本發(fā)明屬于有色金屬加工，涉及tc17鈦合金鑄錠的制備，具體涉及一種長(zhǎng)壽命tc17鈦合金鑄錠及棒材的制備方法。

背景技術(shù)：

1、tc17鈦合金(ti-5al-4cr-4mo-2sn-2zr)屬于以高強(qiáng)度、高淬透性和高斷裂韌性為特征的近β型合金，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)輪盤、引氣盤、鼓筒、整體葉盤等關(guān)鍵部件均有應(yīng)用。tc17鈦合金中合金元素多，且含有4％的cr元素，其平衡凝固系數(shù)k為0.77，k＜1時(shí)溶質(zhì)元素會(huì)降低合金熔點(diǎn)，增大固液兩相間距，會(huì)使溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)降低，凝固區(qū)間增大，加重偏析傾向，極易形成β斑冶金缺陷，影響tc17鈦合金的高溫性能與使用壽命。而且在服役過(guò)程中，由于零部件受到高頻循環(huán)載荷的不斷作用，極易引起疲勞失效。此外，tc17鈦合金鑄錠/棒材中雜質(zhì)元素fe含量越高，合金的蠕變性能就越差；h元素含量越高，其保載疲勞性能等性能就越差，極大地影響了材料的使用壽命。因此，tc17鈦合金鑄錠的化學(xué)成分的均勻性控制一直是工業(yè)化生產(chǎn)控制的難點(diǎn)。而為了獲得成分均勻的tc17鈦合金鑄錠，目前大多企業(yè)采用緩慢熔煉的方式，生產(chǎn)效率較低，影響大批量生產(chǎn)。

2、鈦合金鑄錠工程化制備的常見(jiàn)方法為真空自耗電弧熔煉，在真空自耗電極電弧熔煉中應(yīng)用直流電源，以電極為負(fù)極，結(jié)晶器為正極的熔煉方式稱為正極性熔煉，這種方式應(yīng)用最廣泛，幾乎適用于所有易氧化或難熔金屬和合金的熔煉，但仍存在如下缺點(diǎn)：熔池內(nèi)溫度較高，對(duì)于易偏析合金而言，成分均勻性與生產(chǎn)效率難以兼顧。因此，如何提高tc17鈦合金鑄錠的純凈性、均勻性，以及工程化制備的生產(chǎn)效率，是滿足材料長(zhǎng)壽命使用必須攻克的技術(shù)難題。

3、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種長(zhǎng)壽命tc17鈦合金鑄錠及棒材的制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中大規(guī)格φ720mm～φ920mm的tc17鈦合金鑄錠生產(chǎn)效率低，成分均勻性和純凈性控制難度大的問(wèn)題，以及棒材中h元素控制難度大的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、這種長(zhǎng)壽命tc17鈦合金鑄錠的制備方法，通過(guò)配料及電極塊壓制、電極焊接、電極熔煉來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述電極熔煉中的前兩次真空自耗電弧熔煉采用正電極性熔煉方式，第三次熔煉采用反電極性熔煉方式；

4、其中，所述反電極性熔煉方式具體為：將第二次熔煉后獲得的二次錠作為電弧放電的正極、結(jié)晶器作為電弧放電的負(fù)極，采用特定的反電極性熔煉參數(shù)控制電弧區(qū)和熔池內(nèi)溫度場(chǎng)分布，從而獲得長(zhǎng)壽命tc17鈦合金鑄錠。

5、具體地，所述特定的反電極性熔煉參數(shù)的獲取方式如下：

6、采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法建立第三次真空自耗電弧熔煉的熔煉模型；

7、以現(xiàn)有熔煉方式下熔池內(nèi)溫度場(chǎng)的分布為參考依據(jù)，模擬獲得反電極性熔煉條件下，與正電極性熔煉時(shí)相比，熔池深度減少50mm以上時(shí)所對(duì)應(yīng)的熔煉工藝參數(shù)，所述熔煉工藝參數(shù)包括熔煉電流、熔煉電壓等工藝參數(shù)。

8、具體地，所述配料是按照tc17鈦合金要求的重量百分比稱取各原材料，所述原材料包括轉(zhuǎn)子級(jí)海綿鈦、鋁錫鋯鉬鉻中間合金、高純鋁豆和二氧化鈦；

9、其中，所述鋁錫鋯鉬鉻中間合金包括如下成分，且對(duì)應(yīng)的重量百分比如下：al：28wt.％～30wt.％，sn：11wt.％～13wt.％，zr：11wt.％～13wt.％，mo：22wt.％～24wt.％，cr：22wt.％～24wt.％。

10、具體地，所述鋁錫鋯鉬鉻中間合金粒度為1mm～3mm，其制備采用兩次熔煉實(shí)現(xiàn)：

11、第一次熔煉采用采用鋁熱還原法，使用高純鋁粉、單質(zhì)錫、海綿鋯、氧化鉬、氧化鉻為原材料，并控制原材料中雜質(zhì)元素的含量，在實(shí)現(xiàn)初步合金化的同時(shí)降低氧化鋁夾雜；

