СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Ti-6Al-4V Российский патент 2025 года по МПК C22B9/20 C22C14/00 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков из титановых сплавов.

В настоящее время (α+β)-титановый сплав Ti-6Al-4V, который благодаря хорошему комплексу механических свойств, а также большому массиву экспериментальных данных является одним из самых широко распространённых титановых сплавов в промышленности. Сплав применяется для изготовления деформированных полуфабрикатов, а также высоконагруженных деталей и узлов, длительно работающих при температурах до 350°С. Содержащиеся в сплаве алюминий, ванадий, железо, кислород и углерод повышают прочностные и жаропрочные свойства при умеренных температурах. В то же время наличие этих элементов вызывает склонность сплава к зональной ликвационной неоднородности в выплавляемых крупногабаритных слитках, что может приводить к отклонениям химического состава и температуры полиморфного превращения (далее-ТПП) и/или к соответствующему разбросу по микроструктуре и механическим свойствам в пределах всего слитка. При этом ликвационная неоднородность слитка может присутствовать в виде β-флеков - локальных участков микроструктуры с обеднением по первичной α-фазе или с полным ее отсутствием относительного основного металла, что является следствием повышенного содержания β-стабилизаторов (Fe, V) и соответствующего локального понижения ТПП. В большинстве случаев β-флеки проявляются при закалке от температур близких к ТПП основного металла. Вместе с тем β-флеки могут иметь химический состав, который выходит за рамки диапазона, заданного требованиями нормативной документации. В деталях особо ответственного назначения, например во вращающихся дисках или лопатках авиационных двигателей, испытывающих при эксплуатации высокие нагрузки, такие несоответствия могут иметь критическое значение. Поэтому к заготовкам для указанной продукции предъявляются повышенные требования к качеству в части наличия дефектов ликвационного происхождения.

Появление указанных дефектов, прежде всего, связано с режимами окончательного переплава. Вместе с тем при получении крупногабаритных слитков (диаметром свыше 770 мм) вакуумным дуговым переплавом в значительной степени на уровень их качества, химической и структурной однородности оказывает влияние размерный фактор. В частности, увеличение диаметра получаемого слитка и, соответственно, сопутствующее повышение силы тока плавления увеличивает степень ликвации. Для разработки технологии вакуумного дугового переплава титановых сплавов, обеспечивающей однородность слитка, необходимо устанавливать взаимосвязь между параметрами переплава, технологическими параметрами получаемого слитка сплава (ковкость, технологическая пластичность и т.п.) и возможными дефектами литой структуры. Поэтому весьма актуальной становится проблема разработки технологии получения качественного слитка, что, в свою очередь, включает разработку новых режимов переплава и автоматического управления работой вакуумных дуговых печей.

Известен способ получения слитков высоколегированных, преимущественно титановых сплавов, включающий подготовку расходуемого электрода, по крайней мере, двойному вакуумному дуговому переплаву с получением на первом переплаве литого расходуемого электрода, при этом в процессе первого переплава после наведения ванны жидкого металла объем его уменьшают на протяжении всего процесса плавления, а при окончательном переплаве расходуемого электрода наведение ванны жидкого металла осуществляют на максимальном токе дуги на подложку с тепловым зазором 1-3 мм до получения слитка высотой (0,20-0,35) Д_к, где Д_к - диаметр кристаллизатора, мм, после чего литой расходуемый электрод плавят на минимально возможном токе дуги, который определяют по выражению J_д=К⋅Д_к, где J_д - ток дуги, А; К=10 - коэффициент пропорциональности, А/мм (Патент РФ на изобретение №2244029, МПК C22B9/20, опубл. 10.01.2005).

Известный способ не учитывает особенностей плавления сплава Ti-6Al-4V, кроме того, недостатком известного способа являются повышенные затраты на изготовление подложки и её отделение от слитка после выплавки.

Известен способ получения крупногабаритного слитка из титанового сплава Ti-6Al-4V, включающий подготовку прессованного электрода и вакуумную дуговую плавку за несколько переплавов (патент на изобретение CN101476050, МПК С22В34/12, опубл. 16.06.2010) - прототип. В известном способе окончательный переплав осуществляют с массовой скоростью плавления 20-32 кг в минуту, измеряют вес расходуемого электрода в реальном времени в заданном интервале, в зависимости от изменения веса электрода регулируют силу тока дуги.

