[00115493]高效节能钛合金制备工艺的关键技术研究

钛合金具有比强度高、中温性能好、耐腐蚀、无磁、焊接性能好等特点,是一种重要的金属结构材料,对国防高技术和武器装备有着极为重要的作用。其广泛应用于国防工业各种武器装备,包括军用和民用飞机、航空发动机、导弹、各种舰艇、一体化核反应堆、轻型大炮等。 目前熔炼钛及钛合金一般采用真空自耗电弧（VAR）炉熔炼方法,这种方式采用水冷铜坩埚作为熔炼时的冷凝器,但是采用水冷铜坩埚强制水冷系统时会有凝壳生成,这使得熔炼钛合金时在能源方面造成巨大的浪费。同时这种方法且造成热场不均匀,使得钛合金组织不均匀,偏析严重,影响钛合金的使用性能。 本课题针对现有钛及钛合金冶炼制备所采用的冷坩埚技术的高消耗高成本的薄弱环节,综合利用理论计算和实验研究两种手段,开展低能耗低成本的钛合金真空感应熔炼的关键技术研究。真空坩埚感应熔炼技术的优点在于利用电磁感应在炉料中产生涡流使其加热和熔化,并通过真空脱氧、杂质元素挥发以及熔体与坩埚作用等一系列物理化学反应,冶炼出化学成分准确且纯洁度高的合金锭。 但真空感应炉熔炼首要前提是必须要有与钛及钛合金熔体不发生化学反应的坩埚材料。而钛是高化学活性金属,在熔融状态下,几乎要与所有已知的耐火材料发生化学反应,如氧化铝、氧化镁等,生成脆性化合物,钛合金熔炼由于其熔体的高度活性成为钛合金制备生产过程中的一个瓶颈。开发新型用于钛合金熔炼用坩埚耐火材料,寻找优质价廉的替代型壳材料是其中的关键技术难题。也是全球钛工业实现“军转民”的突破口。 通过对目前钛合金熔炼用耐火材料的调研和热力学数据的理论分析及前期实验工作结果分析,结果表明,BaZrO3耐火材料作为钛合金熔炼用耐火材料是完全可行的。同时研究了BaZrO3耐火材料粉体的合成工艺及与钛合金熔体界面反应过程建立了Ti-BaZrO3热力学数据库。 开发了一种50～100Kg规格新型耐火材料坩埚的制备工艺。在实验室阶段BaZrO3耐火材料粉体的合成工艺基础上,我们研究了50～100KgBaZrO3耐火材料坩埚的制备工艺。该工艺能够生产出机械稳定性、工艺稳定性和化学稳定性较好的BaZrO3坩埚。在本实验条件下,当热震循环为50次时,剥落面积是全面积的5%左右,坩埚未失效,说明坩埚有长久的使用寿命。 发明了一种高效节能钛合金真空坩埚感应熔炼工艺,采用该工艺钛合金熔炼制备的能耗降低50%,成本降低20%。依据 本项目开发的50～100Kg规格新型耐火材料坩埚,我们依据调研和实验反复摸索,发明了一种配套的高效节能钛合金真空坩埚感应熔炼工艺,采用该工艺制备钛合金可以有效的降低制备过程中的能耗,使能耗仅为传统自耗电弧电极熔炼炉的41%,成本可以降低20%左右; 建设出一条高效节能钛合金真空坩埚感应熔炼技术的中试线。利用本次项目发明的50～100Kg规格新型耐火材料坩埚的制备工艺制备了相应的BaZrO3耐火材料坩埚,结合开发的一种高效节能钛合金真空坩埚感应熔炼工艺,我们在上海大学建设了一条高效节能钛合金真空坩埚感应熔炼技术的中试线,并完成了一系列的中试试验和小批量的企业生产。熔炼制备的TiNi、TiFe和Ti6Al4V等等均满足工业生产要求。 本项目技术成果的实施,不仅将大幅降低钛合金熔炼时的能耗,而且由于强烈的电磁搅拌将大幅提高钛合金的质量,提高成材率,为后续加工提供良好的基础,具有广阔的市场应用前景：仅以能耗为例,2013年我国钛材为45000吨,凝壳炉生产钛材耗电50KW·h/Kg,国内总耗电22.5亿度。若改用本项目技术,按节电50%计算,可节省电力11.25亿度,以工业用电0.8元/度计算,国内就可以节省电费近9亿元。另外成材率可以提高15-20%,钛合金成本降低近5万元/吨,按我国钛合金总产量45000吨计算,可节省人民币近22.5亿元,两项合计,仅国内就节约31.5亿元人民币。