СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВОГО СЛИТКА Российский патент 2015 года по МПК B22D7/00 C22B9/22 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к способу получения титанового слитка высокого качества и надежности, который применяется, например, как материал для летательного аппарата.

Уровень техники

[0002] В последние годы титановые сплавы (подразумевается, что этот термин сплав охватывает также чистый титан; в настоящем описании "титановый сплав" означает металл, в том числе как один из его примеров, чистый титан) стали использоваться в области летательных аппаратов и в различных других областях. В такой ситуации производители титановых сплавов стали обращать внимание на методы использования, например, недорогих титановых материалов или титансодержащего лома с большой неоднородностью форм его кусков и неоднородностью его состава для получения недорогих титановых слитков высокого качества и надежности.

[0003] Однако в титановых слитках, полученных плавкой с использованием в качестве титанового сплава недорогого титанового материала или титансодержащего лома, как описано выше, характеризующегося большой неоднородностью формы/состава его кусков, остаточно присутствуют: включения низкой плотности (обозначаемые далее как "LDI"), имеющие удельный вес, эквивалентный или более низкий, чем у титана, более точно, удельный вес 5 г/см³ или менее; и включения высокой плотности (обозначаемые далее как "HDI"), имеющие больший удельный вес, чем у титана (т.е. удельный вес более 5 г/см³). Эти включения оказывают отрицательное влияние на механические свойства сплава. Обычно указывается, что отношение числа LDI как включений, оставшихся в титановом слитке, к числу LDI как включений, остававшихся в титановом сплаве как сырьевом материале, составляет от 5 до 6%. В частности, в случае применения титанового сплава в качестве материала для летательных аппаратов желательно сделать это отношение меньше. В качестве метода решения этой задачи предлагается описываемый ниже способ.

[0004] Например, был описан метод электронно-лучевой плавки, использующий под, в котором электронный луч развертывается в направлении, обратном направлению, вдоль которого расплавленный в поде титановый сплав (называемый далее "расплавленным титаном") течет к кристаллизатору, и, кроме того, среднюю температуру расплавленного титана поблизости от выпуска расплавленного титана в поде устанавливают равной или большей температуры плавления в нем LDI (смотри PTL 1). Применение этого метода позволяет производить титановые слитки, в которых доля LDI снижена с 5% до менее 1% посредством плавки сырья, т.е. титановой губки, содержащей LDI, имеющих диаметр зерен от 0,2 до 1,0 мм, вместе с HDI, отделения HDI осаждением от расплавленного титана и дальнейшего плавления LDI в расплавленном титане.

[0005] Описан также метод вынуждения потока расплавленного титана внутри пода подниматься в вертикальном направлении, а затем опускаться, увеличивая тем самым время пребывания потока, чтобы расплавить в нем LDI и, кроме того, задержать имеющиеся в нем HDI на дне пода (смотри PTL 2). Применение этого способа позволяет получать титановые слитки, в которых доля LDI снижена с 6% до менее 1% путем плавки сырья, т.е. титановой губки, содержащей LDI, имеющие диаметр зерен от 1,0 до 3,0 мм, вместе с HDI, отделения HDI от расплавленного титана осаждением и дальнейшего плавления LDI в расплавленном титане.

Список цитирования

[0006] Патентная литература

PTL 1: JP 2004-232066 A

PTL 2: JP 2009-161855 A

Сущность изобретения

Техническая задача

[0007] Однако методы, описанные в патентных документах 1 и 2, имеют следующие проблемы.

[0008] Когда LDI имеют диаметр зерен примерно от 0,2 до 1,0 мм, описанный в патентном документе 1 метод позволяет в достаточной степени расплавить LDI в расплавленном титане. Однако при увеличении диаметра зерен LDI до примерно 10-15 мм может случиться, что LDI пройдут через низкотемпературные места в расплавленном титане и не смогут расплавиться в достаточной степени. Таким образом, имеется риск, что в кристаллизатор вместе с расплавленным титаном попадут нерасплавленные фракции LDI.

