專利名稱：一種鈦合金中氧與鐵共加的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鈦合金制備技術領域，尤其是涉及一種鈦合金中氧與鐵共加的方法。
背景技術：
Ti-6A1_4V鈦合金(或稱TC4鈦合金)是目前用量最大的α + β兩相鈦合金，該合金中除了 A1、V等主元素外,還含有少量或微量的0、Fe、C、N等間隙元素或雜質元素。大量的研究表明，合金中間隙元素及雜質元素的含量對材料的加工性及最終性能有顯著影響。O、C、N等間隙元素含量的提高會增加合金的強度，但會降低合金的塑性及加工性，其中N、C對合金塑性的損傷尤其明顯。合金中間隙元素O在一定含量范圍內(nèi)時，可有效提高合金的強度，且對塑性的降低相對較小。合金中少量Fe元素的加入，有利于提高合金的熱工藝性及強化能力。為了進一步拓展合金的性能并提高合金生產(chǎn)的可控性，主要鈦加工企業(yè)進行Ti-6A1-4V等常規(guī)鈦合金生產(chǎn)時，已普遍將少量的O、Fe作為合金化元素進行控制。目前，
合金中O、Fe的加入主要以TiO2粉末和鐵釘、鐵絲等不同類型的工業(yè)鐵的形式加入。由于TiO2的熔點在1850°C左右，在混料不充分或熔煉過程控制不理想的情況下可能產(chǎn)生微區(qū)不均勻，甚至有不熔TiO2的存在；而鐵的加入量過低，采用塊狀金屬原料加入時容易導致微區(qū)不均勻現(xiàn)象。這些鑄錠冶金質量問題很難在初期階段檢測出來，是裂紋最容易萌生的位置，將會嚴重損傷合金的服役性能。因此，選擇更優(yōu)的0、Fe元素加入方法對于提高Ti-6A1-4V等鈦合金的鑄錠質量具有重要意義。FeTiO3熔點在1500°C左右，大大低于TiO2的熔點，并且同時含有元素O和Fe，因此更適于作為鈦合金中O、Fe加入的首選中間合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其方法步驟簡單、設計合理、投入成本較低且使用操作簡便、使用效果好，能有效避免以工業(yè)鐵與TiO2粉末作為中間合金加入時導致的微區(qū)不均勻及TiO2未熔現(xiàn)象。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于該方法中將需制備鈦合金中所含的氧元素與鐵元素以混合粉末的形式進行配入，所述混合粉末由A組分和B組分均勻混合而成，所述A組分為FeTiO3粉末，且所述B組分為Fe2O3粉末或TiO2粉末。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、原料組分與配比確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，對制備該鈦合金所用原料的組分與各組分的配比進行確定；所述原料包括海綿鈦、用于配入氧元素與鐵元素的混合粉末和用于配入其它合金元素的材料；步驟二、原料稱量步驟一中原料配比確定后，還需按照所確定的所述原料的組分與各組分的配比，對所述原料中的各組分分別進行稱量；
步驟三、電極制作將步驟二中稱量好的原料壓制成電極塊，再將所述電極塊焊接形成自耗電極；對所述電極塊進行壓制時，將步驟二中稱量好的海綿鈦、所述混合粉末和用于配入其它合金元素的材料分別加入電極壓制成型模具內(nèi)；或者，先對步驟二中稱量好的海綿鈦和所述混合粉末進行均勻混合并獲得混合物，之后再將所述混合物與步驟二中稱量好的用于配入其它合金元素的材料分別加入電極壓制成型模具內(nèi)；步驟四、熔煉采用真空自耗電弧爐對所述自耗電極進行二次或三次熔煉后，獲得需制備鈦合金的鑄錠。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征是步驟一中進行原料組分與配比確定時，其確定過程如下步驟101、各組元合金元素確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，計算各組元 合金元素的含量，其中包括氧元素的含量Wra和鐵元素的含量wFel ；步驟102、根據(jù)步驟101中所確定各組元合金元素的含量，確定用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，并相應對所述海綿鈦的用量進行確定；同時，對所述混合粉末中所述B組分的類型進行確定；步驟103、根據(jù)步驟102中所確定的用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，對所有用于配入其它合金元素的材料中，氧元素的總含量和鐵元素的總含量分別進行確定；同時，根據(jù)步驟102中所述海綿鈦的用量，對所選用海綿鈦中氧元素的總含量Wm和鐵元素的總含量WFe4分別進行確定；步驟104、根據(jù)步驟103中所確定的wQ2和wFe2,并結合步驟一中所確定的W01和wM，對所述混合粉末中氧元素的總含量和鐵元素的總含量wFe3分別進行確定，其中
