СПОСОБ РАСКИСЛЕНИЯ СПЛАВА Ti-Al Российский патент 2018 года по МПК C22C1/02 C22B9/20 C22C14/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к способу раскисления сплава Ti-Al для удаления кислорода из сплава Ti-Al, произведенного с использованием материала сплава, который состоит из титанового материала и алюминиевого материала и содержит кислород в суммарном количестве 0,1 мас.% или больше.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В последние годы постоянно растет потребность в сплаве Ti-Al в качестве металлического материала для самолетов или автомобилей. При производстве титанового сплава, такого как сплав Ti-Al с главным компонентом - титаном, который является активным металлом, необходимо предотвращать загрязнение кислородом во время плавки, и для этого традиционно использовался такой способ плавки, как способ вакуумно-дугового переплава (ВДП), способ электронно-лучевой плавки (ЭЛП), способ плазменно-дуговой плавки (ПДП), способ вакуумно-индукционной плавки (ВИП) и способ индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ).

[0003] Среди этих способов плавки способы ВДП, ЭЛП и ВИП представляют собой способ плавки сплава в вакуумной среде, и когда такой способ плавки используется для плавки сплава Ti-Al, не только Al в качестве элемента сплава, но и Ti испаряются во время плавки, вызывая потерю элемента. Более конкретно, в настоящее время доведение сплава Ti-Al до целевого состава в промышленном процессе является очень трудным, что приводит к увеличению производственных затрат.

[0004] Для выплавки сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода эффективно производить сплав Ti-Al с использованием высококачественного титанового материала с низким содержанием кислорода, но поскольку высококачественный титановый материал является дорогим и его цена имеет тенденцию к росту, особенно в последние годы, потребность в производстве сплава Ti-Al путем использования относительно низкосортного титанового материала, имеющего более высокое содержание кислорода, чем высококачественный титановый материал, но являющегося недорогим, такого как губчатый титан, металлолом и рутиловая руда (TiO₂), увеличивается день за днем.

[0005] Ti представляет собой активный металл и имеет очень высокую силу связи с примесями, помимо прочих особенно с кислородом, присутствующим в плавильной атмосфере, и меры по уменьшению количества попадающего снаружи во время плавки кислорода и предотвращению загрязнения предпринимались и ранее. Однако очень трудно удалить кислород после того, как он растворился в твердом растворе в Ti, и хотя мало что известно в настоящее время об усилиях, предпринимавшихся непосредственно для этого, предшествующий уровень техники включает в себя следующие предложения.

[0006] Патентный документ 1 раскрывает изобретение, относящееся к способу производства сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода и к самому сплаву Ti-Al с низким содержанием кислорода, и в его абзаце [0013] раскрывается, что, «когда Al принудительно удаляется в вакуумной среде с давлением выше чем 1×10^-2 мм рт. ст., количество кислорода в расплавленном сплаве соответственно уменьшается, и путем принудительного удаления Al из расплавленного сплава, имеющего состав, содержащий большее количество Al, чем содержание Al в конечном целевом составе, становится возможно получить сплав Ti-Al с конечным целевым составом и уменьшить количество кислорода до 200 млн^-1 или меньше».

[0007] Более конкретно, способ производства сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода, описанный в патентном документе 1, представляет собой способ производства сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода в атмосфере высокого вакуума при давлении ниже чем 1,33 Па (1×10^-2 мм рт. ст.), но такая плавка в атмосфере высокого вакуума вызывает потери за счет испарения не только Al как элемента сплава, но и Ti, и хотя этот способ может быть эффективным в качестве способа производства сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода, существует беспокойство по поводу увеличения производственных затрат, поскольку нужно добавлять избыточные количества Ti и Al.

[0008] Патентный документ 2 раскрывает изобретение, относящееся к сплаву Ti-Al с низким содержанием кислорода и к способу его производства, и в его абзаце [0010] раскрывается, что «настоящее изобретение было создано для того, чтобы решить вышеописанные проблемы, и задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить сплав Ti-Al высокой чистоты с низким содержанием кислорода за счет использования при выплавке сплава, содержащего Ti-Al в качестве главного компонента, раскисления сплава с помощью Ca, испарения/удаления избытка Ca и выполнения однородного плавления без загрязнений, а также способ его производства».