[0009] Когда LDI имеют диаметр зерен примерно 1,0-3,0 мм, описанный в патентном документе 2 метод позволяет наверняка поддерживать время пребывания достаточным для расплавления LDI, даже если поток расплавленного титана движется, поднимаясь в вертикальном направлении, а затем опускаясь. Однако если диаметр зерен LDI повышается примерно до 10-15 мм, описанное выше движение не может наверняка сохранить время пребывания для расплавления LDI. Таким образом, имеется риск, что LDI в расплавленном титане не смогут полностью расплавиться.

[0010] Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ получения титановых слитков, способный удалить HDI из титанового сплава и дополнительно снизить долю LDI с диаметром зерен вплоть до примерно 10-15 мм до примерно 1% или ниже и способный дать титановый слиток высокого качества и надежности при низких расходах.

Решение проблемы

[0011] Чтобы достичь этой цели, изобретение по пункту 1 формулы представляет собой способ получения слитка из титанового сплава (допускается, что титановый сплав может быть просто чистым титаном), включающий этапы:

(a) плавят титановый материал или титансодержащий лом (называемые ниже "титановым материалом") методом индукционной плавки в холодном тигле (сокращенно называемым далее "CCIM" от Cold Crucible Induction Melting) таким образом, чтобы могло удовлетворяться следующее выражение (1):

y ≥ 700×A^-1,2 (1)

в котором A = P/(V/S), причем

y: продолжительность [мин] плавки,

A: параметр теплового баланса,

P: подводимая электрическая мощность [кВт] на этапе CCIM,

V: объем [м³] расплавленного титана и

S: площадь поверхности [м²] расплавленного титана,

(b) подают после этапа (a) полученный титановый материал, который был расплавлен (далее называемый "расплавленным титановым материалом"), в холодный под и отделяют включения, имеющие большой удельный вес, который больше 5 г/см³, осаждением внутри холодного пода при обдувке плазменной струей поверхности расплавленного титанового материала или облучении этой поверхности электронным пучком, получая тем самым титановый сплав, и

(c) подают в кристаллизатор полученный титановый материал, из которого осаждением были отделены включения с большим удельным весом, получая тем самым титановый слиток.

Выгодные эффекты изобретения

[0012] Как описано выше, при получении титановых слитков титановый сплав расплавляют методом CCIM таким образом, чтобы могло удовлетворяться следующее выражение (1), расплавляя тем самым LDI в расплавленном титане; на следующем этапе расплавленный титан, в котором были расплавлены LDI, подают в холодный под и отделяют присутствующие в нем HDI осаждением в холодном поде при обдувке плазменной струей поверхности ванны расплавленного титанового материала или облучении этой поверхности электронным пучком; и далее расплавленный титановый материал, из которого HDI были отделены осаждением, подают в кристаллизатор:

y ≥ 700×A^-1,2 (1)

где A = P/(V/S), причем

y: продолжительность [мин] плавки,

A: параметр теплового баланса,

P: подводимая электрическая мощность [кВт] на этапе CCIM,

V: объем [м³] расплавленного титана и

S: площадь поверхности [м²] расплавленного титана.

[0013] Даже в случае плавления, в частности, титанового сплава, содержащего LDI с диаметром зерен вплоть до примерно 10-15 мм (например, недорогой титановый материал или титансодержащий лом с большой неоднородностью размеров/состава его кусков), этот способ позволяет расплавить LDI в полученном расплавленном титане. Таким образом, можно с малыми затратами производить титановые слитки высокого качества и надежности, в которых HDI были удалены из титанового сплава и доля LDI с диаметром зерен вплоть до примерно 10-15 мм была снижена до примерно 1% или менее.

Краткое описание чертежей

[0014] Фигуры 1 в целях описания схематически показывают во временной последовательности процесс получения титанового слитка согласно одному примеру способа по настоящему изобретению.

Фиг.2 является характеристическим графиком, показывающим соотношение между LDI с различными диаметрами зерен (радиусами LDI) и соответствующими продолжительностями плавки (y) LDI, получаемое, когда в качестве параметра в примере способа получения титанового слитка согласно настоящему изобретению используется подводимая электрическая мощность P на этапе CCIM.

