一种多组元铌合金铸锭的制备方法 【技术领域】
本发明属于合金制备技术领域， 具体涉及一种多组元铌合金铸锭的制备方法。背景技术 合金研究表明， 一种多元体心立方固溶强化的 Nb-Ti-Al 系合金具有良好的综合 性能， 它具有密度小、 无磁、 中等温度强度 (1100 ℃ )、 耐蚀性好、 抗氧化性好、 易焊接的优 点， 已成为中等温度结构件的候选材料， 对航天航空技术、 武器装备和民用行业的发展有着 极为重要的作用。
此类合金中含有大量钛、 铝元素， 少量锆、 钒、 铬、 碳等元素， 与铌相比， 这些元素熔 点低、 比重小， 熔炼时容易在铸锭中产生未熔透的铌块或富铌区， 形成严重的冶金缺陷， 影 响后续加工和产品质量。
目前此类合金的熔炼技术有两种方法， 一是采用真空等离子冷床炉熔炼 ； 二是将 合金元素制备为中间合金， 加入到电极块中， 在真空自耗电弧炉中熔炼。
采用等离子冷床炉直接熔炼， 是将各组元粉末、 颗粒等放入水冷铜炉床内， 通过惰 性气体保护， 直接在高能量的等离子束下进行熔炼， 该工艺方法简单， 熔炼均匀化效果好， 国外应用较广， 但我国设备功率较小， 只能用于熔炼钛、 镍等合金。
电极中加入中间合金， 主要是通过 Nb 粉与各组元粉末混合 - 压型 - 烧结成条或块 状中间合金， 最后将中间合金加入到电极中进行真空自耗电弧炉熔炼， 这种方法的缺点是 ： 工艺复杂， 成本高， 合金成分熔点相差大， 蒸汽压不同， 成分难于控制， 且易出现杂质超标等 现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足， 提供一种工艺简单、 成本低、 生产组织便捷的多组元铌合金铸锭的制备方法。
为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是 ： 一种多组元铌合金铸锭的制备 方法， 其特征在于， 该方法包括以下步骤 ：
步骤一、 按所要制备的多组元铌合金铸锭的成分进行原料的配比称重 ；
步骤二、 将金属颗粒铝用箔材包好， 制备成合金包 (3) ； 或将金属颗粒铝与其他金 属颗粒混合后用箔材包好， 制备成合金包 (3) ； 所述其他金属颗粒为钒、 铬和碳中的一种或 几种 ； 所述箔材为铝箔 ；
步骤三、 将步骤二中所述合金包 (3) 均匀地放置于海绵状基体金属 (2) 中， 在压力 机上压制成截面为半圆环形的电极 ； 所述海绵状基体金属为海绵钛或海绵钛和海绵锆 ；
步骤四、 在惰性气体保护下， 将纯铌棒 (1) 置于两节步骤三中所述电极的中心进 行焊接， 组成一个完整电极 ；
步 骤 五、 将 步 骤 四 中 所 述 完 整 电 极 置 于 真 空 自 耗 电 弧 炉 中， 在熔炼电流为 2000A ～ 7000A， 熔炼电压为 25V ～ 50V， 稳弧电流为 2A ～ 6.5A 的条件下熔炼 2 ～ 3 次， 得到均质的多组元铌合金铸锭。
上述步骤二中所述铝箔的厚度≤ 0.15mm。
上述步骤三中所述合金包 (3) 置于海绵状基体金属 (2) 中的方法为 ： 将海绵状基 体金属 (2) 置于模具上， 然后将合金包 (3) 均匀地放置于海绵状基体金属 (2) 上， 在合金包 (3) 上再放置一层海绵状基体金属 (2)。
上述步骤四中所述惰性气体为质量纯度≥ 99.99％的氩气。
上述步骤四中所述焊接的方法为氩弧焊。
本发明与现有技术相比具有以下优点 ： 本发明的原料除铌外均为低熔点低密度金 属颗粒， 本发明制备过程中合金各组元都能熔化， 在真空自耗电弧炉中熔炼时各组分熔体 充分混合， 避免了不熔块的形成， 其制备工艺简单、 成本低、 生产组织便捷， 可大大提高此类 铌合金铸锭工业化生产的效率， 适用于各种含低熔点低密度组元的二元系和多元系铌合金 铸锭的制备。
下面通过附图和实施例， 对本发明的技术方案做进一步的详细说明。 附图说明 图 1 为本发明的完整电极的结构示意图。
图 2 为图 1 的 A-A 剖视图。
图 3 为本发明实施例 1 制备的 Nb-41Ti-5Al 合金铸锭的显微金相组织图。
图 4 为本发明实施例 2 制备的 Nb-37Ti-8Al-5Cr 合金铸锭的显微金相组织图。
图 5 为本发明实施例 3 制备的 Nb-32Ti-8Al-3V-1Zr 合金铸锭的显微金相组织图。
图 6 为本发明实施例 4 制备的 Nb-35Ti-5Al-5V-2Zr-0.04C 合金铸锭的显微金相 组织图。
附图标记说明 ：
1- 铌棒 ； 2- 海绵状基体金属 ； 3- 合金包 ；
4- 焊缝。
具体实施方式
实施例 1
