一种高质量钛铝合金靶材的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种高质量钛铝合金靶材的制备方法。该方法先采用水冷铜坩埚进行真空自耗电弧炉熔炼，再采用石墨模具进行真空自耗凝壳炉熔炼制备钛铝合金：依次包括烘料步骤、配料步骤、压电极步骤、真空自耗电弧炉熔炼步骤、真空自耗凝壳炉熔炼步骤。本发明专利技术方法具有合金成份控制准确，钛、铝元素分布均匀，显微组织晶粒细小，无坩埚污染，气体杂质含量低，无皮下气泡、裂纹等铸造缺陷的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高质量钛铝合金靶材的制造方法
本专利技术属于冶金制备领域，特别涉及一种高质量钛铝合金靶材的制造方法。
技术介绍
随着现代机械加工业朝着高精度、高速切削、硬加工代研磨、干加工(无冷却液)保护环境以及降低成本等方向发展，对刀具性能提出了相当高的要求。因此，开发各种耐磨性能优越、能长时间进行稳定加工的切削材料是必然的发展趋势。以过渡族金属碳化物、氮化物、硼化物和金刚石膜等为代表的硬质涂层由于具有超硬和耐磨等特点，已在机械加工工具、模具和机械零件等方面获得广泛应用。物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)是沉积硬质涂层的主导技术，采用PVD方法制备的氮化钛铝(TiAlN)涂层是在二元涂层的基础上发展起来的一种新型三元复合涂层，其硬度显著高于TiN涂层，同时涂层的抗高温氧化性、膜基结合强度、耐腐蚀性和耐磨性均得到提高。因此TiAlN被认为是较TiN更有前途的新型涂层材料，近年来受到广泛关注。TiAlN涂层的膜料为钛铝合金。目前，制造钛铝合金靶材的方法有两种，粉末烧结法和熔炼铸造法：(1)粉末烧结法：如公开号为CN101214546A的中国专利申请中采用一定粒度的Ti粉和Al粉，或雾化的合金粉末，经混粉，装粉，冷等静压成型，脱气，热等静压或烧结，再经机加工制成成品。该方法的优点是可制备组织均匀、细小的制件，且可实现制件的近净成形，可有效解决钛元素偏析问题；该方法的缺点是合金在制作过程中不仅易受间隙元素的污染，气体杂质(C、N、O)含量偏高，而且对粉末纯度、粒度及性能要求较高，制备难度较大。(2)熔炼铸造法：目前，熔炼钛铝合金的方法有以下几种：1、真空感应熔炼。如专利号为01133475的中国专利申请中采用高纯氧化钙坩埚进行熔炼，通过添加1％～2％的金属钙进行脱氧，可生产出化学成份合格，杂质含量低的钛铝合金。但是，在熔炼过程中活性金属钛、铝均与坩埚材料反应，污染熔液，且添加金属钙也会引入大量钙杂质元素，无法满足材料成分要求。2、真空电子束熔炼。该方法能较好的消除高密度和低密度夹杂，获得细晶均质铸锭。但是该方法熔炼过程中铝元素挥发大，成份不易控制。3、真空自耗电弧炉熔炼。该方法熔炼时金属液滴滴入水冷坩埚后迅速凝固，不与坩埚材料反应，铸锭密度较高，基本上不存疏松，但存在成分偏析，铸锭中存在不熔物钛。4、真空自耗凝壳炉熔炼。该方法亦可避免坩埚对金属熔体的污染，且熔炼过程中存在均质化过程，合金成分均匀，宏观偏析少，由于采用重力铸造的办法，铸锭内部不可消除宏观缩孔和疏松，成材率低。因此，目前的合金靶材制备领域需要一种结合上述真空自耗电弧炉熔炼工艺、真空自耗凝壳熔炼工艺的优点，能够得到铸锭密度较高、缩孔较浅、成分均匀、无宏观偏析的大尺寸钛铝合金锭坯的制备方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种钛铝合金靶材的真空自耗电弧炉和凝壳炉复合熔炼方法。