W03=W0I-W02-W04j WFe3=WFel-WFe2-WFe4 ;步驟105、根據(jù)步驟104中所確定的W03和wFe3，并結合所選用B組分的類型，對所述混合粉末中A組分和B組分的配比以及A組分和B組分各自的用量進行確定。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法,其特征是步驟101中所確定的Wra和Wm均為質量百分比含量；步驟103中所確定的為所有用于配入其它合金元素的材料中所含的氧元素占所述原料的質量百分比，wFe2為所有用于配入其它合金元素的材料中所含鐵元素占所述原料的質量百分比為所選用海綿鈦中的氧元素占所述原料的質量百分比，wFe4為所選用海綿鈦中的鐵元素占所述原料的質量百分比；步驟104中所確定的W03為所述混合粉末中所含的氧元素占所述原料的質量百分t匕，wFe3為所述混合粉末中所含鐵元素占所述原料的質量百分比。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征是步驟一中所述用于配入其它合金元素的材料，以純金屬粉末、中間合金顆?；蚝＞d狀金屬顆粒的形式配入。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征是步驟一中所述需制備鈦合金為TC4鈦合金，所述用于配入其它合金元素的材料為鋁豆和Al-V中間合金顆粒。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征是所述混合粉末的粒徑為80目以下。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征是步驟一中所述海綿鈦為O級海綿鈦或I級海綿鈦。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征是步驟一中所述的海綿鈦為細顆粒海綿鈦，且其粒徑為4mm以下。上述一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征是所述中間合金顆粒的粒徑為4mm以下。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點I、方法步驟簡單、投入成本較低且實現(xiàn)方便，只需將含主元素的中間合金、混合粉末和海綿鈦按設計成分混合壓制電極，經(jīng)真空自耗電弧重熔法便可得到合金錠。2、將需制備鈦合金中所含的氧元素與鐵元素以混合粉末的形式進行配入，具體是以含O元素、Fe元素的中間合金混合粉末加入。3、添加方式靈活，可以在電極制備時直接加入或預先與細顆粒海綿鈦混料后加入。 4、所選用混合粉末的組分類型設計合理，由A組分和B組分均勻混合而成，其中A組分為FeTiO3粉末，B組分為Fe2O3粉末或TiO2粉末，實際對各組分進行配比確定時，實現(xiàn)方便。5、方法步驟設計合理，根據(jù)海綿鈦中O元素與Fe元素的含量及合金設計成分，選擇FeTiO3粉與Fe2O3粉或者FeTiO3粉與TiO2粉制成混合粉末，將主元素中間合金、混合粉末與海綿鈦按設計成分混合后壓制電極，混合粉末在電極制備混布料時直接加入或預先與細顆粒海綿鈦混料后加入，用常規(guī)真空自耗電弧爐經(jīng)二次或三次熔煉鑄成合金錠。6、使用效果好且實用價值高，鈦合金中少量氧(一般質量百分比含量在O. 2以下)和鐵(一般質量百分比含量在O. 3以下)的加入以FeTiO3粉與Fe2O3粉或者FeTiO3粉與TiO2粉的混合體作為中間合金，在電極制備的混布料過程中加入，避免了以工業(yè)鐵與TiO2粉末作為中間合金加入時導致的微區(qū)不均勻及TiO2未熔現(xiàn)象，因而能有效提高了鈦合金鑄錠的質量。另外，本發(fā)明能適應不同領域對Ti-6A1-4V等常用鈦合金中元素O與Fe元素的精確控制，且具有更優(yōu)冶金質量鑄錠發(fā)展的需求。與常規(guī)的鈦合金中O與Fe元素的加入方法 相比，本發(fā)明所制備的鑄錠中O與Fe元素的宏觀及微區(qū)成分分布更均勻，且大幅度降低了TiO2未熔的可能性。本發(fā)明所采用的O與Fe元素加入方法簡單，易于生產(chǎn)，合金鑄錠質量更高，滿足了實際應用的需求。綜上所述，本發(fā)明方法步驟簡單、設計合理、投入成本較低且使用操作簡便、使用效果好，能有效避免以工業(yè)鐵與TiO2粉末作為中間合金加入時導致的微區(qū)不均勻及TiO2未熔現(xiàn)象。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖I為本發(fā)明的方法流程框圖。