[0009] Этот способ может быть эффективным способом производства сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода, но этот способ включает в себя множество стадий добавления и плавления металлического Ca, удаления металлического Ca и плавления для гомогенизации, представляет собой способ, в котором, поскольку металлический Ca растворяется в твердом растворе в титане, полное удаление остающегося Ca затруднительно, и представляет собой способ, страдающий увеличением производственных затрат и времени производства, загрязнением сплава Ti-Al остающимся Ca, который не может быть удален, а также изменением различных свойств.

[0010] Патентный документ 3 раскрывает изобретение, относящееся к способу производства слитка из сплава на основе TiAl, и в его абзаце [0017] раскрывается, что содержание кислорода может быть уменьшено во всех областях слитка. В дополнение к этому, пункт 1 формулы изобретения заявляет «способ производства слитка из сплава на основе TiAl, в котором содержание кислорода в Ti сырье составляет 800 млн^-1 или меньше; содержание кислорода в Al сырье составляет 100 млн^-1 или меньше; в том случае, когда другим компонентом сплава является Cr, V или Nb, содержание в нем кислорода составляет 2000 млн^-1 или меньше; и в том случае, когда другим компонентом сплава является Mn, содержание в нем кислорода составляет 3000 млн^-1 или меньше».

[0011] Способ производства слитка из сплава на основе TiAl, описанный в патентном документе 3, является эффективным способом, способным уменьшить содержание кислорода в слитке, но он является способом получения сплава на основе TiAl с низким содержанием кислорода путем использования высококачественного материала с низким содержанием кислорода, а не способом, использующим низкосортный Ti материал с относительно высоким содержанием кислорода. В дополнение к этому, в примерах описан только сплав TiAl с низким содержанием Al в 30 мас.%.

[0012] Патентный документ 4 раскрывает изобретение, относящееся к способу литья сплава титана-алюминия и описывает приготовление сплава титана-алюминия, содержащего заданные количества титана и алюминия, путем плавления губчатого титана в качестве сырья и добавления к расплавленному титану алюминия в качестве сырья, а также в пункте 2 формулы изобретения и в абзаце [0020] раскрывается, что содержание кислорода в губчатом титане составляет 350 млн^-1 или меньше, и кроме того, в примерах указывается, что содержание кислорода в губчатом титане составляет 0,03 мас.%.

[0013] В описанном в патентном документе 4 способе литья сплава титана-алюминия в качестве сырья используется высококачественный губчатый титан с содержанием кислорода 350 млн^-1 или меньше (что соответствует 0,035 мас.% или меньше), и он является способом получения отливки из сплава титана-алюминия с низким содержанием кислорода, а не способом, использующим низкосортный титановый материал с относительно высоким содержанием кислорода. В дополнение к этому, в примерах описано только литье из сплава титана-алюминия с низким содержанием Al в 34 мас.%.

ЛИТЕРАТУРА УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0014] ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

Патентный документ 1: JP-A-H05-59466

Патентный документ 2: JP-A-H05-140669

Патентный документ 3: JP-A-2009-113060

Патентный документ 4: JP-A-H05-154642

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0015] Настоящее изобретение было создано для того, чтобы решить вышеописанные типичные проблемы, и задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ раскисления сплава Ti-Al, в котором сплав Ti-Al, имеющий целевой состав и низкое содержание кислорода, может быть легко получен при использовании низкосортного титанового материала с высоким содержанием кислорода даже в том случае, когда не создается высокий вакуум.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

[0016] Способ раскисления сплава Ti-Al включает в себя плавление и выдержку сплава Ti-Al, содержащего 40 мас.% или больше Al, способом плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда в атмосфере с давлением 1,33 Па или больше, уменьшая тем самым содержание кислорода в сплаве Ti-Al, производимом с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, причем этот материал сплава содержит кислород в суммарном количестве 0,1 мас.% или больше.

