真空自耗熔煉TC11鈦合金成分均勻性影響因素

王穎慧,單戟,程碧華,張大勇（遵義播宇鈦材有限責(zé)任公司,貴州遵義563004）

真空自耗熔煉TC11鈦合金成分均勻性影響因素

王穎慧,單戟,程碧華,張大勇
（遵義播宇鈦材有限責(zé)任公司,貴州遵義563004）

摘要：本文采用真空自耗電極熔煉TC11合金鑄錠。分析討論了鑄錠成分均勻性的影響因素。結(jié)果表明：原材料合金添加劑的選擇、鑄錠的冷卻過程控制和熔煉關(guān)鍵電參數(shù)控制是影響合金成分均勻的重要因素。

關(guān)鍵詞：TC11鈦合金；真空自耗；化學(xué)成分；影響因素

1引言

鈦及鈦合金因比強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好，耐腐蝕及無磁性等優(yōu)異的性能而被賦予“太空金屬”，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工和民用等領(lǐng)域[1]。TC11合金是一種綜合性能良好的α+β型鈦合金，在500℃以下有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，并且具有較高的室溫強(qiáng)度。該合金是一種熱強(qiáng)型鈦合金，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用作壓氣機(jī)等重要部件[2]，TC11鈦合金材料成分是否均勻，關(guān)系到材料應(yīng)用的安全性。試驗(yàn)采用真空熔煉的方法熔煉TC11合金，對影響合金成分均勻分布的因素進(jìn)行分析，探究關(guān)鍵工藝參數(shù)，確保合金成分均勻。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)方法

國產(chǎn)TC11合金的名義化學(xué)成分為：Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，根據(jù)化學(xué)成分，雜質(zhì)元素O、N、H的含量與基體海綿鈦化學(xué)成分有關(guān)外，F(xiàn)e和C的含量以及TC11合金中的鋁、鉬、鋯、硅的含量均能進(jìn)行人為控制。實(shí)驗(yàn)材料為優(yōu)質(zhì)0A級小粒度海綿鈦，鋁-硅合金、鋁-鉬合金和海綿鋯。

工藝流程為：海綿鈦→壓制電極（加入合金添加劑）→電極組焊→一、二次熔煉→成分分析→合格鑄錠

2.2測試

用碳硫分析儀分析鑄錠中的碳、硅含量；用氮?dú)溲趼?lián)合測定儀分析鑄錠中氮、氫、氧的含量；等離子體發(fā)射光譜儀分析鑄錠中鐵、鋁、鉬、鋯元素的含量。

3結(jié)果與討論

3.1原料成分選擇

TC11合金中各組分的物理性質(zhì)：鋁的密度2.7g/cm3，熔點(diǎn)為660℃，硅的密度為2.33g/cm3，熔點(diǎn)為1410℃，鉬的密度為10.2g/ cm3，熔點(diǎn)為2610℃。若以純金屬形式加入鋁、鉬、硅，則TC11合金容易產(chǎn)生高熔點(diǎn)、高密度夾雜和偏析。為克服偏析以及不熔雜質(zhì)在熔煉過程中帶來的冶金缺陷，需要選擇密度、熔化潛熱與海綿鈦接近的鋁-鉬和鋁-硅中間合金作為添加劑。

合金添加劑和基體海綿鈦粒度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，基體海綿鈦選擇小粒度產(chǎn)品，而鋁-鉬、鋁-硅和金屬鋯粒的顆粒也需細(xì)小，使各個(gè)組元在電極塊壓制過程中盡量均勻分布。

3.2鑄錠冷卻過程控制

真空熔煉是一個(gè)熔化與冷卻結(jié)晶同步進(jìn)行的連續(xù)的過程，須控制適當(dāng)?shù)睦鋮s水流量和溫度，冷卻速度過快，導(dǎo)致熔滴落入熔池后不能與之充分的結(jié)合變凝固，會(huì)導(dǎo)致液態(tài)鈦不能在攪拌的作用下到達(dá)坩堝壁開始凝固，進(jìn)而使海綿鈦中存在的氣體和夾雜不能溢出。

冷卻水流量大小及進(jìn)出水溫差大小需要根據(jù)鑄錠的凝固情況調(diào)節(jié)控制，以獲得成分均勻、不偏析的合金。實(shí)驗(yàn)中，通過進(jìn)出水流量計(jì)的調(diào)控，調(diào)節(jié)熔鑄過程中冷卻水流量大小，流量大，冷卻水進(jìn)出速度快，帶走熱量相對大，冷卻速度就快，通過進(jìn)出水流量控制，進(jìn)而控制進(jìn)出水溫度，使鑄錠凝固過程得到控制。

3.3熔煉電參數(shù)控制

穩(wěn)弧線圈對熔池具有一定攪拌作用，使成品鑄錠表面均勻。熔池?cái)嚢枋谦@得良好的結(jié)晶組織以利于鍛造加工的基礎(chǔ)。線圈的電流連續(xù)不斷地沿著一個(gè)方向流動(dòng)，凝固時(shí)，晶粒會(huì)在某一方向優(yōu)先長大，對鍛造不利。實(shí)際中，可每隔幾秒將直流電極性轉(zhuǎn)換，補(bǔ)償熔池固有的旋轉(zhuǎn)[2]。使兩相的熔融金屬在穩(wěn)弧電流的攪拌下，充分混合均勻。

若要得到內(nèi)外質(zhì)量都好的成品錠，還須滿足其它條件，包括最佳的電參數(shù)，最佳的坩堝比等。真空自耗熔煉TC11的重要參數(shù)有電壓、電流、真空度和熔煉速度等。特別是電流，如電流過低，則熔池太淺，熔池溫度較低，導(dǎo)致自耗電極中海綿鈦及合金添加劑熔化不充分，在穩(wěn)弧電流磁場力作用下快速移向熔池邊緣或漂浮于熔融鈦液表面，在熔煉結(jié)束后埋于鑄錠端部形成縮孔或夾雜。因此，熔煉時(shí)通過調(diào)節(jié)穩(wěn)弧電流，使熔池充分?jǐn)嚢瑁ＷC產(chǎn)品質(zhì)量行之有效的辦法。

3.4TC11合金的化學(xué)成分分析

合金鑄錠在真空度為5Pa以內(nèi)，熔煉電流為18KA～20KA，電壓為35V，穩(wěn)弧電流為10A的條件下，合金鑄錠的不同部位成分分析見表1。

表1TC11鑄錠的元素及含量

由TC11鈦合金錠的上部、中部、下部的成分理化分析結(jié)果可見，真空自耗熔煉TC11鈦合金鑄錠成分中的鋁、鉬、鋯、硅合金元素分布均勻。

4結(jié)論

（1）原料合金添加劑的選擇，需密度、比熱容、熔化潛熱與基體金屬接近。

（2）鑄錠冷卻及穩(wěn)弧電流方向的參數(shù)控制，是鑄錠均勻性關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙冰洋.海綿鈦國內(nèi)外市場現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].輕金屬,2007(08):44-48.

[2]氧、鐵、氮等雜質(zhì)元素對TC11合金等溫鍛件性能的影響[J].上海鋼研,2004(02):33-3.