本发明属于钛合金制备领域，涉及一种含铌Ti3Al合金铸锭的制备方法。
背景技术：
：Ti3Al是Ti-Al基金属间化合物的一种，具有有序密排六方结构，其比强度高，但其高温强度和室温塑性较低，限制了其发展应用，通过添加β稳定元素Nb可改善其高温抗氧化性和室温塑性。含铌Ti3Al基合金具有许多优良的性能，与普通钛合金相比，具有更好的高温性能，抗氧化能力，抗蠕变性能，更高的使用温度；与镍基合金相比，密度小，约为镍基合金的一半，有利于设备重量的减轻；与陶瓷材料相比，在高温下具有更好的塑性。此外，含铌Ti3Al基合金具有良好的体积稳定性，热膨胀系数随温度变化波动较小。因此，含铌Ti3Al基合金是一种可以填补普通钛合金和高温合金使用温度之间的新型高温结构材料。含铌Ti3Al基合金的基本成分范围为Ti-(20～27)Al-(11～30)Nb(at.％)。含铌Ti3Al合金各元素之间的熔点、密度和蒸气压等相差较大，给合金的制备带来困难，传统工艺方法制备出的含铌Ti3Al合金铌元素偏析严重，合金成分准确性和均匀性难以得到保证。为提高合金化效果和改善合金化学成分均匀性，因此，需要一种更好的制备方法来提高含铌Ti3Al基合金铸锭的冶金质量。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种质量稳定性高的含铌Ti3Al合金铸锭的制备方法，该方法制得的含铌Ti3Al合金铸锭成分均匀、无铌偏析等现象，提高了原材料成材率，降低了材料损耗。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种含铌Ti3Al合金铸锭的制备方法，首先制备出纯钛铸锭，再将纯钛铸锭加工成光亮钛棒，然后将获得的光亮钛棒与光亮铌棒、光亮铝棒拼焊成自耗电极，经3次真空自耗电弧熔炼，获得含铌Ti3Al合金铸锭。本发明进一步的改进在于，具体步骤如下：步骤1)将海绵钛压制成电极块，并组焊成自耗电极；步骤2)将步骤1制备的自耗电极采用两次以上真空自耗电弧熔炼制备出成品铸锭；步骤3)将步骤2制备出的成品铸锭经锻造、轧制成棒材，并将棒材经扒皮或磨削获得光亮钛棒；步骤4)将步骤3获得的钛棒与铌棒、铝棒排列后拼焊成自耗电极；排列的方式具体为：中心一支铌棒，围绕铌棒排列一圈钛棒，围绕钛棒均匀排列一圈铝棒，并且钛棒、铝棒与铌棒长度一致，钛棒与铝棒数量相同，通过调整钛棒、铝棒、铌棒的直径来控制主元素Al、Nb、Ti的含量；步骤5)一次熔炼：将步骤4制备的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼获得一次锭；步骤6)二次熔炼：将一次锭倒置作为自耗电极，在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭；步骤7)三次熔炼：将二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼获得三次锭；步骤8)冷却：熔炼完成后冷却至200℃以下出炉，得到含铌Ti3Al合金铸锭。本发明进一步的改进在于，步骤1中海绵钛为0级以上海绵钛。本发明进一步的改进在于，步骤1中采用等离子弧焊方法组焊成自耗电极。本发明进一步的改进在于，步骤4中铝棒的配比重量比要制备的含铌Ti3Al合金铸锭中铝元素实际质量百分含量高20％。本发明进一步的改进在于，步骤4中采用等离子弧焊接方法拼焊成自耗电极。本发明进一步的改进在于，步骤5中熔炼电流为4-8KA，熔炼电压为25-28V。本发明进一步的改进在于，步骤6中熔炼电流为7-12KA，熔炼电压为26-32V。本发明进一步的改进在于，步骤7中熔炼电流为7-10KA，熔炼电压为28-32V。本发明进一步的改进在于，步骤8中冷却是在真空或充氩状态下进行的。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明采用棒材拼焊的方式制备自耗电极，省去了制备中间合金，以及压制电极块的步骤，简化了工艺。同时，由于采用钛棒、铝棒与铌棒拼焊的方式制备自耗电极，可保证熔炼过程中同一熔炼横截面上的各元素含量一致，同时由于钛棒、铝棒、铌棒均为密实料，避免了因局部熔化速度不同产生的化学成分不均匀或掉块产生的夹杂等冶金缺陷。