本發(fā)明屬于鈦合金熔煉，具體涉及一種超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金密度小，比強(qiáng)度高，抗腐蝕能力強(qiáng)，高溫和低溫力學(xué)性能好，被視為最有發(fā)展前途的金屬材料，廣泛用于航空、航天、海洋、化工及醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前，鈦合金的熔煉工藝主要包括真空自耗電弧熔煉(var)和電子束冷床爐熔煉(eb)技術(shù)。var爐存在除雜、脫氣效果不佳，易產(chǎn)生夾雜、偏析等問(wèn)題，限制了其在高品質(zhì)鈦合金領(lǐng)域的應(yīng)用。eb爐能有效去除鈦及鈦合金中的高、低密度夾雜，是現(xiàn)階段熔煉鈦及鈦合金的先進(jìn)技術(shù)。但是，在eb爐熔煉過(guò)程中，高溫鈦及鈦合金熔體的流動(dòng)力度小、凝固速度慢，使得它面臨著鑄錠成分不均、晶界偏析嚴(yán)重、組織晶粒粗大等嚴(yán)重問(wèn)題。

2、超聲是近年來(lái)倍受關(guān)注的金屬輔助熔煉技術(shù)，其通過(guò)高頻振動(dòng)形成超聲波作用于液態(tài)金屬，一方面能引發(fā)液體中微氣泡的形成和崩潰，形成強(qiáng)烈的局部高溫高壓及液體流動(dòng)，有利于金屬熔體中氧化物和雜質(zhì)的熔化及上浮；另一方面，超聲波的引入能有效降低金屬熔體的表面張力，從而促進(jìn)合金元素在熔體中的均勻分布。超聲技術(shù)已在鋁合金、鎂合金等金屬材料的熔煉、鑄造過(guò)程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，實(shí)踐證明其有助于避免熔煉凝固過(guò)程中可能出現(xiàn)的分層和氣孔等缺陷，從而提升鑄件的致密性和機(jī)械性能。

3、cn118685628提供了一種鑄造鋁合金熔體凈化處理的方法及裝置，它使鋁合金熔體處于超聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)及負(fù)壓真空?qǐng)鲋?，協(xié)同作用下有效提高鋁合金凈化效果，實(shí)現(xiàn)鋁合金熔體的超潔凈度、超細(xì)晶粒、超均勻度等目的，從而提高鋁合金材料的綜合性能。cn96218695.3公開(kāi)了一種用于制造碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的功率超聲熔煉爐，它由爐體和功率超聲室構(gòu)成，功率超聲幅射器通過(guò)升降器可插入熔融的鋁液中進(jìn)行超聲波攪拌，從而制得性能優(yōu)良的sicp/al復(fù)合材料。cn107900315a公開(kāi)了一種變頻超聲輔助陶瓷與鈦合金復(fù)合鑄造的技術(shù)方法。它在澆注過(guò)程中，通過(guò)輔助變頻超聲，降低鈦合金的凝固偏析，增大細(xì)晶區(qū)，減少發(fā)達(dá)樹(shù)枝晶的形成，使熔化的鈦合金熔體與陶瓷基體形成良好結(jié)合，從而形成性能優(yōu)良的鈦合金-陶瓷復(fù)合材料。

4、然而，迄今為止，幾乎沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道超聲技術(shù)在鈦合金熔煉及eb爐工藝中的應(yīng)用，適用于鈦合金eb爐熔煉過(guò)程的超聲輔助工藝參數(shù)也未被系統(tǒng)研究和明確，cn118685628和cn107900315a的超聲工藝難以適用于鈦合金的eb爐熔煉。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)在eb爐熔煉熔池插入超聲波輻射桿，通過(guò)超聲振動(dòng)及空化作用，使鈦合金凝固組織的晶粒細(xì)化，合金成分均勻，從而提高鈦鑄錠的加工性能，實(shí)現(xiàn)鈦合金生產(chǎn)的高效化和高品質(zhì)化。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，其包括以下步驟：

3、a、凝固與引錠：高溫鈦合金熔體流入結(jié)晶器中，當(dāng)熔體液面距離結(jié)晶器上沿小于30mm時(shí)開(kāi)始凝固和引錠；

4、b、超聲處理：在結(jié)晶器上部的鈦合金熔體熔池施加超聲振動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)始引錠的同時(shí)，啟動(dòng)超聲振動(dòng)系統(tǒng)，將超聲波輻射桿插入結(jié)晶器上部的鈦合金熔體熔池，超聲波輻射桿浸入熔體的深度為50～200mm，超聲頻率為30～120khz；所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲電源、連接線和超聲波輻射桿；