该方法具有合金成份控制准确，钛、铝元素分布均匀，显微组织晶粒细小，无坩埚污染，气体杂质含量低，无皮下气泡、裂纹等铸造缺陷的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种高质量钛铝合金靶材的制备方法，先进行真空自耗电弧炉熔炼，再进行真空自耗凝壳炉熔炼制备钛铝合金，依次包括配料步骤、烘料步骤、电极压制步骤、电极焊接步骤、真空自耗电弧炉熔炼步骤、和真空自耗凝壳炉熔炼步骤，其中：在所述烘料步骤中，将配好的原料海绵钛和金属铝进行烘烤处理，得到烘烤好的原料；在所述电极压制步骤中，将所述烘烤好的原料进行压制处理，得到电极；在所述电极焊接步骤中，将所述电极进行焊接处理，得到焊接好的电极；在所述真空自耗电弧炉熔炼步骤中，将所述焊接好的电极进行真空自耗电弧炉熔炼处理，得到真空自耗电弧炉熔炼后的锭坯；在所述真空自耗凝壳炉熔炼步骤中，将所述真空自耗电弧炉熔炼后的电极进行真空自耗凝壳炉熔炼处理，得到真空自耗凝壳炉熔炼后的铸锭。进一步地，在所述配料步骤中，按钛铝合金成分设计要求分别称取0级海绵钛和纯度高于99.99％的金属铝，其中所述钛铝合金按重量百分比由以下元素组成Ti：60～70％，Al：40～30％。进一步地，在所述烘料步骤中，所述烘烤温度为140～200℃，所述烘烤时间为4～6h，所述真空烘箱的真空度为500～5000Pa。进一步地，在所述电极压制步骤中，将烘烤好的金属铝置于电极中心，电极外围由烘烤好的海绵钛包裹；电极压制的模具材料为碳素工具钢，尺寸为D140*300mm。进一步地，在所述电极焊接步骤中，将5～7根电极进行焊接处理；所述焊接处理采用钨极氩弧焊，焊接材料为纯钛焊丝。进一步地，在所述真空自耗电弧炉熔炼步骤中，首先使真空感应炉的真空度保持为0.01～0.08Pa，再以4000～6000A的电流送电熔炼，电压控制在32～35V，熔炼完后继续保持真空度在0.05～0.1Pa，随炉冷却至300～400℃出炉；采用的结晶器为水冷铜坩埚。进一步地，在所述真空自耗凝壳炉熔炼步骤中，模具除气的温度为500～600℃，烘烤时间为8～12h；真空凝壳炉的真空度保持在0.01～0.08Pa，再以16000～20000A的电流进行熔炼，熔炼电压控制在32～40V；浇铸完后保持炉内真空度在在0.05～0.1Pa，随炉冷却至室温后出炉；所述模具为石墨模具。本专利技术相比现有技术具有如下有益效果：1、在本专利技术的方法的各个步骤之间相互协同作用、环环相扣，确保了产品的质量：原材料经真空烘干以确保原材料干燥且不被氧化；由于海绵钛和金属铝的熔点相差较大，制备电极时将金属铝块置于电极的中心，可以防止电极在熔炼过程中电极的塌陷；采用水冷铜坩埚进行真空自耗电弧炉熔炼时，单个熔滴滴入水冷铜坩埚后迅速凝固，可以避免钛铝合金熔液与坩埚材料反应；采用真空自耗凝壳炉熔炼时，由于水冷铜坩埚与金属熔体之间存在一层由金属熔体凝固而形成的固体壳层，避免了坩埚对金属熔体的污染，且真空自耗凝壳熔炼工艺铸造缩孔浅、铸锭密度较高，可解决真空自耗电弧炉熔炼大尺寸钛铝合金锭坯时，存在很深缩孔，成材率低的问题。2、本专利技术利用真空自耗电弧炉熔炼工艺铸锭密度较高，缩孔较浅的优势，和利用真空自耗凝壳熔炼工艺合金成分比较均匀，无宏观偏析的优势，将两种熔炼工艺复合在一起，成功地制备了大尺寸钛铝合金锭坯。