[0017] Предпочтительно, чтобы до или во время плавки сплава Ti-Al добавлялся флюс CaO-CaF₂, приготовленный смешиванием от 35 до 95 мас.% фторида кальция с оксидом кальция.

[0018] Предпочтительно, чтобы способ плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда являлся любым из способа дуговой плавки, способа плазменно-дуговой плавки и способа индукционной плавки.

ПРЕИМУЩЕСТВА НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0019] В соответствии со способом раскисления сплава Ti-Al по настоящему изобретению сплав Ti-Al, имеющий целевой состав и низкое содержание кислорода, может быть легко получен с небольшими потерями Al и Ti на испарение (по существу без уменьшения их содержания) при использовании низкосортного недорогого титанового материала, имеющего высокое содержание кислорода 0,1 мас.% или больше даже в том случае, когда не создается высокий вакуум.

[0020] При этом, когда сплав Ti-Al, имеющий содержание Al 40 мас.% или больше и низкое содержание кислорода, полученный способом раскисления сплава Ti-Al по настоящему изобретению, разбавляется титаном с низким содержанием кислорода, сплав Ti-Al, имеющий содержание Al менее 40 мас.% и низкое содержание кислорода, может быть относительно легко произведен с низкими затратами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0021] [Фиг. 1] Фиг. 1 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между содержанием Al и содержанием кислорода в сплаве Ti-Al после плавки.

[Фиг. 2] Фиг. 2 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между смешиваемым количеством фторида кальция во флюсе CaO-CaF₂ и содержанием кислорода в сплаве Ti-Al после плавки.

[Фиг. 3] Фиг. 3 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между временем плавки образца сплава Ti-Al и коэффициентом изменения массы в результате плавки.

[Фиг. 4] Фиг. 4 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между содержанием алюминия в образце сплава Ti-Al и коэффициентом изменения массы в результате плавки.

[Фиг. 5] Фиг. 5 представляет собой график, иллюстрирующий максимальное количество кислорода, растворенного в твердом растворе в сплаве Ti-Al.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Авторы настоящего изобретения провели интенсивные исследования по поиску способа, позволяющего легко производить сплав Ti-Al, имеющий целевой состав и низкое содержание кислорода, с небольшими потерями Al и Ti на испарение (по существу без уменьшения их содержания) при использовании низкосортного титанового материала, содержащего большое количество кислорода, такого как низкосортный губчатый титан, металлолом и рутиловая руда (TiO₂), даже в том случае, когда высокий вакуум не создается.

[0023] В соответствии с тройной фазовой диаграммой Ti-Al-O, проиллюстрированной в публикации X. L. Li, R. Hillel, F. Teyssandier, S. K. Choi, and F. J. J. Van. Loo, Acta Metall. Mater., 40 {11} 3147-3157 (1992), максимальное количество кислорода, растворенного в твердом растворе в сплаве Ti-Al, предполагается соответствующим соотношению, обозначенному пунктирной линией на Фиг. 5. Основываясь на этом факте, авторы настоящего изобретения сосредоточили свое внимание на том явлении, что сплав Ti-Al, содержащий высокую концентрацию Al, показывает уменьшение концентрации растворенного кислорода. В результате было найдено, что несмотря на то, что сплав Ti-Al производится с использованием низкосортного титанового материала, при условии, что он представляет собой сплав Ti-Al, содержащий 40 мас.% или больше Al, реакция раскисления продолжается во время плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда даже без высокого вакуума, и в дополнение к этому, сплав Ti-Al с низким содержанием кислорода, имеющий целевой состав, может быть легко получен с небольшими потерями Al и Ti на испарение (по существу без уменьшения их содержания). Настоящее изобретение было выполнено на основе этого открытия.