12、第二次熔煉采用真空冷結(jié)晶器感應(yīng)熔煉，熔煉爐室內(nèi)真空度小于0.05pa，熔煉溫度為1500℃～1600℃，懸浮精煉時(shí)間為13min～17min；然后以3kg/s～5kg/s的速度澆鑄至鑄鐵模具中，且單次澆注量不超過(guò)100kg。

13、具體地，所述轉(zhuǎn)子級(jí)海綿鈦中fe含量小于0.01％，高純鋁豆中fe含量小于0.05％。

14、具體地，所述長(zhǎng)壽命tc17鈦合金鑄錠的規(guī)格為φ720mm～φ920mm。

15、具體地，在對(duì)所述二次錠進(jìn)行第三次真空自耗電弧熔煉前，通過(guò)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)處理以方便脫模。

16、具體地，通過(guò)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)處理，具體包括：

17、先對(duì)結(jié)晶器的內(nèi)壁進(jìn)行清洗、干燥，再對(duì)清洗、干燥后的結(jié)晶器的內(nèi)壁噴涂潤(rùn)滑油。

18、具體地，采用噴涂設(shè)備對(duì)所述結(jié)晶器的內(nèi)壁噴涂潤(rùn)滑油，噴涂設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度為50r/min～70r/min，上下進(jìn)給速度為70mm/min～90mm/min。

19、此外，本發(fā)明還提供了基于如上部分或全部所述長(zhǎng)壽命tc17鈦合金鑄錠的棒材，采用常規(guī)的鍛造工藝對(duì)長(zhǎng)壽命tc17鈦合金鑄錠進(jìn)行鍛造，得到棒材；其中，在進(jìn)行1000℃以上鍛造前，使用純鈦板包覆在所述長(zhǎng)壽命tc17鑄錠的圓周面和兩個(gè)端面處，并焊接密封，用以防止加熱過(guò)程中出現(xiàn)的增氫現(xiàn)象。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案包括以下有益效果：

21、1)本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法建立第三次真空自耗電弧熔煉的熔煉模型，并以現(xiàn)有熔煉方式下熔池內(nèi)溫度場(chǎng)的分布為參考依據(jù)，模擬獲得反電極性熔煉條件下、第三次熔煉熔池深度更淺(與正電極性熔煉時(shí)相比，熔池深度減少50mm以上)時(shí)所對(duì)應(yīng)的熔煉工藝參數(shù)，減小了實(shí)驗(yàn)迭代周期；在進(jìn)行第三次真空自耗電弧熔煉時(shí)，采用特定的反電極性熔煉參數(shù)控制電弧區(qū)和熔池內(nèi)溫度場(chǎng)分布，提高了tc17鈦合金鑄錠的成分均勻性和生產(chǎn)效率，解決了現(xiàn)有φ720mm～φ920mm大規(guī)格tc17鈦合金鑄錠的生產(chǎn)效率低，成分均勻性控制難度大，易出現(xiàn)β斑冶金缺陷的問(wèn)題。

22、2)本發(fā)明中的鋁錫鋯鉬鉻中間合金的粒度為1～3mm，可提高混料的均勻性，采用“鋁熱還原法結(jié)合真空冷結(jié)晶器感應(yīng)熔煉”的方法制備得到，第一次熔煉通過(guò)控制原材料的純度、一次錠扒皮等措施，有效降低了fe、mn、cl等有害雜質(zhì)的含量；第二次熔煉按照相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行用真空冷結(jié)晶器感應(yīng)熔煉，高真空度有利于氣體元素、mn、cl等雜質(zhì)元素的排出，溫度控制在1500℃～1600℃，保持150℃～250℃的過(guò)熱；懸浮精煉時(shí)間控制在13min～17min，一方面可提高熔體的均勻性，另一方面可防止溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，高飽和蒸氣壓元素?fù)]發(fā)，以精確控制各合金元素的比例，提高各合金元素的均勻性。此外，單次澆注量控制在100kg以內(nèi)，有利于進(jìn)一步提高中間合金的均勻性。

23、3)采用噴涂設(shè)備對(duì)所述結(jié)晶器的內(nèi)壁噴涂潤(rùn)滑油，通過(guò)控制噴涂設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度和上下進(jìn)給速度，來(lái)保證噴涂后結(jié)晶器內(nèi)壁潤(rùn)滑油的均勻性，有利于鑄錠表面質(zhì)量的提升，方便出爐。

24、4)基于該tc17鈦合金鑄錠的棒材，在鍛造的高溫火次，采用純鈦板包覆在長(zhǎng)壽命tc17鑄錠的圓周面和兩個(gè)端面處，防止在加熱過(guò)程中出現(xiàn)增氫現(xiàn)象，基本解決了加熱過(guò)程中氫含量大幅度增加的問(wèn)題。

25、綜上，本發(fā)明提供的制備方法，可制備出高純凈性、高均勻性的tc17合金棒材，可大幅度提高材料的使用壽命，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)件用材料的可靠性、穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的制備成本。