專利名稱：液態(tài)置氫熔煉Ti6Al4V合金的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在熔鑄Ti6A14V合金錠過程中置氫方法。
技術背景鈦基合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕性能好和熱強度高的特點，是航 空航天飛行器較為理想的結(jié)構(gòu)材料，應用H^分廣泛。但是它在加工過程中存在 一些缺點鈦合金室溫塑性低，變形極限低，變形抗力大，冷成形容易開裂； 鈦合金的熱變形溫度高，流動應力大，高溫下原子擴散能力低，應變速率低等。 為了解決這樣的問題，近年來出現(xiàn)了鈦合金的固態(tài)置氫技術，用以提高合金的 加工性能，有研究表明鈦合金中加入適量的氫不僅可以顯著改善軋制、鍛造、 熱壓和超塑性等熱塑性加工性能，使其屈服強度降低約15% 35%，變形溫 度降低約50 150°C,而且可以提高冷塑性變形的變形極限。所謂的固態(tài)置氫， 即在低于熔化溫度的條件下，在純氫或者氫氣與氬氣混和的氣氛下對合金進行 加熱，使氫元素向合金內(nèi)部擴散，擴散到合金內(nèi)的氫細化了合金的組織，改善 了加工性能。但是固態(tài)置氫過程需要的時間比較長，往往存在著"吸氫"—"除 氫"—"吸氫"—"除氫"這樣的反復的過程，因此固態(tài)置氫效率低；并且固態(tài)置氫只適用于薄壁構(gòu)件，很難對大體積的鑄錠進行置氫。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決目前鈦合金的固態(tài)置氫技術只適用于薄壁構(gòu)件，不能對大體積的鑄錠進行置氫的問題，而提供一種液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金 的方法。本發(fā)明在氫氣和氬氣的混和氣氛下，在熔煉過程中使Ti6A14V合金在 液態(tài)的狀態(tài)下吸入氫元素，在合金凝固的過程中， 一定含量的氫就存在于合金 中，即實現(xiàn)液態(tài)置氫。本發(fā)明的液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金方法是由下述步驟實現(xiàn)的將 Ti6A14V合金或Ti6A14V合金原料放入熔煉室內(nèi)的水冷銅坩堝中，然后將熔煉 室抽真空至真空度為5.0xl(T3Pa~7.0xl(r3Pa;然后通入純度為99.999%的氬氣將熔煉室外的氣路系統(tǒng)中的空氣排空；爾后通過氣路系統(tǒng)向熔煉室內(nèi)充入一定量的氬氣，再通入一定量的氫氣，具體操作時氫氣與氬氣的比例可以控制，置氫熔煉2min 4min得到液態(tài)置氫Ti6A14V合金；置氫熔煉過程中鈦合金中加入氫的質(zhì)量由下述公式計算得出-<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>，IIm氫氣-2M III式I-III中，P為氣體的總壓，P的單位^Pa， aX為熔煉前的氫氣百分含量、 bX為熔煉后的氫氣百分含量；尸l為熔煉前的氫氣分壓，尸^的單位為Pa; /L為氬氣的分壓，尸^的單位為Pa;尸&為熔煉后的氫氣分壓，&2的單位 為Pa; M為合金吸收的氫氣的摩爾數(shù)，M的單位為mol, V為熔煉室容積，V的單位為L; m^為鑄錠中的氫氣質(zhì)量，m^的單位為g。一般將鈦合金的加工過程大體上分為以下的幾個階段"原材料準 備"—"熔像，—"成錠"—"開坯"—"軋制"—"熱加工"—"成品"，對于整個加工過 程而言，液態(tài)置氫進行于"熔煉"這一階段，熔煉后得到的鑄錠中就含有了氫元 素，合金的鑄態(tài)組織得到了細化，在后面的步驟中合金的加工性能得到改善， 降低了加工難度。而固態(tài)置氫的方法往往是作用于軋制后得到的母材，之后對 含氫的合金進行熱加工，最后得到成品。兩者對比可以發(fā)現(xiàn)，在整個加工過程 中，液態(tài)置氫的方法處于的位置在固態(tài)置氫之前，氫元素更早地在合金中產(chǎn)生 作用，也就是說，液態(tài)置氫的方法在熔煉后得到的鑄錠的開坯，軋制中都起到 了降低加工難度的作用，這一作用是固態(tài)置氫難以達到的。而且液態(tài)置氫的效 率要高于固態(tài)置氫的方法。本發(fā)明的方法從根本上解決了固態(tài)置氫難于應用在較大鑄錠置氫上的問 題，本發(fā)明的方法可以較為準確的控制加入合金中的氫的含量，并且可以應用 于大量、連續(xù)生產(chǎn)，具有現(xiàn)實意義。