Фиг.3 является схематическим сечением, схематически показывающим соотношение между подводимой к расплавленному титану теплотой на показанном на Фиг.1(a) этапе, на котором применяется CCIM, и теплотой, отводимой от расплавленного титана.

Фиг.4 является характеристическим графиком, показывающим в способе получения титанового слитка согласно настоящему изобретению соотношение между параметром теплового баланса (A) и минимальной продолжительностью плавления (y), необходимой для полного расплавления в нем LDI.

Описание вариантов осуществления

[0015] Ниже настоящее изобретение будет описано подробно на вариантах его осуществления.

[0016] Авторы изобретения провели активные исследования в отношении того, что нужно сделать при плавке титанового сплава, содержащего LDI с диаметром зерен вплоть до примерно 10-15 мм, чтобы удалить HDI из титанового сплава и, кроме того, чтобы снизить долю LDI до примерно 1% или менее.

[0017] Сначала в лабораторном эксперименте по получению титановых слитков провели использующий CCIM этап, как описано выше, причем CCIM проводили при выходной мощности высокочастотного источника питания в 350 кВт (внутренний диаметр используемого водоохлаждаемого медного тигля: 200 мм), при этом обнаружилось, что если плавить титановый сплав более примерно 60 минут, то пять добавленных в расплавленный титан LDI, имеющих диаметр зерен 10 мм, могут полностью расплавиться. Эти обнаруженные данные стали ключевыми для настоящего изобретения (смотри пример 1, который будет описан позднее).

[0018] В другом лабораторном эксперименте по получению титановых слитков был проведен использующий CCIM этап, как описано выше, и в процессе CCIM (где использовался водоохлаждаемый медный тигель, имеющий такие же размеры, как описано выше) выходная мощность высокочастотного источника питания (подводимая мощность P на этапе CCIM, далее называемая "подводимой мощностью P") использовалась как параметр для нахождения наименьшей продолжительности плавки (y), необходимой для полного расплавления в расплавленном титане каждого из различных видов LDI, имеющих разные диаметры зерен вплоть до примерно 10-15 мм (смотри пример 2, который будет описан ниже, и Фиг.2).

[0019] Учитывая вышеупомянутые результаты, на использующем CCIM этапе, показанном на Фиг.1(a), подробное описание которого будет сделано позднее, титановые сплавы, содержащие LDI 7 с диаметром зерен вплоть до примерно 10-15 мм, загружали в различные водоохлаждаемые медные тигли 5, имеющие разные объемы (от объема, соответствующего внутреннему диаметру примерно 150 мм для лабораторных экспериментов, до объема, соответствующего внутреннему диаметру 1000 мм для оборудования для массового производства). Чтобы проверить, в каком из этих случаев соотношение между подводимой к расплавленному титану 6 теплотой (подводимой мощностью P) и теплотой, отводимой от расплавленного титана 6 (объем V и площадь поверхности S расплавленного титана) (смотри Фиг.3), снова был введен параметр теплового баланса (A), как описано ниже. Введя этот параметр теплового баланса (A), авторы изобретения методом проб и ошибок вывели приведенное ниже приблизительное выражение (1), которое показывает проиллюстрированное на Фиг.4 соотношение между параметром теплового баланса (A) и наименьшей продолжительностью плавки (y), необходимой для полного расплавления LDI 7 в расплавленном титане 6, которое не могли предположить даже специалисты в данной области. Это открытие является центральной точкой настоящего изобретения. В частности, это выражение показывает, что на использующем CCIM этапе желательно плавить титановый сплав при соблюдении следующей продолжительности для каждого значения параметра теплового баланса (A): продолжительность плавки больше или равна продолжительности плавки (y) в соответствии с приблизительным выражением (1), показанным на Фиг.4.

y ≥ 700×A^-1,2 (1)

где A = P/(V/S), причем

y: продолжительность [мин] плавки,

A: параметр теплового баланса,

P: подводимая электрическая мощность [кВт] на этапе CCIM,

V: объем [м³] расплавленного титана 6 и

S: площадь поверхности [м²] расплавленного титана 6.

