張 晉，王永強(qiáng)，戶如意，曹 瑞，李 楠

（新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000）

TA10 是一種耐腐蝕鈦合金，因其良好的塑性和焊接性能而被廣泛應(yīng)用于化工、石油等行業(yè)。目前，大規(guī)格鈦合金鑄錠的鎳元素成分均勻性控制難度大，嚴(yán)重的Ni 富集會(huì)影響后續(xù)加工板材的綜合性能。一方面鎳的凝固分配系數(shù)為0.44[1]，其熔點(diǎn)、密度等與鈦有較大差異；另一方面大規(guī)格鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉的成分控制較為困難。因此，生產(chǎn)大規(guī)格TA10 鈦合金的重難點(diǎn)在于確保Ni 元素的成分均勻性良好。為此，本文通過(guò)采用不同的一次熔煉電流和穩(wěn)弧方式對(duì)大規(guī)格TA10 鈦合金鑄錠Ni 元素控制進(jìn)行研究，以期找到提高大規(guī)格TA10 鑄錠Ni 元素成分均勻性的方法。

1 試驗(yàn)

選用1 級(jí)及以上的海綿鈦、片狀的NiMo30 合金（10＊6＊1mm），按照Ti-0.7Ni-0.3Mo 進(jìn)行配料。經(jīng)混料、壓制、焊接制備出自耗電極。采用不同的熔煉工藝經(jīng)二次真空自耗電弧熔煉制備φ1040mm 的TA10 鑄錠，具體熔煉工藝如表1 所示。對(duì)鑄錠表面縱向頭、中、底取樣，取樣位置如圖1 所示，對(duì)頭、中、尾部表面縱向Ni 化學(xué)成分均勻性最好的鑄錠橫斷面9 點(diǎn)取樣，取樣位置如圖2 所示。

表1 TA10 熔煉工藝

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄錠Ni 均勻性分析

3 根鑄錠Ni 元素成分偏差見(jiàn)表2，縱向頭、中、底三點(diǎn)Ni 含量檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示。

圖1 鑄錠縱向3 點(diǎn)取樣示意圖

圖2 鑄錠橫向9 點(diǎn)取樣示意圖

表2 3 根鑄錠縱向3 點(diǎn)鎳成分偏差/（wt%）

圖3 3 根TA10 成品鑄錠Ni 分布

表3 鑄錠3 頭、中、尾橫截面鎳的分布情況

從 表2 和 圖3 可 以 看 出，鑄 錠1 的Ni 量 為0.592%～0.0.915%，偏差為0.323%，超出了GB/T3620.1-2016中Ni的成分要求（0.6%～0.9%）；鑄錠2的Ni含量為0.644%～0.884%，偏差為0.24%，改善了Ni偏析；鑄錠3的Ni含量為0.685%～0.714%，偏差為0.029%，偏差最小。對(duì)比鑄錠1～3的縱向Ni元素偏差情況，鑄錠3的Ni成分均勻性最好，鑄錠2次之，鑄錠1的Ni成分均勻性最差。

鑄錠3 頭、中、尾橫截面Ni 的分布情況如表3 和圖4 所示，頭部橫截面Ni 元素含量為0.656%～0.844%，最大偏差為0.188%。中部橫截面Ni 元素含量為0.691%～0.806%，最大偏差為0.115%。尾部橫截面面Ni 元素含量為0.663%～0.738%，最大偏差為0.075%。由鑄錠3 頭、中、尾橫截面Ni 成分分布可以看出整個(gè)鑄錠Ni 均勻性好。

圖4 鑄錠3 端面部位Ni 分布

2.2 熔煉工藝參數(shù)對(duì)Ni 均勻性的影響

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[2，3]。其中，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[4]：

式中CS為恒溫下固相溶質(zhì)濃度；CL表示液相溶質(zhì)濃度；為溶質(zhì)平衡分配系數(shù)。由上述公式可以看出，決定結(jié)晶偏析程度大小的是分配系數(shù)K0。

在非平衡凝固的條件下，Ni 元素K0＜1，具有正偏析傾向，固/液界面處形成固體所排出的溶質(zhì)Ni，經(jīng)擴(kuò)散層擴(kuò)散進(jìn)入液相中，造成越靠近后期凝固的固相中溶質(zhì)Ni 含量越高。通過(guò)選擇合理的熔煉工藝參數(shù)可以改變Ni 的分配系數(shù)，使其盡可能接近1，減輕其結(jié)晶偏析的程度。

2.2.1 一次熔煉電流對(duì)Ni 均勻性的影響

熔煉電流決定金屬的熔化速率和熔池溫度，直接影響熔池的形狀、深度以及表面質(zhì)量[1]。

通過(guò)對(duì)比鑄錠1 和鑄錠2 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用較小的一次熔煉電流時(shí)，TA10 鑄錠Ni 成分的均勻性有所改善。

在VAR 中采用較小的一次熔煉電流可以減小熔池深度，使熔池淺平，增大鑄錠凝固速度，抑制了一次熔煉時(shí)Ni向鑄錠頭部富集，使一次錠Ni 偏析得到改善，進(jìn)而得到Ni成分較均勻的成品錠。

2.2.2 穩(wěn)弧方式對(duì)Ni 均勻性的影響

合適的攪拌電流可以使熔池變淺、細(xì)化晶粒、成分均勻化、減輕結(jié)晶偏析[1]。

通過(guò)對(duì)比鑄錠2 和3 的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用交流穩(wěn)弧的方式時(shí)TA10 鑄錠Ni 成分的均勻性良好，有效減小Ni 偏析的傾向。VAR 中鑄錠凝固屬于非平衡凝固，根據(jù)溶質(zhì)有效分配系數(shù)公式[5]：

其中CS＊是固相成分，C0是溶質(zhì)組元原始配比成分，v是固-液界面推進(jìn)速度，DL是液相中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)，δN是擴(kuò)散層。

由上式可知，采用交流穩(wěn)弧熔煉時(shí)攪拌效果比直流弱、液相中對(duì)流強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致熔池偏平，同時(shí)增大δN的厚度，抑制了固/液界面處Ni 元素經(jīng)擴(kuò)散層向液相中的擴(kuò)散，使有效溶質(zhì)分配系數(shù)kE向1 靠近，提高固相中溶質(zhì)的成分CS＊，使TA10 鑄錠中的Ni 元素均勻分布。

3 結(jié)論

通過(guò)選用較小的一次熔煉電流和交流穩(wěn)弧方式，可以有效抑制大規(guī)格TA10 鑄錠中的鎳偏析，對(duì)大規(guī)格TA10 鑄錠的工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。