具體實施例方式如圖I所示的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，該方法中將需制備鈦合金中所含的氧元素與鐵元素以混合粉末的形式進行配入，所述混合粉末由A組分和B組分均勻混合而成，所述A組分為FeTiO3粉末，且所述B組分為Fe2O3粉末或TiO2粉末。實際使用時，該方法包括以下步驟步驟一、原料組分與配比確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，對制備該鈦合金所用原料的組分與各組分的配比進行確定；所述原料包括海綿鈦、用于配入氧元素與鐵元素的混合粉末和用于配入其它合金元素的材料。步驟二、原料稱量步驟一中原料配比確定后，還需按照所確定的所述原料的組分與各組分的配比，對所述原料中的各組分分別進行稱量。步驟三、電極制作將步驟二中稱量好的原料壓制成電極塊，再將所述電極塊焊接形成自耗電極。對所述電極塊進行壓制時，將步驟二中稱量好的海綿鈦、所述混合粉末和用于配 入其它合金元素的材料分別加入電極壓制成型模具內(nèi)；或者，先對步驟二中稱量好的海綿鈦和所述混合粉末進行均勻混合并獲得混合物，之后再將所述混合物與步驟二中稱量好的用于配入其它合金元素的材料分別加入電極壓制成型模具內(nèi)。步驟四、熔煉采用真空自耗電弧爐對所述自耗電極進行二次或三次熔煉后，獲得需制備鈦合金的鑄錠。步驟一中進行原料組分與配比確定時，其確定過程如下步驟101、各組元合金元素確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，計算各組元合金元素的含量，其中包括氧元素的含量Wra和鐵元素的含量wFel ；步驟102、根據(jù)步驟101中所確定各組元合金元素的含量，確定用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，并相應對所述海綿鈦的用量進行確定；同時，對所述混合粉末中所述B組分的類型進行確定；步驟103、根據(jù)步驟102中所確定的用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，對所有用于配入其它合金元素的材料中，氧元素的總含量和鐵元素的總含量分別進行確定；同時，根據(jù)步驟102中所述海綿鈦的用量，對所選用海綿鈦中氧元素的總含量Wm和鐵元素的總含量WFe4分別進行確定；本步驟103中，wQ2和wFe2為所有用于配入其它合金元素的材料中氧元素和鐵元素的實測含量和《W為所選用海綿鈦中氧元素和鐵元素的總含量；步驟104、根據(jù)步驟103中所確定的wQ2和wFe2,并結合步驟一中所確定的W01和wM，對所述混合粉末中氧元素的總含量和鐵元素的總含量wFe3分別進行確定，其中
W03=W0I-W02-W04j WFe3=WFel-WFe2-WFe4 ;步驟105、根據(jù)步驟104中所確定的W03和wFe3，并結合所選用B組分的類型，對所述混合粉末中A組分和B組分的配比以及A組分和B組分各自的用量進行確定。也就是說，對Wm和wFe3進行確定時，按照需制備鈦合金的名義化學成分和所選用原料中的氧元素和鐵元素的實測含量，計算得出通過所述混合粉末添加的氧元素和鐵元素的含量。步驟101中所確定的Wm和wFel均為質量百分比含量；步驟103中所確定的W()2為所有用于配入其它合金元素的材料中所含的氧元素占所述原料的質量百分比，wFe2為所有用于配入其它合金元素的材料中所含鐵元素占所述原料的質量百分比；WM為所選用海綿鈦中的氧元素占所述原料的質量百分比，WFe4為所選用海綿鈦中的鐵元素占所述原料的質量百分比；步驟104中所確定的W03為所述混合粉末中所含的氧元素占所述原料的質量百分t匕，wFe3為所述混合粉末中所含鐵元素占所述原料的質量百分比。實際使用過程中，步驟一中所述用于配入其它合金元素的材料，以純金屬粉末、中間合金顆?；蚝＞d狀金屬顆粒的形式配入，其中以海綿狀金屬顆粒的形式配入的其它合金元素的材料，如海綿鋯等。實際進行添加時，當步驟一中所述需制備鈦合金為TC4鈦合金，所述用于配入其它合金元素的材料為鋁豆和Al-V中間合金顆粒。