[0024] В результате далее продолженных исследований также было найдено, что когда в качестве ускорителя реакции раскисления до или во время плавки сплава Ti-Al добавляется флюс CaO-CaF₂, не растворяющийся в твердом растворе в титане и имеющий конкретный компонентный состав, реакция раскисления протекает более надежно. Здесь реакция раскисления за счет добавления к сплаву Ti-Al флюса CaO-CaF₂ представляет собой явление, происходящее, когда Al₂O₃ в качестве продукта раскисления сплава Ti-Al растворяется в твердом растворе в добавленном флюсе CaO-CaF₂, и точка плавления флюса CaO-CaF₂ должна быть не выше чем почти 1800 К, то есть не выше оценочной температуры плавления сплава Ti-Al.

[0025] Далее настоящее изобретение описывается более подробно на основе вариантов осуществления.

[0026] Способ раскисления сплава Ti-Al по настоящему изобретению представляет собой способ, в котором сплав Ti-Al, содержащий 40 мас.% или больше Al, произведенный с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала и содержащего кислород в общем количестве 0,1 мас.% или больше, плавят и выдерживают способом плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда, таким как способ дуговой плавки, способ плазменно-дуговой плавки и способ индукционной плавки, в атмосфере с давлением 1,33 Па или больше, уменьшая тем самым содержание кислорода в сплаве Ti-Al. В качестве титанового сплава используются низкосортный губчатый титан, металлолом, рутиловая руда (TiO₂) и т.д.

[0027] Причина, по которой титановый материал с высоким содержанием кислорода, такой как низкосортный губчатый титан, металлолом и рутиловая руда (TiO₂), используется для производства сплава Ti-Al, заключается в том, что эти титановые материалы являются недорогими и простыми в получении. Причина, по которой общее содержание кислорода в материале сплава, состоящем из этого титанового материала и алюминиевого материала, устанавливается равным 0,1 мас.% или больше, заключается в том, что если общее содержание кислорода в материале сплава составляет менее 0,1 мас.%, содержание кислорода невысоко, и само раскисление не является необходимым. В настоящем изобретении верхний предел содержания кислорода не задан, но верхний предел общего содержания кислорода, фактически содержащегося в вышеописанном материале сплава, предположительно составляет примерно 25,0 мас.%.

[0028] Причина, по которой содержание Al в сплаве Ti-Al, производимом с использованием материал сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, устанавливается равным 40 мас.% или больше, заключается в том, что когда содержание Al в сплаве Ti-Al составляет 40 мас.% или больше, реакция раскисления сплава Ti-Al протекает при способе плавки, использующем охлаждаемый водой медный сосуд, таком как способ дуговой плавки, способ плазменно-дуговой плавки и способ индукционной плавки, даже в атмосфере с давлением 1,33 Па или больше, а не в атмосфере высокого вакуума. Реакция раскисления представляет собой явление, происходящее, когда концентрация растворенного кислорода в сплаве Ti-Al, имеющем высокое содержание Al, уменьшается, и избыточный кислород объединяется с Al с образованием Al₂O₃. Таким образом, кислород удаляется из сплава Ti-Al в виде Al₂O₃. Когда содержание Al в сплаве Ti-Al составляет 40 мас.% или больше, реакция раскисления протекает при температуре не менее чем примерно 1800 К, при которой плавится сплав Ti-Al.

[0029] В настоящем изобретении верхний предел содержания Al в сплаве Ti-Al, производимом с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, конкретно не задан, но этот верхний предел предпочтительно составляет 70 мас.%, более предпочтительно 60 мас.%, а еще более предпочтительно 50 мас.%. Поскольку сплав Ti-Al содержит отличающийся от Al элемент сплава или примесь, такую как кислород, если содержание Al в качестве элемента сплава является слишком большим, доля Ti уменьшается, и сплав не может быть сплавом Ti-Al. Давление атмосферы устанавливается равным 1,33 Па или больше, и его верхний предел не задан, но фактический верхний предел оценочно может составлять примерно 5,33×10⁵ Па. Нижний предел давления атмосферы предпочтительно составляет 10 Па, более предпочтительно 1,0×10² Па, и, принимая во внимание, например, легкость управления атмосферой, это давление еще более предпочтительно составляет 1,0×10⁴ Па или больше.