Недостатком известного способа является высокая рабочая сила тока 24…41 кА, соответствующая массовым скоростям плавки 20-32 кг/мин для указанных в патенте диаметров слитка, что приводит к образованию ликвационных дефектов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка технологических режимов получения крупногабаритных слитков из сплава Ti-6Al-4V с использованием вакуумного дугового переплава, позволяющих улучшить качество выплавляемых слитков.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение слитка с отсутствием локальной химической неоднородности (β-флеков) и снижение зональной ликвации.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения слитка из титанового сплава Ti-6Al-4V, включающем окончательный вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода, состоящий из начального периода плавления, основного периода плавления, окончания процесса плавления - выведения усадочной раковины, периода охлаждения слитка, и термическую обработку слитка, согласно изобретению основной период плавления ведут при силе рабочего тока дуги, определяемой по следующему выражению:

I_р = (0,85-0,95) × I_п, (кА),

где I_р - сила рабочего тока дуги, кА; I_п - сила тока перехода контрагированного режима горения дуги в диффузный режим, кА; а при завершении основного периода силу тока снижают до величины, составляющей 0,70-0,85 от силы рабочего тока дуги, сплавляют массу металла, определяемую по следующему выражению:

M = (150-300) × D_сл, (кг),

где М - масса сплавляемого металла, кг;

D_сл - диаметр выплавляемого слитка, м;

после чего осуществляют выведение усадочной раковины, при этом в периоде охлаждения слиток охлаждают в вакууме в течение 1-3 часов и далее в среде гелия в течение 1-2 часов. Термическую обработку слитка осуществляют при температуре 1150-1250°С в течение 5-24 часов. При вакуумном дуговом переплаве получают слиток диаметром свыше 770 мм.

Способ реализуется следующим образом.

Расходуемый электрод, являющийся слитком первого переплава, загружают в кристаллизатор вакуумной дуговой печи. После загрузки и центровки электрода осуществляют его присоединение к электрододержателю. Печь вакуумируют, включают источник питания. Задают величину силы тока и дугового зазора для начального периода плавки. В начальный период плавления после возбуждения дугового разряда между торцом расходуемого электрода и поддоном кристаллизатора осуществляют кратковременный прогрев нижнего торца электрода на малой силе тока дуги. После чего значение поднимают силы тока дуги и проводят наведение ванны жидкого металла. После наведения жидкой ванны металла на поддоне переходят на основной режим плавления. Для получения качественного слитка необходимо миновать неблагоприятные диапазоны сил тока, при которых высока вероятность формирования ликвационных дефектов. Основной период плавления в достаточной степени должен представлять собой квазистационарный процесс, сопровождающийся равенством скоростей плавки и кристаллизации. При кристаллизации слитка наиболее подвержена образованию β-флеков кристаллическая структура с равноосными неориентированными кристаллами, т.н. «равноосная» структура. В «равноосной» структуре степень вероятности появления β-флеков повышена за счет увеличения междендритных расстояний кристаллов. Поэтому для ограничения образования β-флеков в нижней части слитка предпочтительно получение структуры, образованной столбчатыми кристаллами, т.н. «столбчатой структуры», минимизирующей междендритные расстояния. Соответственно, параметры основного периода плавления, определяемые экспериментальным путем, направлены на получение «столбчатой» структуры. Для чего основной период плавления ведут при силе рабочего тока дуги, определяемой по следующему выражению:

I_р = (0,85-0,95) × I_п, (кА),

где I_р - сила рабочего тока дуги, кА; I_п - сила тока перехода контрагированного режима горения дуги в диффузный режим, кА. Это обеспечивает затвердевание слитка со столбчатой макроструктурой с малой вероятностью формирования β-флеков. При завершении основного периода плавки силу рабочего тока дуги снижают до величины, составляющей 0,70-0,85 от силы рабочего тока дуги, и сплавляют массу металла, определяемую по следующему выражению:

M = (150-300) × D_сл, (кг),

где М - масса сплавляемого металла, кг;

D_сл - диаметр выплавляемого слитка, м.

Это обеспечивает уменьшение глубины и объема жидкой ванны, а также повышение градиента температуры в жидкой ванне на фронте затвердевания, необходимые для снижения вероятности образования β-флеков. После завершения основного периода плавки переходят к окончанию процесса плавления - выведению усадочной раковины, для чего силу тока дуги постепенно снижают и уменьшают дуговой зазор, затем плавку прекращают, осуществляют охлаждение слитка.