本发明制备的合金铸锭的成分均匀，克服了现有技术中铌元素偏析严重、并且合金成分不准确以及均匀性差的问题。进一步的，本发明中铝棒的配比重量，采用本发明制备含铌Ti3Al铸锭时一次熔炼的铝元素烧损量约为20％，在配料过程中提高铝元素的配比重量，预留足够的烧损量，保证最终成品锭中各元素含量满足要求。进一步的，由于铝的熔点比钛、铌低1000℃以上，为防止一次熔炼过程中铝棒熔化较快，造成铝元素偏析，在一次熔炼时采用较低的熔炼电流4-8KA、熔炼电压25-28V，保证钛棒、铌棒、铝棒都能熔化，同时也能降低铝元素烧损。进一步的，将铌棒、钛棒、铝棒按照熔点从高到底的方式从中心向外圈排列，可利用弧柱温度从中心向外逐渐降低的特性，减轻熔炼过程中各金属元素熔点差异产生的化学成分不均匀。具体实施方式现结合实施例对本发明作进一步详细描述，本发明中at％表示原子数百分含量。本发明中钛棒、铝棒与铌棒长度一致，钛棒与铝棒数量相同，通过调整钛棒、铝棒、铌棒的直径来控制主元素Al、Nb、Ti的含量。由于一次熔炼的铝元素烧损量约为20％，所以本发明步骤4中铝棒的配比重量比要制备的含铌Ti3Al合金铸锭中铝元素实际质量百分含量高20％，预留足够的烧损量。实施例1以制备120kgTi-22at.％Al-25at.％Nb合金铸锭为例，其制备步骤如下：步骤1：选用0级以上海绵钛为原材料制备出纯钛铸锭，并将纯钛铸锭经锻造、轧制、磨削等工序制备出Φ28mm规格的光亮钛棒。步骤2：经计算制备120kgTi-22at.％Al-25at.％Nb合金铸锭需要Φ62×2000mm铌棒1支，Φ28×2000mm钛棒10支，Φ19.5×2000mm铝棒10支，自耗电极拼焊时钛棒、铌棒与铝棒的排列方式为：中心1支铌棒，第二层围绕铌棒紧密排列10支钛棒，第三层围绕铌棒再均匀排列10支铝棒。其中，铝棒的配比重量比要制备的Ti-22at.％Al-25at.％Nb合金铸锭中铝元素实际质量百分含量高20％。步骤3：采用等离子弧焊接方法按照步骤2设计好的拼焊方式将钛棒、铝棒与铌棒拼焊成自耗电极。步骤4：一次熔炼，用步骤3制备的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流为4-8KA，熔炼电压为25-28V。步骤5：二次熔炼，将一次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭，其中，熔炼电流为7-12KA，熔炼电压为26-32V。步骤6：三次熔炼，将二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，获得三次锭，其中，熔炼电流为7-10KA，熔炼电压为28-32V。步骤7：冷却，熔炼完成后要求成品锭在真空或充氩状态下冷却至200℃以下出炉，得到含铌Ti3Al合金铸锭。对制备的铸锭进行扒皮、切冒口后，在铸锭的头、中、尾部取样进行化学成分分析。主元素铝、铌检测结果见表1：表1Ti-22at％Al-25at％Nb合金铸锭铝、铌含量(at％)部位头中尾铝含量22.5422.3522.27铌含量25.1024.8224.75实施例2以制备80kgTi-25at.％Al-16at.％Nb合金铸锭为例，其制备步骤如下：步骤1：选用0级以上海绵钛为原材料制备出纯钛铸锭，并将纯钛铸锭经锻造、轧制、磨削等工序制备出Φ30mm规格的光亮钛棒。步骤2：经计算制备80kgTi-25at.％Al-16at.％Nb合金铸锭需要Φ42.5×2000mm铌棒1支，Φ30×2000mm钛棒7支，Φ21.5×2000mm铝棒7支，自耗电极拼焊时钛棒、铌棒与铝棒的排列方式为：中心1支铌棒，第二层围绕铌棒紧密排列7支钛棒，第三层围绕铌棒再均匀排列7支铝棒步骤3：采用等离子弧焊接方法按照步骤2设计好的拼焊方式将钛棒、铝棒与铌棒拼焊成自耗电极。步骤4：一次熔炼，用步骤3制备的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流为4-8KA，熔炼电压为25-28V。步骤5：二次熔炼，将一次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔，炼获得二次锭，其中，熔炼电流为7-12KA，熔炼电压为26-32V。