[0030] Когда сплав Ti-Al раскисляется, добавляют флюс в качестве ускорителя реакции раскисления до или во время плавки сплава Ti-Al, посредством чего реакция раскисления может протекать более надежно. Флюс, добавляемый в качестве ускорителя реакции раскисления к сплаву Ti-Al, должен быть легкоплавким флюсом, имеющим более низкую температуру плавления, чем температура плавления сплава Ti-Al, и в настоящем изобретении из легкоплавких флюсов используется флюс CaO-CaF₂, который был сочтен самым предпочтительным с учетом его характеристик, качества и стоимости.

[0031] В случае производства сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода реакция раскисления больше ускоряется за счет добавления флюса CaO-CaF₂ к сплаву Ti-Al, но, как было описано выше, реакция раскисления ускоряется, если температура плавления флюса CaO-CaF₂ не превышает примерно 1800 К, что является температурой плавления сплава Ti-Al. Причина, по которой реакция раскисления ускоряется при добавлении флюса, заключается в том, что поскольку Al₂O₃, образующийся при реакции раскисления, абсорбируется флюсом, активность Al₂O₃ уменьшается, и вместе с ней уменьшается концентрация кислорода.

[0032] Реакция раскисления Al может быть представлена следующей формулой (1), а константа этой реакции может быть представлена формулой (2). В равновесном состоянии Al/Al₂O₃, создаваемом при реакции раскисления, значение K в соответствии с формулой (2) становится постоянным, но поскольку изменение aAl из-за реакции раскисления практически не происходит, когда aAl₂O₃ в следующей формуле (2) уменьшается (близко к нулю при абсорбции флюсом), PO₂ (концентрация содержащегося кислорода) в формуле (2) соответственно уменьшается.

2Al(в Al)+3/2O₂(в сплаве Ti-Al) = Al₂O₃... формула (1)

K = aAl₂O₃/(aAl²⋅PO₂^3/2)... формула (2)

[0033] Если смешиваемое количество фторида кальция во флюсе CaO-CaF₂ составляет меньше 35 мас.%, температура плавления флюса CaO-CaF₂ превышает 1800 К, и активность по ускорению реакции раскисления за счет добавления флюса CaO-CaF₂ не может быть получена. С другой стороны, если смешиваемое количество фторида кальция превышает 95 мас.%, образуется загрязнение фтором. Соответственно, в настоящем изобретении добавляется флюс CaO-CaF₂, приготавливаемый смешиванием от 35 до 95 мас.% фторида кальция с оксидом кальция. Смешиваемое количество фторида кальция во флюсе CaO-CaF₂ более предпочтительно составляет от 60 до 90 мас.%. Добавляемое количество флюса CaO-CaF₂ предпочтительно составляет от 5 до 20 мас.% от массы сплава Ti-Al.

[0034] Способ раскисления сплава Ti-Al по настоящему изобретению был объяснен как способ уменьшения содержания кислорода в сплаве Ti-Al с небольшими потерями Al и Ti на испарение (по существу без уменьшения их содержания), и по существу допустимый коэффициент уменьшения содержания Al или Ti составляет 5,0% или меньше. Таким образом, «по существу» означает 5,0% или меньше.

ПРИМЕРЫ

[0035] Настоящее изобретение более подробно описывается ниже с использованием Примеров, но настоящее изобретение не ограничивается этими Примерами и может быть осуществлено при подходящем внесении изменений, при условии, что эти изменения соответствуют сути настоящего изобретения, и все такие изменения входят в техническую объем настоящего изобретения.

