史瑩瑩，劉釗，陳峰，鄭亞波，毛玲玲

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鈦合金以其低密度、高的比強(qiáng)度、耐腐蝕性以及可焊接性等優(yōu)異的性能在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、船舶制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。TA15是蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代初研制的近α型鈦合金，它的名義化學(xué)成分是Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，兼有α型和(α+β)型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的熱穩(wěn)定性，長時間工作溫度可達(dá)500℃。同時TA15鈦合金的焊接性和工藝塑性良好，可制成板材、棒材、鍛件等多種規(guī)格產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)及機(jī)身結(jié)構(gòu)件［1］。

隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，大型構(gòu)件成為先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的重要發(fā)展方向。為保證后期加工時棒坯、板坯足夠的變形量，應(yīng)生產(chǎn)大規(guī)格鈦合金鑄錠，然而，隨著鑄錠尺寸的增大，化學(xué)成分均勻性控制難度也相應(yīng)增大。本研究采用真空自耗電弧爐熔煉技術(shù)，依托MeltFlow-VAR軟件優(yōu)化工藝參數(shù)，結(jié)合原料的選取、中間合金添加方式的控制等，生產(chǎn)出成分及組織相對均勻的高質(zhì)量大規(guī)格TA15鈦合金鑄錠。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工藝路線

海綿鈦 挑料 配料 混料壓制電極塊 電極焊接 VAR三次熔煉 成品錠處理、取樣、化學(xué)成分分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)是在Φ940mm規(guī)格鑄錠生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，采用設(shè)定的工藝流程試生產(chǎn)Φ1040mm規(guī)格TA15鈦合金鑄錠2個。

圖1 鑄錠縱向5點(diǎn)取樣示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄錠化學(xué)成分均勻性分析

鑄錠表面縱向頭、上、中、下、底5個位置取樣分析Al、Mo、V、Zr、Fe、N、C、O，1#鑄錠距頭、底兩端20mm處橫斷面上各取13個試樣分析主合金元素Al、Mo、V、Zr。鑄錠縱向5點(diǎn)取樣示意圖見圖1。橫向13點(diǎn)取樣示意圖見圖2。

圖2 鑄錠橫向13點(diǎn)取樣示意圖

表1 鑄錠縱向5點(diǎn)成分偏差（wt%）

圖3 1#錠縱向5點(diǎn)主元素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4 2#錠縱向5點(diǎn)主元素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

鑄錠的主元素及雜質(zhì)元素成分偏差見表1，其主元素化學(xué)成分分布趨勢見圖3、圖4。

從表1及圖3、圖4可以看出，本次試驗(yàn)鑄錠化學(xué)成分偏差較小，鑄錠中合金元素含量波動不大于0.2%，其中高熔點(diǎn)元素Mo的偏差不大于0.1%，鑄錠的成分均勻性較好，滿足預(yù)期目標(biāo)。

1#錠頭、底橫斷面13點(diǎn)主元素成分偏差見表2，主元素化學(xué)成分分布趨勢見圖5、圖6。

由圖5、圖6可以看出：鑄錠橫向主元素成分偏差較小。其中頭、底Al、Mo、V元素偏差不大于0.1%，Zr元素偏差不大于0.2%，鑄錠橫向成分均勻性良好。

2.2 合金化方式對鑄錠成分均勻性的影響

TA15鈦合金Mo元素為高熔點(diǎn)合金元素，熔點(diǎn)為2622±10℃，密度為10.22g/cm3（20℃時），與鈦的熔點(diǎn)和密度差別較大，若以純金屬加入會導(dǎo)致鑄錠出現(xiàn)Mo偏析，鑄錠成分不均勻。

表2 鑄錠橫向13點(diǎn)成分偏差（wt%）

圖5 頭部主元素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 底部主元素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為確保鑄錠成分的均勻性，減小成分偏析，本次試驗(yàn)選用與鈦熔點(diǎn)及密度較接近的Al-Mo、Al-V等中間合金，有效提高了各元素的合金化和均勻化效果，通過選擇優(yōu)質(zhì)海綿鈦等原料，以及單塊電極混料、壓制來提高合金元素在自耗電極中原始分布的均勻性，均對保證鑄錠最終化學(xué)成分的均勻性和純凈度十分有效。中間合金物理性質(zhì)見下表3。

總體來看，本次生產(chǎn)的兩個10t級的TA15鈦合金鑄錠中的主合金元素成分偏差較小，各雜質(zhì)元素含量較低，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鑄錠的成分均勻性較好。從而表明本次生產(chǎn)所選原料及工藝相對合理。

表3 中間合金物理性質(zhì)

2.3 熔煉工藝參數(shù)對鑄錠成分均勻性及冶金質(zhì)量的影響

TA15鈦合金中含有高熔點(diǎn)元素Mo，大規(guī)格鑄錠成分均勻性控制難度大，工程化批量生產(chǎn)中，工藝參數(shù)及過程控制不合理，很容易導(dǎo)致鑄錠的成分及組織均勻性不能滿足后期的加工要求，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

據(jù)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)，在真空自耗電弧爐熔煉條件下，鑄錠化學(xué)成分不均勻的原因有：每瞬間加入熔池的合金組元不均勻、合金組元?dú)饣统练e、合金組元結(jié)晶偏析等[4-5]。上述因素最難克服的是結(jié)晶偏析。按照結(jié)晶偏析經(jīng)典理論公式[6]∶