5、c、結(jié)束熔煉：當(dāng)鈦錠凝固90％～95％時(shí)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)停止工作，鈦錠持續(xù)下降移出結(jié)晶器；向eb爐充入惰性氣體，鈦錠冷卻后，得到鈦合金鑄錠。

6、其中，上述超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，步驟a中，引錠速度根據(jù)鈦合金熔體液面高度動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其距離結(jié)晶器上沿保持30±10mm。

7、其中，上述超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，步驟b中，所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)施加前，對(duì)超聲波輻射桿進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于800℃。

8、其中，上述超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，步驟b中，所述超聲波輻射桿均勻分布浸入鈦合金熔體。本發(fā)明中，超聲波輻射桿的布置方式包括環(huán)形排布、橫向排布等多種方式，超聲波輻射桿可采用不止1根。

9、其中，上述超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，步驟b中，所述超聲波輻射桿自上而下垂直插入熔體。

10、本發(fā)明中，所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲電源、連接線和超聲波輻射桿。超聲電源用于發(fā)出高頻交流電信號(hào)；連接線將高頻交流電信號(hào)傳遞至超聲波輻射桿；超聲波輻射桿將高頻交流電信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，并傳遞至熔體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金熔體的連續(xù)超聲處理。

11、本發(fā)明中，所述高溫鈦合金熔體可采用本領(lǐng)域常規(guī)方法制備得到。如本發(fā)明實(shí)施例中，按鈦合金鑄錠成分要求，取一定量的海綿鈦、殘鈦料和二氧化鈦，使其均勻混合并通過(guò)10000噸的油壓機(jī)，制成若干規(guī)格為400*400*100mm的電極塊；海綿鈦符合gb/t?2524-2019中1級(jí)海綿鈦要求，粒度0.83-25.4mm；殘鈦為純鈦屑式殘料，成分符合gb/t?3621中ta2的成分要求；二氧化鈦添加劑符合gb/t1706-2006要求。然后將電極塊均勻放在eb爐料倉(cāng)，封閉eb爐；開(kāi)啟抽真空機(jī)組進(jìn)行抽真空操作，使eb爐爐內(nèi)真空度<2pa，漏氣<0.3pa/min。然后以7～11a電流啟動(dòng)電子槍，使其發(fā)出高能電子束轟擊eb爐料倉(cāng)的電極塊；電子動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，電極塊熔化為高溫鈦合金熔體流入冷床，此時(shí)在重力作用下鈦液中高密度夾雜下沉至冷床底部被凝固粘結(jié)，低密度夾雜上浮至鈦液表面被熔化吸附，冷床內(nèi)高溫鈦合金熔體再經(jīng)過(guò)溢流口流入結(jié)晶器。

12、本發(fā)明的有益效果：

13、本發(fā)明將超聲技術(shù)引入鈦合金eb爐熔煉工藝，在eb爐熔煉熔池插入超聲波輻射桿，通過(guò)超聲振動(dòng)及空化作用，以簡(jiǎn)便和低成本的方式使鈦合金凝固組織的晶粒細(xì)化，合金成分均勻，從而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鈦合金生產(chǎn)的高效化和高品質(zhì)化，為提高鈦合金鑄錠質(zhì)量提供一種新方法。

技術(shù)特征：

1.超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，其特征在于：步驟a中，引錠速度根據(jù)鈦合金熔體液面高度動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其距離結(jié)晶器上沿保持30±10mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，其特征在于：步驟b中，所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)施加前，對(duì)超聲波輻射桿進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于800℃。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，其特征在于：步驟b中，所述超聲波輻射桿均勻分布浸入鈦合金熔體。

5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的超聲處理改善鈦合金eb爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，其特征在于：步驟b中，所述超聲波輻射桿自上而下垂直插入熔體。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種超聲處理改善鈦合金EB爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，屬于鈦合金熔煉技術(shù)領(lǐng)域。為解決現(xiàn)有EB爐熔煉過(guò)程中鑄錠成分不均、晶界偏析嚴(yán)重、組織晶粒粗大等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種超聲處理改善鈦合金EB爐熔煉過(guò)程凝固組織晶粒度及成分均勻度的方法，包括：高溫鈦合金熔體流入結(jié)晶器中進(jìn)行凝固和引錠；引錠開(kāi)始后，在結(jié)晶器上部的鈦合金熔體熔池插入超聲波輻射桿；鑄錠臨近凝固終點(diǎn)時(shí)，移除超聲波輻射桿，得到鈦合金鑄錠。本發(fā)明通過(guò)插入超聲波輻射桿，并控制插入深度、超聲頻率，利用超聲振動(dòng)及空化作用，使鈦合金凝固組織的晶粒細(xì)化，合金成分均勻，從而提高鈦鑄錠的加工性能，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鈦合金的高效化生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：尹鋮,耿乃濤,秦海旭,羅坤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：成都先進(jìn)金屬材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9