Соотношение между содержанием Al в сплаве Ti-Al и содержанием кислорода после плавки

● Способ плазменно-дуговой плавки, без добавления флюса

[0036] Раскисление сплава Ti-Al с содержанием кислорода 0,8 мас.%, произведенного с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, проводили путем плавления, а затем выдержки сплава в плазменно-дуговой печи мощностью 100 кВт с использованием охлаждаемого водой медного сосуда. Для изучения влияния содержания Al в сплаве Ti-Al на вызываемую плавкой реакцию раскисления подготовили образцы, произведенные с использованием сплавов Ti-Al, имеющих содержание Al в 10 мас.%, 20 мас.%, 30 мас.%, 40 мас.%, 50 мас.% и 60 мас.% соответственно. При этом масса каждого образца составляла 100 г, в качестве плазмообразующего газа использовался только аргон (Ar), а давление во время плавки составляло 1,20×10⁵ Па. Фиг. 1 иллюстрирует соотношение между концентрацией Al (содержанием Al) в сплаве Ti-Al после плавления и выдержки, осуществленных в плазменно-дуговой печи мощностью 100 кВт, и концентрацией кислорода (содержанием кислорода) после плавки.

[0037] Как видно из Фиг. 1, содержание кислорода после плавки сплава Ti-Al составило около 0,8 мас.% и не менялось, когда содержание Al составляло от 10 до 30 мас.%, но в сплавах Ti-Al с содержанием Al 40 мас.% или больше содержание кислорода уменьшалось после плавки. На основании этого результата установлено, что когда содержание Al в сплаве Ti-Al составляет 40 мас.% или больше, при плавке протекает реакция раскисления.

● Способ плазменно-дуговой плавки, с добавлением флюса

[0038] В отношении сплавов Ti-Al с содержанием Al 30 мас.%, 40 мас.% и 60 мас.%, в которых содержание кислорода уменьшалось после плавки в вышеописанном испытании, для того, чтобы исследовать, как ускоряется реакция раскисления при добавлении флюса CaO-CaF₂, раскисление сплава Ti-Al с помощью плазменно-дуговой плавки проводили при полностью тех же самых условиях, что и в случае без добавления флюса CaO-CaF₂, за исключением собственно добавления флюса. Смешиваемое количество фторида кальция во флюсе CaO-CaF₂ составляло 80 мас.%, и количество добавляемого флюса CaO-CaF₂ было равно 5 г. Результаты проиллюстрированы на Фиг. 1.

[0039] Как видно из Фиг. 1, когда добавлялся флюс CaO-CaF₂, для обоих случаев, когда содержание Al было равно 40 мас.% или 60 мас.%, раскисление ускорялось больше по сравнению с тем случаем, когда флюс CaO-CaF₂ не добавлялся. Содержание кислорода (массовая доля, в дальнейшем содержание кислорода указывается в массовых долях) в сплаве Ti-Al после плавки в случае содержания Al 40 мас.% составило 5400 млн^-1 без добавления флюса CaO-CaF₂ и 2400 млн^-1 с добавлением флюса CaO-CaF₂, а в случае содержания Al 60 мас.% оно составило 280 млн^-1 без добавления флюса CaO-CaF₂ и 220 млн^-1 с добавлением флюса CaO-CaF₂.

● В случае использования титаноксидного материала в качестве титанового материала

[0040] Отдельно проводили раскисление сплава Ti-Al с содержанием кислорода 16,3 мас.%, произведенного с использованием материала сплава, состоящего из титаноксидного материала и алюминиевого материала, путем плавления, а затем выдержки сплава в плазменно-дуговой печи мощностью 100 кВт с использованием охлаждаемого водой медного сосуда. При этом содержание Al в сплаве Ti-Al было задано равным 60 мас.%, и раскисление проводили в обоих случаях - с добавлением и без добавления флюса CaO-CaF₂. В качестве плазмообразующего газа использовался только Ar, давление во время плавки составляло 1,20×10⁵ Па, смешиваемое количество фторида кальция во флюсе CaO-CaF₂ было равно 80 мас.%, а количество добавленного флюса CaO-CaF₂ составило 5 г.