[0020] Кроме того, на этапе подачи расплавленного титана 6, в котором были расплавлены LDI 7, в холодный под 10 и отделения HDI 8 осаждением внутри холодного пода 10 при обдувке плазменной струей поверхности ванны расплавленного титана 6 или облучении этой поверхности электронным пучком (этот этап показан на Фиг.1(b), его подробное описание будет сделано позднее), предполагается, что конечная скорость осаждения u_t HDI 8 в расплавленном титане 6 (смотри выражение (2) ниже) составляет примерно 0,8 м/с. Поэтому рекомендуется направлять плазменную струю на поверхность ванны расплавленного титана 6 или облучать эту поверхность электронным пучком таким образом, чтобы можно было, например, удовлетворить приводимому ниже выражению (3). Обычно, когда для удаления HDI из расплавленного титана используется холодный под, то используя плазменную струю или пучок электронов, отделение проводят таким образом, чтобы могло удовлетворяться описанное ниже выражение (3).

[0021] Математическое выражение 2:

$$u_t={\left(\frac{3d\Delta \rho g}{\rho }\right)}^{1/2}$$ (2)

где

u_t: конечная скорость осаждения (м/с),

d: диаметр (мм) HDI 8,

Δρ: разность плотностей (г/см³) между HDI 8 и расплавленным титаном 6,

g: ускорение свободного падения (м/с²) и

ρ: плотность (г/см³) расплавленного титана 6.

$$H/u_t<V/v$$ (3)

где H/u_t = период времени (с) до момента, когда HDI 8 достигнут застывших наплывов на дне холодного пода 10, и

V/v - время пребывания (с) внутри холодного пода 10,

причем

H: высота (м) холодного пода 10,

u_t: конечная скорость осаждения (м/с),

V: объем (м³) холодного пода 10 и

v: скорость разливки (м³/с).

[0022] Как описано выше, в способе получения титанового слитка согласно настоящему изобретению титановый сплав расплавляют методом CCIM таким образом, чтобы удовлетворялось выражение (1), расплавляя тем самым LDI в расплавленном титане; на следующем этапе расплавленный титан, в котором были расплавлены LDI, подают в холодный под и отделяют содержащиеся в нем HDI осаждением внутри холодного пода при обдувке плазменной струей поверхности ванны расплавленного титана или облучении этой поверхности электронным пучком. Таким способом можно удалить HDI из титанового сплава и, кроме того, можно также снизить долю LDI диаметром зерен вплоть до примерно 10-15 мм, среди всех LDI, до примерно 1% или менее.

[0023] Более предпочтительно установить продолжительность плавки (y) так, чтобы удовлетворялось следующее выражение (4):

y ≥ 900×A^-1,2 (4)

В этом случае плавление LDI продвигается еще больше.

ПРИМЕРЫ

[0024] Ниже с обращением к некоторым чертежам приводится описание одного примера предлагаемого изобретением способа получения титанового слитка.

[0025] Фиг.1 являются схемами, описывающими во временной последовательности процесс получения титанового слитка в примере способа по настоящему изобретению. Фиг.1(a) является видом, иллюстрирующим этап плавки методом CCIM титансодержащего лома в качестве материала титанового сплава, подаваемого в водоохлаждаемый тигель 5, и затем полного расплавления LDI 7 в этом расплавленном титановом сплаве (расплавленном титане 6); Фиг.1(b) является видом, иллюстрирующим этап подачи в холодный под 10 расплавленного титана 6, в котором были полностью расплавлены LDI 7, и затем отделения HDI 8 осаждением внутри холодного пода 10 при обдувке плазменной струей поверхности ванны расплавленного титана 6; а Фиг.1(c) является видом, иллюстрирующим этап подачи расплавленного титана 6, из которого на показанном на Фиг.1(b) этапе осаждением были отделены HDI 8, в кристаллизатор 20 для получения титанового слитка 30.