步骤6：三次熔炼，将二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，获得三次锭，其中，熔炼电流为7-10KA，熔炼电压为28-32V。步骤7：冷却，熔炼完成后要求成品锭在真空或充氩状态下冷却至200℃以下出炉，得到含铌Ti3Al合金铸锭。对制备的铸锭进行扒皮、切冒口后，在铸锭的头、中、尾部取样进行化学成分分析。主元素铝、铌检测结果见表2：表2Ti-25at％Al-16at％Nb合金铸锭铝、铌含量(at％)部位头中尾铝含量25.4825.2425.32铌含量16.2516.1816.12实施例3以制备124kgTi-22at.％Al-27at.％Nb合金铸锭为例，其制备步骤如下：步骤1：选用0级以上海绵钛为原材料制备出纯钛铸锭，并将纯钛铸锭经锻造、轧制、磨削等工序制备出Φ27.5mm规格的光亮钛棒。步骤2：经计算制备124kgTi-22at.％Al-27at.％Nb合金铸锭需要Φ65×2000mm铌棒1支，Φ27.5×2000mm钛棒10支，Φ19.5×2000mm铝棒10支，自耗电极拼焊时钛棒、铌棒与铝棒的排列方式为：中心1支铌棒，第二层围绕铌棒紧密排列10支钛棒，第三层再均匀排列10支铝棒。步骤3：采用等离子弧焊接方法按照步骤2设计好的拼焊方式将钛棒、铝棒与铌棒拼焊成自耗电极。步骤4：一次熔炼，用步骤3制备的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流为4-8KA，熔炼电压为25-28V。步骤5：二次熔炼，将一次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭，其中，熔炼电流为7-12KA，熔炼电压为26-32V。步骤6：三次熔炼，将二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，获得三次锭，其中，熔炼电流为7-10KA，熔炼电压为28-32V。步骤7：冷却，熔炼完成后要求成品锭在真空或充氩状态下冷却至200℃以下出炉，得到含铌Ti3Al合金铸锭。对制备的铸锭进行扒皮、切冒口后，在铸锭的头、中、尾部取样进行化学成分分析。主元素铝、铌检测结果见表3：表3Ti-22at％Al-27at％Nb合金铸锭铝、铌含量(at％)部位头中尾铝含量22.4122.1522.12铌含量27.1427.0527.19实施例4以制备100kgTi-24at.％Al-11at.％Nb合金铸锭为例，其制备步骤如下：步骤1：选用0级以上海绵钛为原材料制备出纯钛铸锭，并将纯钛铸锭经锻造、轧制、磨削等工序制备出Φ39mm规格的光亮钛棒。步骤2：经计算制备100kgTi-24at.％Al-11at.％Nb合金铸锭需要Φ40×2000mm铌棒1支，Φ39×2000mm钛棒6支，Φ25.5×2000mm铝棒6支，自耗电极拼焊时钛棒、铌棒与铝棒的排列方式为：中心1支铌棒，第二层围绕铌棒紧密排列6支钛棒，第三层围绕铌棒再均匀排列6支铝棒。步骤3：采用等离子弧焊接方法按照步骤2设计好的拼焊方式将钛棒、铝棒与铌棒拼焊成自耗电极。步骤4：一次熔炼，用步骤3制备的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流为4-8KA，熔炼电压为25-28V。步骤5：二次熔炼，将一次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭，其中，熔炼电流为7-12KA，熔炼电压为26-32V。步骤6：三次熔炼，将二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，获得三次锭，其中，熔炼电流为7-10KA，熔炼电压为28-32V。步骤7：冷却，熔炼完成后要求成品锭在真空或充氩状态下冷却至200℃以下出炉，得到含铌Ti3Al合金铸锭。对制备的铸锭进行扒皮、切冒口后，在铸锭的头、中、尾部取样进行化学成分分析。主元素铝、铌检测结果见表4：表4Ti-24at％Al-11at％Nb合金铸锭铝、铌含量(at％)部位头中尾铝含量24.3224.2524.40铌含量10.8510.9211.06从表1-4可以看出，实施例1-4制备的合金化学成分均匀性好。当前第1页1 2 3