張 晉，呂華江，曹 瑞，周文敏，王婷婷

（新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000）

Ti-1300F鈦合金為新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司自主研發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型鈦合金，是一種新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Fe系亞穩(wěn)態(tài)β型高強(qiáng)高韌鈦合金[1]。此合金按照多元強(qiáng)化和β鈦合金設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)，鋁當(dāng)量5.0、鉬當(dāng)量13.973。β穩(wěn)定系數(shù)Kβ為1.613，符合亞穩(wěn)態(tài)β型鈦合金β穩(wěn)定系數(shù)的范圍要求（1.5

1 工藝分析與設(shè)計(jì)

Ti-1300F鈦 合 金 主 要 成 分Ti-（3.5%-5%）Al-（4.0%-6.0%）Mo-（4.5%-6.0%）Cr-（2.5%-4.0）%V-（0.6%-1.5%）Fe[1]，可以看出其合金含量高，且含有低熔點(diǎn)易揮發(fā)組元鋁，高密度高熔點(diǎn)組元鉬，易偏析組元鐵。采用真空自耗電弧爐熔煉Ti-1300F鈦合金時(shí)，要保證產(chǎn)品的質(zhì)量滿足使用要求，就要求鑄錠中各組元的化學(xué)成分均勻性好，無(wú)夾雜及偏析缺陷。所以就需要根據(jù)成分特性選擇合適的中間合金、電極壓制成型方式、熔煉參數(shù)等來(lái)確保最終成品鑄錠的質(zhì)量。

Mo作為高熔點(diǎn)的金屬，熔點(diǎn)2620℃，在VAR熔煉過(guò)程中容易產(chǎn)生高密度夾雜，主要是由于在自耗電極熔煉時(shí)，電極末端溫度低于鉬的熔點(diǎn)，而電極上夾帶的高熔點(diǎn)金屬和化合物便以固態(tài)掉入熔池，并且由于過(guò)熱度和合金化有限，所以棒材和鍛件中常常產(chǎn)生富集或不熔塊缺陷[4]。所以鉬元素在電極制備過(guò)程中不能以單質(zhì)形式加入，應(yīng)以低熔點(diǎn)的中間合金方式加入。綜合分析后決定使用AlMo60中間合金，熔點(diǎn)1550℃，密度5.11左右[5]，不管是密度還是熔點(diǎn)都與鈦相近，可以有效防止鉬元素產(chǎn)生高密度夾雜。

鋁元素熔點(diǎn)低，在熔煉溫度下其飽和蒸氣壓大，所以在VAR熔煉過(guò)程中易揮發(fā)損失[6]，熔煉過(guò)程易產(chǎn)生軸向偏析，且鑄錠規(guī)格越大其徑向偏析也越嚴(yán)重。

對(duì)于揮發(fā)損失可以根據(jù)預(yù)定估算損失量，對(duì)鋁元素的配比值略高于配料值來(lái)彌補(bǔ)揮發(fā)損失，對(duì)于偏析問(wèn)題可以通過(guò)控制VAR熔煉的熔速、冷卻水溫、穩(wěn)弧等參數(shù)削弱偏析程度，使其成分均勻。

鐵元素在正常VAR生產(chǎn)中偏析程度較大，因?yàn)楦鶕?jù)溶質(zhì)再分配原理，鐵元素在以鈦為基體的熔液中平衡分配常數(shù)K0=0.3[4]，所以在溶液順序凝固過(guò)程中，鐵元素會(huì)向液相富集，這就造成了鐵元素的偏析。改善鐵元素的偏析問(wèn)題，首先鐵元素以中間合金的方式加入，可以有效改善其偏析情況，此鈦合金生產(chǎn)選用鈦鐵合金加入鐵元素，另外通過(guò)改善VAR熔煉的工藝參數(shù)，可使其成分更加均勻。

釩元素雖然在VAR熔煉過(guò)程中沒(méi)有揮發(fā)或者偏析，但是Ti-1300F鈦合金中合金元素質(zhì)量占比高達(dá)18%，當(dāng)中間合金加入過(guò)多時(shí)，自耗電極的致密度和強(qiáng)度會(huì)受到影響，在壓制電極塊過(guò)程中和自耗電極熔煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生斷裂事故，所以應(yīng)該控制中間合金的加入比例，同時(shí)通過(guò)加大壓制壓力和增加自耗電極焊接強(qiáng)度，來(lái)避免掉料和斷裂事故的發(fā)生。所以次試驗(yàn)中通過(guò)選用AlV85中間合金來(lái)加入釩元素。

鉻元素穩(wěn)定β相能力強(qiáng)，是高強(qiáng)亞穩(wěn)定β型鈦合金的主要添加劑[7]。鉻在熔煉過(guò)程中偏析程度小，因?yàn)槠涿芏群腿蹮捄外佅嗖畈淮?，所以Ti-1300F中鉻元素通過(guò)金屬鉻加入。

