼、拉锭，直至压块料全部熔炼完毕；
（6）关闭1～4号电子枪，在真空度为3.5×10-3torr时，用5～7号电子枪对铸锭进行补缩，控制5～7号电子枪的功率均为100kW，直至钛合金液通过冷床全部流入结晶器后，关闭5～7号电子枪，停止拉锭，随炉冷却4h，得Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金圆锭，对圆锭进行扒皮后进行成分检测，取每个截面的四周进行检测，每隔100mm取一个截面，检测结果见表3，符合GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》要求，并且各处元素含量的平均偏差很小，表明铸锭成分均匀。
表3
元素
Al
Nb
Zr
Mo
平均值
6.13
3.06
2.00
0.98
平均绝对偏差
0.10233
0.00165
0.00134
0.000234
从附图3对应的实施例1、2、3的X射线衍射图谱可知，本发明熔炼的圆锭主要由α-Ti相组成。
从附图4、5、6对应的实施例1、2、3的光学显微组织图可以看出，铸锭组织为粗大的片层状魏氏组织。
将实施例1、3熔炼的圆锭不经过锻造，直接进行斜轧穿孔工艺得到大口径无缝管，对该无缝管进行900℃左右的退火处理后，对其进行力学性能检测，得出Rm=910MPa，Rp0.2=820MPa，A=12.3%。而用现有无缝管轧制技术，即通过多次VAR熔炼后的铸锭，经锻造后斜轧穿孔所得的无缝管，退火后其力学性能为：Rm=880MPa，Rp0.2=785MPa，A=12%。由此可知，本发明获得的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金圆锭，在无需锻造过程、直接斜轧穿孔加工得到的无缝管力学性能超出现有技术的水平。
将实施例2熔炼的扁锭不经过锻造，直接进行热轧工艺得到5mm的板材，将该板材进行900℃的退火处理后，对其进行力学性能检测，得出Rm=920MPa，Rp0.2=830MPa，A=12.8%。而用现有板材轧制技术，即通过多次VAR熔炼后的铸锭，经锻造后进行热轧所得的板材，退火后其力学性能为：Rm=880MPa，Rp0.2=780MPa，A=12%。由此可知，本发明获得的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金扁锭，在无需锻造过程、直接热轧加工得到的板材力学性能超出现有技术的水平。
以上所述，仅是本发明较佳的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例进行简单的修改、变更以及等效结构的变化，均仍属于本发明技术。