專利名稱：液態置氫熔煉Ti6Al4V合金的方法
技術領域：
本發明涉及一種在熔鑄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構材料，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，近年來出現了鈦合金的固態置氫技術，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，使氫元素向合金內部擴散，擴散到合金內的氫細化了合金的組織，改善 了加工性能。但是固態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，因此固態置氫效率低；并且固態置氫只適用于薄壁構件，很難對大體積的鑄錠進行置氫。 發明內容本發明的目的是為了解決目前鈦合金的固態置氫技術只適用于薄壁構件，不能對大體積的鑄錠進行置氫的問題，而提供一種液態置氫熔煉Ti6A14V合金 的方法。本發明在氫氣和氬氣的混和氣氛下，在熔煉過程中使Ti6A14V合金在 液態的狀態下吸入氫元素，在合金凝固的過程中， 一定含量的氫就存在于合金 中，即實現液態置氫。本發明的液態置氫熔煉Ti6A14V合金方法是由下述步驟實現的將 Ti6A14V合金或Ti6A14V合金原料放入熔煉室內的水冷銅坩堝中，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中的空氣排空；爾后通過氣路系統向熔煉室內充入一定量的氬氣，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得到液態置氫Ti6A14V合金；置氫熔煉過程中鈦合金中加入氫的質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，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。兩者對比可以發現，在整個加工過程 中，液態置氫的方法處于的位置在固態置氫之前，氫元素更早地在合金中產生 作用，也就是說，液態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，這一作用是固態置氫難以達到的。而且液態置氫的效 率要高于固態置氫的方法。本發明的方法從根本上解決了固態置氫難于應用在較大鑄錠置氫上的問 題，本發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、連續生產，具有現實意義。
圖1是未加氫Ti6A14V合金的鑄態微觀組織照片。圖2是氫含量為 1.2756xl(T2% (質量)Ti6A14V合金的鑄態微觀組織照片。圖3是氫含量為5.3052xl(T2% (質量)Ti6A14V合金的鑄態微觀組織照片。圖4是氫含量為 1.2445xl(T1。/^ (質量)Ti6A14V合金的鑄態微觀組織照片。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據繪制的曲線，曲線B為氫含量為1.2756xl(T2 % (質量)的Ti6A14V合金進行熱壓縮實驗得到的數據繪制的曲線，曲線C 為氫含量為5.3052xl(T2% (質量)的Ti6A14V合金進行熱壓縮實驗得到的數 據繪制的曲線，曲線D為氫含量為1.2445x10"% (質量)的Ti6A14V合金進 行熱壓縮實驗得到的數據繪制的曲線。
具體實施方式
具體實施方式
一本實施方式液態置氫熔煉Ti6A14V合金的方法是由下 述步驟實現的將Ti6A14V合金或Ti6A14V合金原料放入熔煉室內的水冷銅 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中的空氣排空；爾后通過氣路系統 向熔煉室內充入一定量的氬氣，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得到液態置氫Ti6A14V合金；置氫熔 煉過程中鈦合金中加入氫的質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，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
一不同的是液態置氫前熔煉室內氫氣的含量在0<3%《50%范圍內。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合金質量 (g)氫氣 % (原子)鑄錠中氫含量 % (質量)21.049185.41.2756xl(T222.0721310.65.3052xl(T221.6918145.21.2445x10"結合圖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，液態置氫后合 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%出現了一個最 小值，因此可以得出結論，在氫氣含量為35.0%左右的一個小范圍內，液態置 氫后的合金的屈服強度最小。
權利要求
1、一種液態置氫熔煉Ti6Al4V合金的方法，其特征在于液態置氫熔煉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中的空氣排空；爾后通過氣路系統向熔煉室內充入一定量的氬氣，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得到液態置氫Ti6Al4V合金；置氫熔煉過程中鈦合金中加入氫的質量由下述公式計算得出
2、 根據權利要求l所述的液態置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于在熔煉過程中電流為80~150A。
3、 根據權利要求l所述的液態置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于在熔煉過程中電流為90~120A。
4、 根據權利要求1所述的液態置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于在熔煉過程中電流為100A。
5、 根據權利要求l所述的液態置氫熔煉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、 根據權利要求l所述的液態置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于液態置氫前熔煉室的總氣壓為0.5~l.lxl05 Pa。
7、 根據權利要求l所述的液態置氫熔煉Ti6A14V合金的方法，其特征在 于液態置氫前熔煉室內氫氣百分含量在0<3%《50%范圍內。
全文摘要
液態置氫熔煉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。本發明解決了鈦合金的固態置氫技術只適用于薄壁構件，不能對大體積的鑄錠進行置氫的問題。本發明的方法如下將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中的空氣排空；爾后通過氣路系統向熔煉室內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置氫Ti6Al4V合金。本發明中液態置氫后的Ti6Al4V合金的顯微組織得到細化，熱加工性能得到改善。本發明的方法從根本上解決了固態置氫難于應用在較大鑄錠置氫上的問題，本發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、連續生產，具有現實意義。
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 優先權日2008年1月28日
發明者丁宏升, 傅恒志, 吳士平, 亮 王, 蘇彥慶, 郭景杰 申請人:哈爾濱工業大學