式中C為結(jié)晶時每瞬間溶質(zhì)組元濃度；C0為溶質(zhì)組元原始配比濃度；ξ為已結(jié)晶部分體積百分比；K為溶質(zhì)組元分布系數(shù)。由上述公式可以看出，決定結(jié)晶偏析程度大小的是分布系數(shù)K。

TA15鈦合金中所含Al、V元素的分配系數(shù)K＜1，具有正偏析傾向，Mo元素分配系數(shù)K＞1，具有負(fù)偏析傾向，Zr元素為中性元素。但在熔化過程中分配系數(shù)K并不是恒定不變的，而是隨著工藝條件的變化而變化，選擇最佳熔煉工藝參數(shù)的目的就在于改變合金元素的分配系數(shù)，使其盡量接近于1。按照凝固條件對K值的影響，結(jié)合TA15鈦合金特點(diǎn)，本次試驗(yàn)采用與TC4鈦合金熔煉工藝相當(dāng)?shù)母呷刍俾?，并結(jié)合其它工藝參數(shù)的控制，如攪拌磁場強(qiáng)度、爐內(nèi)真空度、冷卻強(qiáng)度等，在保證鑄錠冶金質(zhì)量的前提下，盡可能降低熔池深度，使熔池形狀盡量扁平，從而達(dá)到控制熔池深度及形狀的目的，有效降低合金元素的偏析程度。

本次試生產(chǎn)前采用計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件MeltFlow-VAR對預(yù)先設(shè)定的熔煉工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬及優(yōu)化，最終模擬結(jié)果見圖7、圖8。從圖7不同熔煉階段熔池深度的變化可以看出，在起弧階段，由于熔化的液態(tài)金屬較少，加之坩堝底部的激冷效果，使得金屬液進(jìn)入坩堝后迅速凝固。隨著熔煉的進(jìn)行，靠近坩堝底部的金屬液先凝固，從而減弱了坩堝底部的散熱，逐漸形成了扁平的“U形”熔池，隨著熔煉的進(jìn)行，鑄錠逐漸增高，在冷卻水的作用下，坩堝底部的熱量散失逐漸降低，當(dāng)熔煉至一定程度時，通過坩堝壁散出的熱量仍然小于電弧產(chǎn)生的熱量和液態(tài)金屬凝固放出的熱量，由于熱量的積累使得熔池加深。隨著熔煉的繼續(xù)進(jìn)行，鑄錠的有效散熱面積增大，由于熔煉電流的持續(xù)降低，通過擴(kuò)散、輻射以及對流傳熱所損失的熱量逐漸大于鑄錠吸收的熱量，其熔池深度持續(xù)降低，一直到熔化結(jié)束，最終在鑄錠頭部形成冒口。其熔煉過程中熔池的最大深度為1.1m左右，熔煉結(jié)束后縮孔深度為0.1m左右，鑄錠實(shí)測值為0.095m，與模擬結(jié)果基本吻合。在穩(wěn)弧磁場的攪拌作用下形成的熔池比較飽滿，熔池形狀呈現(xiàn)拋物線形狀，如果熔煉速度過大，熔池深度會增加，熔池底部變尖，從而導(dǎo)致兩相區(qū)過大，以及中心區(qū)溫度過高，這樣會增加形成偏折的概率。因此，為了獲得冶金質(zhì)量良好的鑄錠，必須嚴(yán)格控制熔池深度，以較少因熔池深度變化對鑄錠造成的影響。

圖7 不同時刻溫度場的分布趨勢

圖8 主合金元素分布云圖

圖9 板材低倍組織

表4 板材室溫力學(xué)性能

表5 標(biāo)準(zhǔn)要求

圖10 板材高倍組織

在熔煉過程中，合金元素的偏析行為是評價熔煉質(zhì)量的一個重要因素。液態(tài)金屬的凝固過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)完成的，由于固態(tài)物質(zhì)擴(kuò)散很慢，造成溶質(zhì)在凝固過程中的重新分配，形成偏折。

Mo元素分配系數(shù)K＞l，在熔煉過程中呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)偏析性趨勢，會使合金元素沿著柱狀晶之間的“渠道”向外層富集。正常熔煉階段，熔池呈現(xiàn)“V形”，鑄錠邊部的冷卻強(qiáng)度大，其結(jié)晶方向基本上指向鑄錠中心，因此Mo元素向鑄錠邊部富集，從而導(dǎo)致合金元素在徑向的化學(xué)成分偏差遠(yuǎn)大于軸向化學(xué)成分偏差。圖8為合金元素的成分分布，從圖中可以看出，合金元素的分布均勻性良好，其中易偏析合金元素Mo呈現(xiàn)出底部高、上部低，中心低、邊部高的特點(diǎn)，其分布特點(diǎn)符合元素的偏析規(guī)律。

3 試驗(yàn)錠板材檢驗(yàn)

對本次試驗(yàn)錠執(zhí)行相關(guān)推薦的熱處理制度，鍛制成45mm板材。通過對板材的低倍和高倍組織的檢驗(yàn)，均沒有發(fā)現(xiàn)高、低密度夾雜，成分偏析等冶金缺陷，圖9為低倍照片，圖10為高倍照片。對兩鑄錠頭、底部位分別制備兩組試樣測試室溫力學(xué)性能，測試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果見表4，標(biāo)準(zhǔn)要求見表5。

4 結(jié)論

1）合理控制原料、熔煉工藝參數(shù)、合金化方式等可以有效控制鑄錠成分均勻性；

2）采用本次試驗(yàn)制定的生產(chǎn)工藝制度可以生產(chǎn)出滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的高質(zhì)量TA15鈦合金板材用鑄錠。