實際使用過程中，還可以采用如圖I所示的方法對其它種類鈦合金進行制備。實施例I本實施例中，鈦合金中氧與鐵共加的方法，包括以下步驟步驟一、原料組分與配比確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，對制備該鈦合金所用原料的組分與各組分的配比進行確定；所述原料包括海綿鈦、用于配入氧元素與鐵元素的混合粉末和用于配入其它合金元素的材料。步驟一中進行原料組分與配比確定時，其確定過程如下步驟101、各組元合金元素確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，計算各組元合金元素的含量，其中包括氧元素的含量W01和鐵元素的含量wFel,氧元素的含量W01和鐵元素的含量wFel均為質量百分比含量。本實施例中，需制備鈦合金的名義化學成分為Ti-6A1-4V_0. 2Fe_0. 160,即按重量百分比計為Al:6. 0%，V:4. 0%，F(xiàn)e:O. 20%, 0:0. 16%，余量為Ti和不可避免的雜質。步驟102、根據(jù)步驟101中所確定各組元合金元素的含量，確定用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，并相應對所述海綿鈦的用量進行確定；同時，對所述混合粉末中所述B組分的類型進行確定。本實施例中，所選用的海綿鈦為O級海綿鈦，所選用海綿鈦原料中O元素的含量為O. 05%，F(xiàn)e元素的含量為O. 04%。并且所述海綿鈦的粒徑在4mm以下。本實施例中，用于配入其它合金元素的材料包括A1-55V中間合金和鋁豆。其中，A1-55V中間合金為細顆粒，且其粒徑在4mm以下。其中，A1-55V中間合金和鋁豆中的O元素和Fe元素的含量忽略不計。本實施例中，所選用的所述B組分為Fe2O3粉末，即所述混合粉末由FeTiO3粉末和Fe2O3粉末均勻混合而成，且所述混合粉末的粒徑為80目以下。因而，所采用的原料包括A1-55V中間合金、鋁豆、O級海綿鈦以及由FeTiO3粉末和Fe2O3粉末組成的混合粉末。步驟103、根據(jù)步驟102中所確定的用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，對所有用于配入其它合金元素的材料中，氧元素的總含量和鐵元素的總含量分別進行確定；同時，根據(jù)步驟102中所述海綿鈦的用量，對所選用海綿鈦中氧元素的總含量Wm和鐵元素的總含量WFe4分別進行確定。步驟104、根據(jù)步驟103中所確定的wQ2和wFe2,并結合步驟一中所確定的W01和WM，對所述混合粉末中氧元素的總含量和鐵元素的總含量wFe3分別進行確定，其中
W03=W0I-W02-W04j WFe3=WFel-WFe2-WFe4 O步驟105、根據(jù)步驟104中所確定的W03和wFe3，并結合所選用B組分的類型，對所述混合粉末中A組分和B組分的配比以及A組分和B組分各自的用量進行確定。本實施例中，所述A組分為FeTiO3粉末(摩爾質量為152g/mol,其中Fe元素的質量百分比含量為36. 8%, O兀素的質量百分比含量為31. 6%, O兀素的質量百分比含量為36. 6%)，B組分為Fe2O3粉末(摩爾質量為160g/mol，其中Fe元素的質量百分比含量為70%，O兀素的質量百分比含量為30%)。實際對所述混合粉末中A組分和B組分的配比進行推算時，先假定FeTiO3粉末
和Fe2O3粉末的質量比為X y，則可得方程組^0/Μ ;因而。根據(jù)公式
權利要求
1.一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于該方法中將需制備鈦合金中所含的氧元素與鐵元素以混合粉末的形式進行配入，所述混合粉末由A組分和B組分均勻混合而成，所述A組分為FeTiO3粉末,且所述B組分為Fe2O3粉末或TiO2粉末。
2.按照權利要求I所述的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、原料組分與配比確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，對制備該鈦合金所用原料的組分與各組分的配比進行確定；所述原料包括海綿鈦、用于配入氧元素與鐵元素的混合粉末和用于配入其它合金元素的材料；步驟二、原料稱量步驟一中原料配比確定后，還需按照所確定的所述原料的組分與各組分的配比，對所述原料中的各組分分別進行稱量；步驟三、電極制作將步驟二中稱量好的原料壓制成電極塊，再將所述電極塊焊接形成自耗電極；對所述電極塊進行壓制時，將步驟二中稱量好的海綿鈦、所述混合粉末和用于配入其它合金元素的材料分別加入電極壓制成型模具內(nèi)；或者，先對步驟二中稱量好的海綿鈦和所述混合粉末進行均勻混合并獲得混合物，之后再將所述混合物與步驟二中稱量好的用于配入其它合金元素的材料分別加入電極壓制成型模具內(nèi)；步驟四、熔煉采用真空自耗電弧爐對所述自耗電極進行二次或三次熔煉后，獲得需制備鈦合金的鑄錠。