Nb-41Ti-5Al 合金铸锭的制备
步骤一、 按 Nb-41Ti-5Al 合金铸锭的成分进行原料的配比称重 ；
步骤二、 将金属颗粒铝用厚度≤ 0.15mm 铝箔包好， 制备成合金包 3 ；
步骤三、 将海绵状基体金属 2 海绵钛置于模具上， 然后将步骤二中所述合金包 3 均 匀地放置于海绵状基体金属 2 上， 在合金包 3 上再放置一层海绵状基体金属 2 海绵钛， 在压 力机上用半圆形压块压制成截面为半圆环形的电极 4 ；
步骤四、 在质量纯度≥ 99.99％的氩气保护下， 将纯铌棒 1 置于两节步骤三中所述 电极 4 的中心， 采用氩弧焊进行焊接， 组成一个完整电极 ；
步骤五、 将步骤四中所述完整电极置于真空自耗电弧炉中熔炼 Φ60mm 的一次 锭， Φ90mm 的二次锭， 一次熔炼电流为 2000A、 电压为 28V、 稳弧电流为 2A， 二次熔炼电流为 2500A、 电压为 32V、 稳弧电流为 2.5A ； 得到 Nb-41Ti-5Al 合金铸锭。本实施例制备的 Nb-41Ti-5Al 合金铸锭的显微金相分析图见图 3， 合金内部不存 在铌块或富铌区， 且晶粒细小、 均匀。在铸锭不同部位取样分析， 结果见下表
表 1 Nb-41Ti-5Al 合金元素实测结果
取样部位 上 中 下
Nb 余量 余量 余量Ti 41.00 41.00 40.20Al 5.00 5.30 4.80Fe 0.005 0.005 0.005Si 0.002 0.002 0.002C 0.01 0.01 0.01N 0.010 0.010 0.010O 0.060 0.050 0.050H 0.001 0.001 0.001如表 1 所示， 低熔点低密度元素成分波动很小， Ti 控制在 41±0.8wt％范围内， Al 控制在 5±0.3wt％范围内， C、 N、 O、 H 等杂质元素也控制在较低的水平， 铸锭均匀性较好。
实施例 2
Nb-37Ti-8Al-5Cr 合金铸锭的制备
步骤一、 按 Nb-37Ti-8Al-5Cr 合金铸锭的成分进行原料的配比称重 ； 步骤二、 将金属颗粒铝与金属颗粒铬混合后用厚度≤ 0.15mm 铝箔包好， 制备成合金包 3 ； 步骤三、 将海绵状基体金属 2 海绵钛置于模具上， 然后将步骤二中所述合金包 3 均 匀地放置于海绵状基体金属 2 上， 在合金包 3 上再放置一层海绵状基体金属 2 海绵钛， 在压 力机上用半圆形压块压制成截面为半圆环形的电极 4 ；
步骤四、 在质量纯度≥ 99.99％的氩气保护下， 将纯铌棒 1 置于两节步骤三中所述 电极 4 的中心， 采用氩弧焊进行焊接， 组成一个完整电极 ；
步骤五、 将步骤四中所述完整电极置于真空自耗电弧炉中熔炼 Φ110mm 的一次 锭， Φ160mm 的二次锭， Φ2200mm 的三次锭， 一次熔炼电流为 3000A、 电压为 32V、 稳弧电流为 3A， 二次熔炼电流为 4200A、 电压为 36V、 稳弧电流为 4A， 三次熔炼电流为 6000A、 电压为 43V、 稳弧电流为 6A ； 得到 Nb-37Ti-8Al-5Cr 合金铸锭。
本实施例制备的 Nb-37Ti-8Al-5Cr 合金铸锭的显微金相分析图见图 4， 合金内部 不存在铌块或富铌区， 且晶粒细小、 均匀。在铸锭不同部位取样分析， 结果见下表
表 2 Nb-37Ti-8Al-5Cr 合金元素实测结果
取样部位 上 中 下 Nb 余量 余量 余量 Ti 36.60 36.50 37.20 Al 8.00 7.70 7.80 Cr 5.1 4.9 4.9 Fe 0.003 0.003 0.003 Si 0.002 0.002 0.002 C 0.01 0.01 0.01 N 0.010 0.014 0.011 O 0.090 0.070 0.080 H 0.001 0.001 0.001如表 2 所示， 低熔点低密度元素成分波动很小， Ti 元素控制在 37±0.6wt％范围 内， Al 元素控制在 8±0.3wt％范围内， Cr 控制在 5±0.1wt％范围内， 铸锭均匀性较好。
实施例 3 Nb-32Ti-8Al-3V-1Zr 合金铸锭的制备 步骤一、 按 Nb-32Ti-8Al-3V-1Zr 合金铸锭的成分进行原料的配比称重 ； 步骤二、 将金属颗粒铝与金属颗粒钒混合后用厚度≤ 0.15mm 铝箔包好， 制备成合金包 3 ； 步骤三、 将海绵状基体金属 2( 海绵钛和海绵锆 ) 置于模具上， 然后将步骤二中所 述合金包 3 均匀地放置于海绵状基体金属 2 上， 在合金包 3 上再放置一层海绵状基体金属 2( 海绵钛和海绵锆 )， 在压力机上用半圆形压块压制成截面为半圆环形的电极 4 ；