[0026] В процессе CCIM, показанном на Фиг.1(a), водоохлаждаемый тигель 5 (внутренний диаметр 200 мм), который подразделен щелями 4, установлен внутри высокочастотной катушки 3, соединенной с высокочастотным источником 1 питания, и кроме того, охлаждается охлаждающей водой 2. Высокочастотное магнитное поле, создаваемое высокочастотной катушкой 3, проходит через щели 4, расплавляя титансодержащий лом в качестве материала титанового сплава, который содержит LDI 7 и HDI 8. В результате получают расплавленный титан 6. В процессе CCIM для плавки титансодержащего лома в условиях, удовлетворяющих выражению (1), расплавленный титан 6 интенсивно перемешивают с тем, чтобы температура расплава поддерживалась равномерно высокой. Поэтому по меньшей мере LDI 7 в расплавленном титане 6 полностью расплавляются, и кроме того, HDI 8 также плавятся в расплавленном титане 6 (однако из-за диаметра зерен HDI 8 некоторые из HDI 8 захватываются на застывших наплывах 9, имеющихся на дне водоохлаждаемого тигля 5).

[0027] На Фиг.1(b) расплавленный титан 6, в котором LDI 7 были полностью расплавлены на показанном на Фиг.1(a) этапе, подают в холодный под 10. Пока плазменной струей из плазменной горелки 11 обдувают поверхность ванны расплавленного титана 6, фракции HDI 8, частично оставшиеся в расплавленном титане 6, также отделяются, выпадая в осадок на дно холодного пода 10. Благодаря этому этапу HDI 8 можно удалить из расплавленного титана 6 и, кроме того, можно также снизить долю LDI 7 с диаметром вплоть до примерно 10-15 мм среди всех LDI до 1% или менее, в частности, даже если расплавленный титан 6 выводится из водоохлаждаемого тигля 5 на выгрузку.

[0028] На Фиг.1(c) расплавленный титан 6, из которого HDI 8 были отделены осаждением на показанном на Фиг.1(b) этапе, подают в кристаллизатор 20. Пока плазменной струей из плазменной горелки 11 обдувают поверхность ванны расплавленного титана 6, расплавленный титан отводят вниз, получая титановый слиток 30. Этот процесс позволяет получать титановый слиток высокого качества и надежности при низких расходах, причем HDI 8 удаляются из титансодержащего лома как исходного материала (титанового сплава) и, кроме того, доля LDI 7 с диаметром вплоть до примерно 10-15 мм также снижается до 1% или менее. Кроме того, титановый слиток, получаемый на показанном на Фиг.1(c) этапе, используется в качестве электрода, подвергаемого вакуумно-дуговому переплаву (ВДП). После ВДП получают титановый слиток как конечный продукт (не показан).

Пример 1

[0029] В вышеупомянутый водоохлаждаемый тигель 5, внутренний диаметр которого был равен 200 мм, загружали 20 кг сплава Ti-6Al-4V и пять зерен TiN с диаметром зерна 10 мм, которые рассматривались как LDI 7. Затем проводили экспериментальную плавку согласно методу CCIM.

Условия плавки

Выходная мощность высокочастотного источника 1 питания (подводимая мощность P): 350 кВт

Температура расплавленного титана 6: 1700°C

Поверхностная скорость расплавленного титана 6: 0,3 м/с

Продолжительность плавки (y): 65 мин

[0030] По окончании вышеупомянутой экспериментальной плавки проводили обследование слитка. В результате LDI 7 в слитке не были обнаружены. Это продемонстрировало, что внедрение такого метода CCIM позволяет полностью расплавить LDI 7 с большим диаметром зерен, например, с диаметром зерен 10 мм.