3.按照權利要求2所述的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于步驟一中進行原料組分與配比確定時，其確定過程如下步驟101、各組元合金元素確定按照需制備鈦合金的名義化學成分，計算各組元合金元素的含量，其中包括氧元素的含量Wra和鐵元素的含量wFel ；步驟102、根據(jù)步驟101中所確定各組元合金元素的含量，確定用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，并相應對所述海綿鈦的用量進行確定；同時，對所述混合粉末中所述B組分的類型進行確定；步驟103、根據(jù)步驟102中所確定的用于配入其它合金元素的材料數(shù)量以及各材料的類型和用量，對所有用于配入其它合金元素的材料中，氧元素的總含量和鐵元素的總含量wFe2分別進行確定；同時，根據(jù)步驟102中所述海綿鈦的用量，對所選用海綿鈦中氧元素的總含量和鐵元素的總含量分別進行確定；步驟104、根據(jù)步驟103中所確定的WtJ2和wFe2,并結合步驟一中所確定的wQ1和 wM，對所述混合粉末中氧元素的總含量和鐵元素的總含量wFe3分別進行確定，其中W03=W0I-W02-W04j WFe3=WFel-WFe2-WFe4 ;步驟105、根據(jù)步驟104中所確定的和wFe3，并結合所選用B組分的類型，對所述混合粉末中A組分和B組分的配比以及A組分和B組分各自的用量進行確定。
4.按照權利要求3所述的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于步驟101中所確定的Wra和wFel均為質量百分比含量；步驟103中所確定的為所有用于配入其它合金元素的材料中所含的氧元素占所述原料的質量百分比，wFe2為所有用于配入其它合金元素的材料中所含鐵元素占所述原料的質量百分比；wM為所選用海綿鈦中的氧元素占所述原料的質量百分比，wFe4為所選用海綿鈦中的鐵元素占所述原料的質量百分比；步驟104中所確定的Wtl3為所述混合粉末中所含的氧元素占所述原料的質量百分比， wFe3為所述混合粉末中所含鐵元素占所述原料的質量百分比。
5.按照權利要求2、3或4所述的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于步驟一中所述用于配入其它合金元素的材料，以純金屬粉末、中間合金顆?；蚝＞d狀金屬顆粒的形式配入。
6.按照權利要求5所述的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于步驟一中所述需制備鈦合金為TC4鈦合金，所述用于配入其它合金元素的材料為鋁豆和Al-V中間合金顆粒。
7.按照權利要求I至4中任一項權利要求所述的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于所述混合粉末的粒徑為80目以下。
8.按照權利要求2、3或4所述的一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，其特征在于步驟一中所述海綿鈦為O級海綿鈦或I級海綿鈦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦合金中氧與鐵共加的方法，該方法中將需制備鈦合金中所含的氧元素與鐵元素以混合粉末的形式進行配入，所述混合粉末由A組分和B組分均勻混合而成，所述A組分為FeTiO3粉末，且所述B組分為Fe2O3粉末或TiO2粉末。本發(fā)明方法步驟簡單、設計合理、投入成本較低且使用操作簡便、使用效果好，能有效避免以工業(yè)鐵與TiO2粉末作為中間合金加入時導致的微區(qū)不均勻及TiO2未熔現(xiàn)象。
文檔編號C22C1/02GK102978441SQ20121054564
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權日2012年12月14日
發(fā)明者葛鵬, 盧亞鋒, 李倩, 周偉 申請人:西北有色金屬研究院