圖1是未加氫Ti6A14V合金的鑄態(tài)微觀組織照片。圖2是氫含量為 1.2756xl(T2% (質(zhì)量)Ti6A14V合金的鑄態(tài)微觀組織照片。圖3是氫含量為5.3052xl(T2% (質(zhì)量)Ti6A14V合金的鑄態(tài)微觀組織照片。圖4是氫含量為 1.2445xl(T1。/^ (質(zhì)量)Ti6A14V合金的鑄態(tài)微觀組織照片。圖5是不同氫含量 的Ti6A14V合金的真應力-真應變曲線圖圖中曲線A為未置氫的Ti6A14V合 金試樣進行熱壓縮實驗得到的數(shù)據(jù)繪制的曲線，曲線B為氫含量為1.2756xl(T2 % (質(zhì)量)的Ti6A14V合金進行熱壓縮實驗得到的數(shù)據(jù)繪制的曲線，曲線C 為氫含量為5.3052xl(T2% (質(zhì)量)的Ti6A14V合金進行熱壓縮實驗得到的數(shù) 據(jù)繪制的曲線，曲線D為氫含量為1.2445x10"% (質(zhì)量)的Ti6A14V合金進 行熱壓縮實驗得到的數(shù)據(jù)繪制的曲線。
具體實施方式
具體實施方式
一本實施方式液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金的方法是由下 述步驟實現(xiàn)的將Ti6A14V合金或Ti6A14V合金原料放入熔煉室內(nèi)的水冷銅 坩堝中，然后將熔煉室抽真空至真空度為5.0xl(y3Pa 7.0xl(r3Pa;然后通入純 度為99.999%的氬氣將熔煉室外的氣路系統(tǒng)中的空氣排空；爾后通過氣路系統(tǒng) 向熔煉室內(nèi)充入一定量的氬氣，再通入一定量的氫氣，具體操作時氫氣與氬氣 的比例可以控制，置氫熔煉2min 4min得到液態(tài)置氫Ti6A14V合金；置氫熔 煉過程中鈦合金中加入氫的質(zhì)量由下述公式計算得出<formula>formula see original document page 6</formula>
m氫氣-2M式I-III中，P為氣體的總壓，P的單位為Pa， aX為熔煉前的氫氣百分含量、 b^為熔煉后的氫氣百分含量；尸l為熔煉前的氫氣分壓,戶l的單位為Pa;尸Ar為氬氣的分壓，尸&的單位為Pa;尸^為熔煉后的氫氣分壓，的單位為Pa; M為合金吸收的氫氣的摩爾數(shù)，M的單位為mol， V為熔煉室容積，V的單位為L; ms氣為鑄錠中的氫氣質(zhì)量，m^的單位為g。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是在熔煉過程中保 持電流為80 150A。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是在熔煉過程中保 持電流為卯 120A。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是在熔煉過程中保 持電流為IOOA。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一不同的是將熔煉室抽真空 至真空度為6.0xl(T3Pa。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一不同的是液態(tài)置氫前熔煉 室的總氣壓為0.5~l.lxl05Pa。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一不同的是液態(tài)置氫前熔煉室內(nèi)氫氣的含量在0<3%《50%范圍內(nèi)。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一不同的是原料為Ti6A14V合金，液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金在真空非自耗電弧爐中進行，真空非自耗電弧爐中的真空度為6.0xlO'3Pa，熔煉室中氣體的總壓力為0.05MPa，在置氫熔煉過程中保持電流為IOOA，置氫熔煉時間為4分鐘。其它與具體實施方式