В периоде охлаждения слиток охлаждают в вакууме в течение 1-3 часов и далее в среде гелия в течение 1-2 часов, что позволяет в полном объеме растворить локальные химические неоднородности в литниковой зоне слитка за счёт более низкой скорости охлаждения в вакууме. После окончания периода охлаждения печь разгерметизируют, слиток извлекают из печи. Для уменьшения внутрикристаллитной ликвации, появляющейся при затвердевании, целесообразно осуществление дополнительной термической обработки слитка в виде гомогенизации посредством нагрева до температуры, близкой к линии солидуса, и условии длительной выдержки. Для осуществления гомогенизации слиток нагревают до температуры 1150-1250°С и выдерживают при этом температуре в течение 5-24 часов. Гомогенизацию возможно осуществлять в кузнечном цехе, совмещая ее с нагревом под деформацию.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером конкретного его выполнения.

Для изготовления кованых биллетов диаметром 155 мм из сплава Ti-6Al-4V, используемых в качестве промежуточных заготовок для прокатки прутков роторного назначения, выплавляли слиток массой 4900 кг и диаметром 870 мм методом тройного вакуумно-дугового переплава. Плавку осуществляли в вакуумной дуговой электрической печи. Первому переплаву подвергали прессованный расходуемый электрод с получением литого расходуемого электрода. Далее осуществляли второй переплав литого расходуемого электрода. Окончательный (третий) переплав проводили следующим образом. Литой электрод загружали в кристаллизатор диаметром 870 мм и устанавливали в электрододержатель. Между торцом расходуемого электрода и поддоном возбуждали электрическую дугу. После чего производили прогрев нижнего торца, наводили ванну жидкого металла. Для указанного диаметра электрода сила тока перехода контрагированного режима горения дуги в диффузный режим составляет 14,5 кА. Вследствие чего силу рабочего тока дуги задавали до величины 13 кА и осуществляли основной период плавки в рабочем режиме. По завершению основного периода плавки ток дуги снижали до 10 кА и на этой величине сплавляли 200-250 кг металла. Далее осуществляли окончание процесса плавления - выведение усадочной раковины и плавку прекращали. После окончания плавления осуществляли охлаждение полученного слитка. Слиток охлаждали в вакууме в течение 2 часов и далее в среде гелия в течение 1 часа. В результате получен слиток с химическим составом, указанным в табл. 1. Химический состав слитка соответствовал требованиям нормативной документации.

Таблица 1

Место отбора образцов Массовая доля элементов, % Ti Al V Fe C O N Верх слитка основа 6,23 3,97 0,21 0,021 0,179 0,0059 Низ слитка основа 6,14 4,03 0,20 0,018 0,177 0,0056 Требования нормативной документации - 5,5-6,75 3,5-4,5 ≤0,4 ≤0,08 ≤0,2 ≤0,05

Полученный слиток подвергали частичной механической обработке и дальнейшей гомогенизации. Гомогенизацию слитка проводили при температуре 1150°C в течение 7 часов.

Из слитка методами обработки давлением изготовлены биллеты диаметром 155 мм. На полученных биллетах производили отделочные операции, резку на готовый размер, отбор образцов, исследование химического состава и структуры. Нумерацию биллетов начинали по порядку их расположения от низа слитка. Полученные результаты исследования изготовленных биллетов приведены в таблицах 2, 3, 4. В табл. 2 приведены результаты определения химического состава биллетов. Определение химического состава проводили на каждом биллете в следующих зонах поперечного сечения: ¹/₂ радиуса, центр, периферия. В табл. 3 приведены значения ТПП, определенной металлографическим способом. В табл. 4 приведены результаты контроля структуры материала биллетов на наличие β-флеков в исходном состоянии после деформации и после термической обработки.