Пример 2

[0031] Таким же образом, как и в примере 1, в водоохлаждаемый тигель 5, внутренний диаметр которого составлял 200 мм, надлежащим образом загружали 20 кг сплава Ti-6Al-4V и каждый из разных видов зерен TiN, имевших разные диаметры зерна вплоть до 15 мм, причем каждый из видов рассматривался как LDI 7. Затем проводили экспериментальную плавку по методу CCIM. В качестве параметра использовали подводимую электрическую мощность P. В случае использования этого параметра для каждого диаметра зерен LDI 7 исследовали продолжительность плавки (y), при которой можно было бы полностью расплавить LDI 7.

[0032] Как показано на Фиг.2, из результатов этой экспериментальной плавки стало ясно, что при подводе электрической мощности P трех уровней, например, 250 кВт, 300 кВт и 350 кВт соответственно, полностью расплавить LDI 7 диаметром 10 мм (радиус LDI: 5 мм) можно было при продолжительности плавки (y) 108 мин, 81 мин и 62 мин соответственно. Выявилось также, что при подводе электрической мощности P трех уровней, например, 250 кВт, 300 кВт и 350 кВт соответственно, полностью расплавить LDI 7 диаметром 15 мм (радиус LDI: 7,5 см) можно было при продолжительности плавки (y) 161 мин, 121 мин и 92 мин соответственно. Другими словами, это предполагает, что в случае титановых сплавов заданного веса и содержащих, соответственно, LDI 7 с разными диаметрами зерен вплоть до примерно 10-15 мм, LDI 7 можно полностью расплавить, затрачивая подходящий период времени (y) на плавку каждого титанового сплава в соответствии с подводимой к нему электрической мощностью P.

[0033] Настоящее изобретение было подробно описано или пояснено со ссылкой на частные варианты осуществления. Однако специалистам в данной области ясно, что в них могут быть внесены различные изменения или модификации, если только измененные или модифицированные варианты осуществления не выходят за сущность и объем изобретения.

Настоящая заявка основана на японской патентной заявке № 2011-180615, поданной 22 августа 2011 г. Ее содержание включено сюда по ссылке.

Промышленная применимость

[0034] Настоящее изобретение применимо для получения титановых слитков, использующихся в качестве материала летательных аппаратов или прочего.

[0035] Список ссылочных позиций

1: высокочастотный источник питания

2: охлаждающая вода

3: высокочастотная катушка

4: щели

5: водоохлаждаемый медный тигель

6: расплавленный титан

7: LDI

8: HDI

9: застывшие наплывы

10: холодный под

11: плазменная горелка или электронно-лучевая излучательная горелка

20: кристаллизатор

30: титановый слиток

Изобретение относится к металлургии. Титановый сплав плавят в течение заданного времени методом индукционной плавки в холодном тигле 5 и подают расплав в холодный под 10. Отделяют высокоплотные включения (8) осаждением в холодном поде (10) посредством обдувки поверхности ванны расплавленного титана (6) плазменной струей 11 или облучения поверхности ванны электронным пучком. Расплавленный титановый сплав подают в кристаллизатор (20) для получения титанового слитка 30. Обеспечивается повышение качества титанового слитка и надежность его использования в технике. 4 ил., 2 пр.

Способ получения титанового слитка из его сплава или чистого титана, включающий этапы:
(a) плавление титанового материала или титансодержащего лома в качестве титанового материала методом индукционной плавки в холодном тигле (CCIM) таким образом, чтобы могло удовлетворяться следующее условие:
y ≥ 700×A^-1,2 (1),
где A = P/ (V/S) - параметр теплового баланса;
y - продолжительность плавки, мин;
P - подводимая электрическая мощность на этапе CCIM, кВт;
V - объем расплавленного титана, м³;
S - площадь поверхности расплавленного титана, м²;
(b) подача после этапа (a) полученного расплавленного титанового материала в холодный под, и отделение включений, имеющих удельный вес, который больше 5 г/см³, осаждением внутри холодного пода при обдувке плазменной струей поверхности ванны расплавленного титанового материала или облучении этой поверхности электронным пучком, и получение титанового сплава, и
(c) подача в кристаллизатор полученного титанового сплава, из которого осаждением были отделены включения с большим удельным весом, с получением упомянутого титанового слитка.