步骤四、 在质量纯度≥ 99.99％的氩气保护下， 将纯铌棒 1 置于两节步骤三中所述 电极 4 的中心， 采用氩弧焊进行焊接， 组成一个完整电极 ；
步骤五、 将步骤四中所述完整电极置于真空自耗电弧炉中熔炼 Φ110mm 的一次 锭， Φ160mm 的二次锭， Φ2200mm 的三次锭， 一次熔炼电流为 3200A、 电压为 34V、 稳弧电流 为 3A， 二次熔炼电流为 4500A、 电压为 38V、 稳弧电流为 4.5A， 三次熔炼电流为 6200A、 电压为 45V、 稳弧电流为 6A ； 得到 Nb-32Ti-8Al-3V-1Zr 合金铸锭。
本实施例制备的 Nb-32Ti-8Al-3V-1Zr 合金铸锭的显微金相分析图见图 5， 合金内 部不存在铌块或富铌区， 且晶粒细小、 均匀。在铸锭不同部位取样分析， 结果见下表
取样部位 上 中 下 Nb 余量 余量 余量 Ti 35.00 34.10 34.60 Al 4.90 4.80 4.50 V 5.2 5.1 5.0 Zr 1.8 1.8 1.9 C 0.04 0.04 0.038 Fe 0.003 0.004 0.004 Si 0.002 0.002 0.002 N 0.012 0.013 0.010 O 0.060 0.050 0.050 H 0.001 0.001 0.001表 3 Nb-32Ti-8Al-3V-1Zr 合金元素实测结果如表 3 所示， 低熔点低密度元素成分波动很小， Ti 控制在 32±0.4wt％范围内、 Al 控制在 8±0.3wt％范围内、 V 控制在 3±0.1wt％范围内、 Zr 控制在 1±0.2wt％范围内， Fe、 O 等杂质元素也控制在较低的水平 ( 见表 3)， 铸锭均匀性较好。
实施例 4
Nb-35Ti-5Al-5V-2Zr-0.04C 合金铸锭的制备
步骤一、 按 Nb-35Ti-5Al-5V-2Zr-0.04C 合金铸锭的成分进行原料的配比称重 ；
步骤二、 将金属颗粒铝与金属颗粒钒和碳混合后用厚度≤ 0.15mm 铝箔包好， 制备 成合金包 3 ；
步骤三、 将海绵状基体金属 2( 海绵钛和海绵锆 ) 置于模具上， 然后将步骤二中所 述合金包 3 均匀地放置于海绵状基体金属 2 上， 在合金包 3 上再放置一层海绵状基体金属 2( 海绵钛和海绵锆 )， 然后在压力机上用半圆形压块压制成截面为半圆环形的电极 4 ；
步骤四、 在质量纯度≥ 99.99％的氩气保护下， 将纯铌棒 1 置于两节步骤三中所述 电极 4 的中心， 采用氩弧焊进行焊接， 组成一个完整电极 ；
步骤五、 将步骤四中所述完整电极置于真空自耗电弧炉中熔炼 Φ110mm 的一次 锭， Φ160mm 的二次锭， Φ2200mm 的三次锭， 一次熔炼电流为 3500A、 电压为 36V、 稳弧电流为
3.5A， 二次熔炼电流为 4700A、 电压为 39V、 稳弧电流为 4.5A， 三次熔炼电流为 6500A、 电压为 48V、 稳弧电流为 6.5A ； 得到 Nb-35Ti-5Al-5V-2Zr-0.04C 合金铸锭。
本实施例制备的 Nb-35Ti-5Al-5V-2Zr-0.04C 合金铸锭的显微金相分析图见图 6， 合金内部不存在铌块或富铌区， 且晶粒细小、 均匀。在铸锭不同部位取样分析， 结果见下表
表 4 Nb-35Ti-5Al-5V-2Zr-0.04C 合金元素实测结果
取样部位 上 中 下 Nb 余量 余量 余量 Ti 32.00 31.00 31.60 Al 7.80 7.60 7.70 V 3.1 3.1 3.0 Zr 0.9 0.8 0.9 Fe 0.004 0.004 0.004 Si 0.002 0.002 0.002 C 0.01 0.01 0.01 N 0.012 0.011 0.011 O 0.060 0.070 0.060 H 0.001 0.001 0.001如表 4 所示， 低熔点低密度元素成分波动很小， Ti 控制在 35±0.5wt％范围内、 Al 控制在 5±0.5wt％范围内、 V 控制在 5±0.2wt％范围内、 Zr 控制在 2±0.2％范围内， C元 素控制在 0.04±0.002％范围内， O、 N 等杂质元素也控制在较低的水平， 铸锭均匀性较好。
以上所述， 仅是本发明的较佳实施例， 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所作的任何简单修改、 变更或等效变化， 均仍属于本发明技术方案 的保护范围内。