3、本专利技术与现有技术相比具有合金成份控制准确，钛、铝元素分布均匀，宏观偏析少，无坩埚污染，气体杂质含量低，无皮下气泡、裂纹、中心缩孔等铸造缺陷的优点。上述优点具体如下：成分控制精确，主成分偏差≤0.5wt％，锭坯内部没有钛元素偏析，合金中外来夹杂Ca≤0.005wt％，气体含量较低(O≤0.08wt％，N≤0.01wt％,C≤0.015wt％)，锭坯内部探伤无内部气孔、微裂纹、疏松等缺陷。附图说明图1是本专利技术实施例1制得的合金铸锭切片的超声波探伤图。图2是本专利技术实施例2制得的合金铸锭切片的超声波探伤图。图3是本专利技术实施例3制得的合金铸锭切片的超声波探伤图。图4是本专利技术对比例2制得的合金铸锭内部缺陷的扫描电镜图。图5是本专利技术对比例3制得的合金线切割后铸锭内部的缺陷图。图6是本专利技术对比例4制得的合金铸锭切片的超声波探伤图。图7是本专利技术对比例5制得的合金铸锭切片的超声波探伤图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高质量钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：先进行真空自耗电弧炉熔炼，再进行真空自耗凝壳炉熔炼制备钛铝合金，依次包括配料步骤、烘料步骤、电极压制步骤、电极焊接步骤、真空自耗电弧炉熔炼步骤、和真空自耗凝壳炉熔炼步骤，其中：在所述烘料步骤中，将配好的原料海绵钛和金属铝进行烘烤处理，得到烘烤好的原料；在所述电极压制步骤中，将所述烘烤好的原料进行压制处理，得到电极；在所述电极焊接步骤中，将所述电极进行焊接处理，得到焊接好的电极；在所述真空自耗电弧炉熔炼步骤中，将所述焊接好的电极进行真空自耗电弧炉熔炼处理，得到真空自耗电弧炉熔炼后的锭坯；在所述真空自耗凝壳炉熔炼步骤中，将所述真空自耗电弧炉熔炼后的电极进行真空自耗凝壳炉熔炼处理，得到真空自耗凝壳炉熔炼后的铸锭。

【技术特征摘要】
1.一种高质量钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：先进行真空自耗电弧炉熔炼，再进行真空自耗凝壳炉熔炼制备钛铝合金，依次包括配料步骤、烘料步骤、电极压制步骤、电极焊接步骤、真空自耗电弧炉熔炼步骤、和真空自耗凝壳炉熔炼步骤，其中：在所述配料步骤中，分别称取0级海绵钛和纯度高于99.99％的金属铝，其中所述钛铝合金按重量百分比由以下元素组成Ti：60～70％，Al：40～30％；在所述烘料步骤中，将配好的原料海绵钛和金属铝进行烘烤处理，得到烘烤好的原料；在所述电极压制步骤中，将所述烘烤好的原料进行压制处理，得到电极；在所述电极焊接步骤中，将所述电极进行焊接处理，得到焊接好的电极；在所述真空自耗电弧炉熔炼步骤中，将所述焊接好的电极进行真空自耗电弧炉熔炼处理，得到真空自耗电弧炉熔炼后的锭坯；在所述真空自耗凝壳炉熔炼步骤中，将所述真空自耗电弧炉熔炼后的电极进行真空自耗凝壳炉熔炼处理，得到真空自耗凝壳炉熔炼后的铸锭；在所述真空自耗电弧炉熔炼步骤中，首先使真空感应炉的真空度保持为0.01～0.08Pa，再以4000～6000A的电流送电熔炼，电压控制在32～35V，熔炼完后继续保持真空度在0.05～0.1Pa...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凤戈，穆健刚，姜海，李建奎，梁俊才，陈鹏，刘健，缪磊，
申请(专利权)人：安泰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11