一相同。表l:原料加入量及鑄錠中氫含量原料Ti6A14V合金質(zhì)量 (g)氫氣 % (原子)鑄錠中氫含量 % (質(zhì)量)21.049185.41.2756xl(T222.0721310.65.3052xl(T221.6918145.21.2445x10"結(jié)合圖1-圖4進行分析，可見Ti6A14V合金的微觀組織隨氫的含量增加 而逐漸細化。圖5是利用Gleeble熱模擬機進行熱壓縮實驗得到的曲線，熱變形參數(shù)如 下加熱速度為6.67。Cs人加熱到溫度800。C，保溫30s;實驗中確定應變速 率為O.Ols-1，試樣總長度為10.5mm，變形量為7mm，即變形率為66.7%，由 應變速率和變形率得到變形時間為66.7s。由圖5可以看出氫的加入可以改善 合金的熱塑性，熔煉室中氫氣含量在25%到45%這一范圍內(nèi)，液態(tài)置氫后合 金的屈服強度先是降低，然后以增加，并且在氫氣含量為35.0%出現(xiàn)了一個最 小值，因此可以得出結(jié)論，在氫氣含量為35.0%左右的一個小范圍內(nèi)，液態(tài)置 氫后的合金的屈服強度最小。
權利要求
1、一種液態(tài)置氫熔煉Ti6Al4V合金的方法，其特征在于液態(tài)置氫熔煉Ti6Al4V合金方法的步驟如下將Ti6Al4V合金或Ti6Al4V合金原料放入熔煉室內(nèi)的水冷銅坩堝中，然后將熔煉室抽真空至真空度為5.0×10-3Pa～7.0×10-3Pa；然后通入純度為99.999％的氬氣將熔煉室外的氣路系統(tǒng)中的空氣排空；爾后通過氣路系統(tǒng)向熔煉室內(nèi)充入一定量的氬氣，再通入一定量的氫氣，具體操作時氫氣與氬氣的比例可以控制，置氫熔煉2min～4min得到液態(tài)置氫Ti6Al4V合金；置氫熔煉過程中鈦合金中加入氫的質(zhì)量由下述公式計算得出
2、 根據(jù)權利要求l所述的液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于在熔煉過程中電流為80~150A。
3、 根據(jù)權利要求l所述的液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于在熔煉過程中電流為90~120A。
4、 根據(jù)權利要求1所述的液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于在熔煉過程中電流為100A。
5、 根據(jù)權利要求l所述的液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于將熔煉室抽真空至真空度為6.0xl(r3Pa。
6、 根據(jù)權利要求l所述的液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于液態(tài)置氫前熔煉室的總氣壓為0.5~l.lxl05 Pa。
7、 根據(jù)權利要求l所述的液態(tài)置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于液態(tài)置氫前熔煉室內(nèi)氫氣百分含量在0<3%《50%范圍內(nèi)。
全文摘要
液態(tài)置氫熔煉Ti6Al4V合金的方法，它涉及一種在熔鑄Ti6Al4V合金錠過程中置氫方法。本發(fā)明解決了鈦合金的固態(tài)置氫技術只適用于薄壁構(gòu)件，不能對大體積的鑄錠進行置氫的問題。本發(fā)明的方法如下將Ti6Al4V合金或Ti6Al4V合金原料放入熔煉室中，然后將熔煉室抽真空；然后通入氬氣將熔煉室外的氣路系統(tǒng)中的空氣排空；爾后通過氣路系統(tǒng)向熔煉室內(nèi)按一定比例充入氬氣和氫氣，在熔煉電流為80～150A條件下置氫熔煉得到液態(tài)置氫Ti6Al4V合金。本發(fā)明中液態(tài)置氫后的Ti6Al4V合金的顯微組織得到細化，熱加工性能得到改善。本發(fā)明的方法從根本上解決了固態(tài)置氫難于應用在較大鑄錠置氫上的問題，本發(fā)明的方法可以較為準確地控制加入合金中的氫的含量，并且可以應用于大量、連續(xù)生產(chǎn)，具有現(xiàn)實意義。
文檔編號C22C1/02GK101225485SQ20081006392
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月28日 優(yōu)先權日2008年1月28日
發(fā)明者丁宏升, 傅恒志, 吳士平, 亮 王, 蘇彥慶, 郭景杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學