[0041] Содержание кислорода в сплаве Ti-Al после плавления и выдержки составило примерно 540 млн^-1 без добавления флюса CaO-CaF₂, и даже в материале с содержанием кислорода более 10 мас.%, произведенном с использованием оксида титана в качестве сырья, эффект раскисления был достоверно проявлен. В случае добавления флюса CaO-CaF₂ содержание кислорода в сплаве Ti-Al составило примерно 330 млн^-1, и было подтверждено, что при добавлении флюса проявляется более сильный эффект раскисления.

● Способ индукционной плавки, без добавления флюса

[0042] Испытание по раскислению сплава Ti-Al с содержанием кислорода 0,8 мас.%, произведенного с использованием способа индукционной плавки в охлаждаемом водой медном сосуде вместо способа плазменно-дуговой плавки, проводили тем же самым образом, что и в случае способа плазменно-дуговой плавки. Для изучения влияния содержания Al в сплаве Ti-Al на реакцию раскисления были получены сплавы Ti-Al, имеющие содержание Al в 37 мас.%, 39 мас.% и 51 мас.%. При этом в каждой плавке расплавляемое количество составляло 20 кг, атмосферой в плавильной камере был Ar, а давление во время плавки составляло 7,0×10⁴ Па. Фиг. 1 иллюстрирует соотношение между концентрацией Al (содержанием Al) и концентрацией кислорода (содержанием кислорода) в сплаве Ti-Al после плавления и выдержки, осуществленных с использованием индукционной плавильной печи, вместе с аналогичными данными для случая использования способа плазменно-дуговой плавки.

[0043] Как видно из Фиг. 1, аналогично случаю использования способа плазменно-дуговой плавки, содержание кислорода после плавки уменьшалось в окрестности области, где содержание Al превышало 40 мас.%. На основании этого результата установлено, что аналогично способу плазменно-дуговой плавки, когда содержание Al в сплаве Ti-Al составляет 40 мас.% или больше, реакция раскисления при плавлении протекает также и в случае способа индукционной плавки.

● Способ индукционной плавки, с добавлением флюса

[0044] В отношении сплавов Ti-Al с содержанием Al 40 мас.%, 48 мас.% и 59 мас.% для изучения того, как реакция раскисления ускоряется при добавлении флюса CaO-CaF₂, проводили раскисление сплава Ti-Al способом индукционной плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда. В данном случае при каждой плавке атмосферой в плавильной камере был Ar, давление во время плавки составляло 7,0×10⁴ Па, смешиваемое количество фторида кальция во флюсе CaO-CaF₂ было равно 80 мас.%, а количество добавленного флюса CaO-CaF₂ составляло 10% от массы металла. Результаты показаны на Фиг. 1.

[0045] Как видно из Фиг. 1, даже при использовании способа индукционной плавки в охлаждаемом водой медном сосуде, в случае добавления флюса CaO-CaF₂, раскисление было ускорено больше во всех случаях, где содержание Al составляло 40 мас.%, 48 мас.% и 59 мас.%, по сравнению со случаем без добавления флюса CaO-CaF₂.

Смешиваемое количество фторида кальция во флюсе CaO-CaF₂

[0046] Раскисление сплава Ti-Al проводили плазменно-дуговой плавкой с использованием плазменно-дуговой печи мощностью 100 кВт при тех же самых условиях, что и в вышеприведенных Примерах, за исключением того, что использовали сплав Ti-Al с содержанием Al 40 мас.% и изменяли смешиваемое количество фторида кальция в добавляемом флюсе CaO-CaF₂. Флюс CaO-CaF₂ предварительно распределяли по сплаву Ti-Al перед плавкой. Результаты показаны на Фиг. 2.