Таблица 2

Номер биллета Зона отбора образцов по сечению биллета Массовая доля элементов, % Ti Al V Fe C O N 1 ¹/₂ радиуса основа 6,41 4,17 0,21 0,022 0,155 0,0049 центр основа 6,40 4,18 0,22 0,020 0,160 0,0056 периферия основа 6,43 4,16 0,24 0,020 0,166 0,0077 2 ¹/₂ радиуса основа 6,24 4,28 0,20 0,024 0,168 0,0057 центр основа 6,30 4,29 0,21 0,023 0,169 0,0030 периферия основа 6,24 4,26 0,20 0,031 0,169 0,0038 3 ¹/₂ радиуса основа 6,30 4,28 0,21 0,022 0,180 0,0031 центр основа 6,30 4,28 0,21 0,022 0,180 0,0054 периферия основа 6,33 4,28 0,21 0,025 0,180 0,0051 4 ¹/₂ радиуса основа 6,41 4,22 0,20 0,023 0,166 0,0047 центр основа 6,43 4,24 0,20 0,023 0,169 0,0031 периферия основа 6,41 4,19 0,19 0,023 0,170 0,0040 5 ¹/₂ радиуса основа 6,33 4,24 0,21 0,021 0,173 0,0041 центр основа 6,31 4,28 0,21 0,022 0,166 0,0043 периферия основа 6,35 4,26 0,20 0,021 0,185 0,0058 6 ¹/₂ радиуса основа 6,20 4,32 0,22 0,025 0,173 0,0032 центр основа 6,19 4,38 0,23 0,021 0,166 0,0039 периферия основа 6,20 4,35 0,23 0,025 0,174 0,0030 Требования нормативной документации - - 5,5-6,75 3,5-4,5 ≤0,4 ≤0,08 ≤0,2 ≤0,05

Таблица 3

Номер биллета Место отбора образца по сечению биллета ТПП, °С 1 ¹/₂ радиуса 998 2 ¹/₂ радиуса 1008 3 ¹/₂ радиуса 1008 4 ¹/₂ радиуса 1003 5 ¹/₂ радиуса 1003 6 ¹/₂ радиуса 1003

Таблица 4

Состояние материала биллетов Результат контроля Горячекованое β-флеки не обнаружены Термобработка при 988°С - выдержка 1 час - охлаждение в воду β-флеки не обнаружены

Показатели качества биллетов в полной мере соответствуют требованиям нормативной документации. Результаты исследований слитка и биллетов подтверждают высокую однородность металла и отсутствие β-флеков.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с известными, позволяет осуществлять получение крупногабаритных слитков из титанового сплава Ti-6Al-4V с отсутствием ликвационных дефектов.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков из титанового сплава Ti-6Al-4V. Способ включает окончательный вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода, состоящий из начального периода плавления, основного периода плавления, окончания процесса плавления - выведения усадочной раковины, периода охлаждения слитка, и термическую обработку слитка. Основной период плавления ведут при силе рабочего тока дуги, определяемой по следующему выражению: I_р = (0,85-0,95) × I_п, где I_р – сила рабочего тока дуги, кА; I_п – сила тока перехода контрагированного режима горения дуги в диффузный режим, кА; а при завершении основного периода силу тока снижают до величины, составляющей 0,70-0,85 от силы рабочего тока дуги, сплавляют массу металла, определяемую по следующему выражению: M = (150-300) × D_сл, где М – масса сплавляемого металла, кг; D_сл - диаметр выплавляемого слитка, м. Осуществляют выведение усадочной раковины, при этом в периоде охлаждения слиток охлаждают в вакууме в течение 1-3 часов и далее в среде гелия в течение 1-2 часов. Технический результат заключается в получении слитка с отсутствием локальной химической неоднородности (β-флеков) и снижении зональной ликвации. 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 пр.

1. Способ получения слитка из титанового сплава Ti-6Al-4V, включающий окончательный вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода, состоящий из начального периода плавления, основного периода плавления, окончания процесса плавления - выведения усадочной раковины, периода охлаждения слитка, и термическую обработку слитка, отличающийся тем, что основной период плавления ведут при силе рабочего тока дуги, определяемой по следующему выражению:

I_р = (0,85-0,95) × I_п, (кА),

где I_р - сила рабочего тока дуги, кА;

I_п - сила тока перехода контрагированного режима горения дуги в диффузный режим, кА;

а при завершении основного периода силу тока снижают до величины, составляющей 0,70-0,85 от силы рабочего тока дуги, сплавляют массу металла, определяемую по следующему выражению:

M = (150-300) × D_сл, (кг),

где М - масса сплавляемого металла, кг;

D_сл - диаметр выплавляемого слитка, м;

после чего осуществляют выведение усадочной раковины, при этом в периоде охлаждения слиток охлаждают в вакууме в течение 1-3 часов и далее в среде гелия в течение 1-2 часов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку слитка осуществляют при температуре 1150-1250°С в течение 5-24 часов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при вакуумном дуговом переплаве получают слиток диаметром свыше 770 мм.