每次熔煉后對(duì)熔煉電極做調(diào)頭處理，再進(jìn)行下一次熔煉，這是目前VAR中常用的削弱元素偏析的方法，再結(jié)合熔煉參數(shù)的控制，就可以生產(chǎn)出成分均勻、質(zhì)量合格的直徑Ф650mmTi-1300F鈦合金鑄錠。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 原料

本實(shí)驗(yàn)鑄錠采用新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司自產(chǎn)的高品質(zhì)0級(jí)及以上的粒度0.83mm～12.7mm海綿鈦為主要原料，中間合金選用國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)廠商生產(chǎn)的鋁豆、AlV85、AlMo60、金屬鉻、鈦鐵、二氧化鈦等，設(shè)計(jì)投料重量2000kg。

2.2 電極制備

試驗(yàn)采用全自動(dòng)配混料系統(tǒng)，8000t油壓機(jī)，以及真空等離子焊箱生產(chǎn)直徑Ф400mm的自耗電極。Ti-1300F中合金元素占比大，所以在配料時(shí)加入中間合金量多，為使海綿鈦與中間合金充分均勻混合，并且保證電極塊的質(zhì)量，所以本試驗(yàn)延長(zhǎng)了原料的混料時(shí)間，降低單塊電極重量，并增大油壓機(jī)的壓制壓力，電極塊的壓制壓力比壓制TC4電極塊的壓制壓力增加了1000t左右。使得壓制出的電極塊成型良好，無(wú)掉料、裂紋等情況發(fā)生。壓制完成后采用真空等離子焊箱進(jìn)行焊接，為防止熔煉過(guò)程掉料或斷裂，增加電極縱向焊縫的焊接數(shù)量到10道。

2.3 熔煉工藝

為了保證成品鑄錠成分的均勻性，本試驗(yàn)采用三次VAR真空自耗電弧爐熔煉，第一次熔煉去除揮發(fā)性物質(zhì)和氣體并使鑄錠初步合金化、均勻化。一次鑄錠平頭處理后掉頭進(jìn)行第二次熔煉，使合金成分分布均勻。二次鑄錠平頭處理后掉頭進(jìn)行第三次熔煉，使合金獲得更好的組織成分均勻性。最總得到成品直徑為Ф650mm的Ti-1300F鈦合金鑄錠，三次VAR熔煉工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 VAR熔煉主要工藝參數(shù)

2.4 扒皮取樣

完成熔煉過(guò)程后，先通體扒皮5mm，去除表面氧化皮后，按如圖1（a）鑄錠縱向錠身三點(diǎn)取樣示意圖所示取樣，進(jìn)行元素Al、Mo、V、Cr、Fe、O、C、N、H的檢測(cè)。利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探查鑄錠頭部縮孔位置，切除冒口，切除錠底20mm左右后，對(duì)鑄錠進(jìn)行橫向中分處理，然后按照?qǐng)D1（b）鑄錠頭中底橫向橫截面九點(diǎn)取樣示意圖取樣，進(jìn)行元素Al、Mo、V、Cr、Fe的檢測(cè)。

圖1 鑄錠縱向及橫向取樣示意圖

圖2 錠身縱向三點(diǎn)元素含量分布

圖3 鑄錠頭中底橫向九點(diǎn)元素含量分布

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中自耗電極的壓制和焊接、熔煉均未發(fā)生掉料或斷裂事故，說(shuō)明此試驗(yàn)的合金選擇和壓制參數(shù)選擇、焊接工藝均滿足Ti-1300F鈦合金自耗電極生產(chǎn)的致密度和強(qiáng)度要求，保證熔煉質(zhì)量和安全。如圖2和圖3分別為此鑄錠錠身縱向三點(diǎn)元素含量分布圖以及頭中底橫截面九點(diǎn)元素含量分布圖，由圖2和圖3可看出鑄錠的各元素縱向和橫向成分均勻性良好，易偏析元素Al、Mo、Fe成分無(wú)巨大波動(dòng)，且均在成分要求范圍之內(nèi)，說(shuō)明此試驗(yàn)的各項(xiàng)工藝選擇能滿足Ti-1300F鈦合金的成分均勻性要求。

3 結(jié)論

（1）Ti-1300F鈦合金中，Mo元素以AlMo60中間合金加入、釩元素以AlV85中間合金加入、鐵元素以鈦鐵中間合金加入、鉻元素以金屬鉻單質(zhì)形式加入，通過(guò)減輕單塊電極重量、增大壓制壓力、增加焊接焊縫道數(shù)方式，生產(chǎn)出致密度和強(qiáng)度良好的Ti-1300F自耗電極。

（2）通過(guò)控制熔煉過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)三次VAR生產(chǎn)的Ф650mm、重2噸的Ti-1300F鈦合金鑄錠化學(xué)成分均勻、元素波動(dòng)范圍小，符合合金設(shè)計(jì)元素的相關(guān)要求。