[0047] Исходя из 5400 млн^-1 содержания кислорода после плавки, когда флюс CaO-CaF₂ не добавлялся, была проверена степень эффекта ускорения реакции раскисления за счет добавления флюса CaO-CaF₂. Как видно из Фиг. 2, наиболее заметный эффект ускорения реакции раскисления был получен, когда добавляли флюс CaO-CaF₂, приготовленный смешиванием от 60 до 90 мас.% фторида кальция с оксидом кальция, но высокий эффект ускорения реакции раскисления наблюдался также и тогда, когда добавляли 40 мас.% или более фторида кальция. На основании этого результата испытания установлено, что эффект раскисления получается при добавлении флюса CaO-CaF₂, приготовленного смешиванием от 35 до 95 мас.% фторида кальция с оксидом кальция. Как видно из Фиг. 2, когда был добавлен флюс CaO-CaF₂, приготовленный смешиванием 30 мас.% фторида кальция с оксидом кальция, раскисление не ускорялось. Причина этого заключается в том, что флюс CaO-CaF₂ не плавился из-за его слишком высокой температуры плавления.

Изменения массы и содержания Al в сплаве Ti-Al до и после плавки

[0048] Выход материала, на который влияет испарение при плавлении сплава Ti-Al с использованием плазменно-дуговой печи мощностью 100 кВт, оценивали путем измерения изменений в массе и содержании Al для каждого из вышеописанных образцов между моментами до и после плавки. При этом в качестве плазмообразующего газа использовался только Ar, а давление во время плавки было равно 1,20×10⁵ Па.

[0049] Фиг. 3 иллюстрирует соотношение между временем плавки и коэффициентом изменения массы образца между моментами до и после плавки. Как видно из Фиг. 3, изменение массы образца между моментами до и после плавки (т.е. в результате плавки) практически не наблюдалось. Фиг. 4 иллюстрирует соотношение между концентрацией (содержанием) Al в образце и коэффициентом изменения массы в результате плавки. Как видно из Фиг. 4, изменение массы образца в результате плавки почти не наблюдалось, что означает, что Al не испарялся при плавке с использованием плазменно-дуговой печи мощностью 100 кВт. Из этих результатов установлено, что при плавке с использованием плазменно-дуговой печи, которая является примером плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда, Al в качестве элемента сплава и кроме того Ti не испаряются во время плавки сплава Ti-Al.

[0050] Хотя настоящее изобретение было подробно описано со ссылками на конкретные варианты его осуществления, специалисту в данной области техники будет очевидно, что в нем могут быть проделаны различные изменения и модификации без отступлений от сути и объема настоящего изобретения.

Настоящая заявка основана на японской патентной заявке № 2014-180431, поданной 4 сентября 2014 г., японской патентной заявке № 2014-180432, поданной 4 сентября 2014 г., японской патентной заявке № 2015-6764, поданной 16 января 2015 г., японской патентной заявке № 2015-6765, поданной 16 января 2015 г., и японской патентной заявке № 2015-131029, поданной 30 июня 2015 г., содержания которых включены в настоящий документ посредством ссылки.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0051] В соответствии с настоящим изобретением сплав Ti-Al с низким содержанием кислорода может быть получен с низкими затратами, и этот способ является полезным в качестве способа производства металлического материала для самолетов или автомобилей.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода. Способ осуществляют в охлаждаемом водой медном сосуде плавлением сплава Ti-Al, содержащего не меньше 40 мас.% Al и полученного с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, причем этот материал сплава содержит кислород в общем количестве 0,1 мас.% или больше, а раскисление осуществляют путем выдержки в атмосфере с давлением не менее 1,33 Па. Изобретение позволяет получить сплав на основе Ti-Al с низким содержанием кислорода при использовании исходного низкосортного титанового материала с высоким содержанием кислорода, даже не создавая высокого вакуума. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 пр.

1. Способ производства сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода, отличающийся тем, что в охлаждаемом водой медном сосуде осуществляют плавление сплава Ti-Al, содержащего не меньше 40 мас.% Al и полученного с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, причем упомянутый материал сплава содержит кислород в общем количестве 0,1 мас.% или больше, и раскисление путем выдержки в атмосфере с давлением не менее 1,33 Па.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что до или во время плавки сплава Ti-Al добавляют флюс CaO-CaF₂, приготовленный смешиванием от 35 до 95 мас.% фторида кальция с оксидом кальция.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что используют дуговую плавку, плазменно-дуговую плавку или индукционную плавку.