低成本制備Ti-3Al-2V合金精密鑄件的可行性研究

趙瑞斌，張　亮，王　紅，趙軼群，王紅紅

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京　100095)

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低成本制備Ti-3Al-2V合金精密鑄件的可行性研究

趙瑞斌，張亮，王紅，趙軼群，王紅紅

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100095)

用精密鑄造方法制備的形狀復(fù)雜的Ti-3Al-2V合金零部件綜合性能良好。為進(jìn)一步降低Ti-3Al-2V合金精密鑄件成本，采用3種不同的原料(①海綿鈦、鋁釩中間合金、純鋁絲和鋁箔，②回收的Ti-3Al-2V合金料，③回收的Ti-6Al-4V合金、純鈦料)，分別經(jīng)真空自耗電弧爐熔煉、真空凝殼爐重熔、離心澆注等工序得到Ti-3Al-2V合金精密鑄件，并分析了鑄件的化學(xué)成分，測(cè)試了鑄件的室溫拉伸性能。結(jié)果表明，3種不同原料制備的精密鑄件，其化學(xué)成分和退火后的室溫拉伸性能均能滿足客戶要求；如果控制好回收料的處理工序，合理地使用回收料，可進(jìn)一步降低Ti-3Al-2V合金精密鑄件的成本,有望在汽車(chē)、高鐵等許多民用領(lǐng)域替代鋼材而得到廣泛應(yīng)用。

Ti-3Al-2V合金；鑄造鈦合金；回收料；力學(xué)性能

0　引　言

Ti-3Al-2V合金是在廣泛應(yīng)用的Ti-6Al-4V合金基礎(chǔ)上，通過(guò)降低Al、V合金化元素而得到的俗稱半TC4鈦合金。與Ti-6Al-4V合金相比，具有中等強(qiáng)度和更好的塑性，而焊接性能和加工性能更優(yōu)[1-2]。由于Ti-3Al-2V合金的合金化元素含量低和加工性能得到改善，使合金的原料成本和材料的加工成本大幅度降低，因此在一些民用領(lǐng)域有替代Ti-6Al-4V合金的潛力。最初被用于制作飛機(jī)管路系統(tǒng)，也有用于運(yùn)動(dòng)器材的[3]，例如用于制作自行車(chē)架。國(guó)外已大量用于制作電動(dòng)工具的耐沖擊零部件(見(jiàn)圖1)。目前，我國(guó)鈦工業(yè)正處在“高產(chǎn)能、低需求、嚴(yán)環(huán)保、微利潤(rùn)”的困難期，要走出困境，唯一的出路就是降低使用成本，擴(kuò)大應(yīng)用。近凈成形鈦合金復(fù)雜零部件可使材料的利用率提至近100%，同時(shí)大幅度降低零部件的加工成本，這是降低鈦合金使用成本，擴(kuò)大其應(yīng)用的重要途徑之一。北京百慕航材高科技股份有限公司與我國(guó)某企業(yè)聯(lián)合研制了用于高鐵機(jī)車(chē)的鈦合金精密鑄件。每一節(jié)車(chē)廂有鋼鑄件12件，每件鋼鑄件的質(zhì)量為120 kg，如果整列機(jī)車(chē)全部使用鈦合金精鑄件，可使車(chē)體大幅度減重，降低能耗，提高車(chē)速。為了進(jìn)一步降低高鐵機(jī)車(chē)用的鈦合金精密鑄件的成本，北京百慕航材高科技股份有限公司根據(jù)用戶對(duì)精密鑄件化學(xué)成分和室溫拉伸性的要求(見(jiàn)表1)，進(jìn)行了回收料制備Ti-3Al-2V合金精密鑄件的可行性研究，以期進(jìn)一步降低Ti-3Al-2V合金精密鑄件制造成本，能夠在高鐵機(jī)車(chē)上推廣應(yīng)用。

圖1　電動(dòng)工具用Ti-3Al-2V合金鑄件Fig.1　Ti-3Al-2V castings for electric tool

Table 1　　　　The user requirements for the chemical composition and room temperature tensile properties of Ti-3Al-2V alloy casting

1　實(shí)　驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用3種不同的原料：①1級(jí)海綿鈦、鋁釩中間合金AlV55以及純鋁絲、鋁箔，按用戶要求配制Ti-3Al-2V合金料，經(jīng)電極壓制以及一次真空自耗電弧熔煉，得到Ti-3Al-2V新料鑄錠；②回收的Ti-3Al-2V合金的冒口和澆道，經(jīng)打磨、酸洗處理，組合焊接為電極，再經(jīng)真空自耗電弧熔煉得到Ti-3Al-2V合金鑄錠；③回收的Ti-6Al-4V合金和工業(yè)純鈦的冒口、澆道，經(jīng)打磨、酸洗處理，按所需合金比例對(duì)接組焊成電極，經(jīng)真空自耗電弧熔煉得到Ti-3Al-2V合金鑄錠。這3種鑄錠作為電極，經(jīng)真空凝殼爐重熔、離心澆注得到Ti-3Al-2V合金鑄件以及附鑄試棒。在試棒上取屑樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。試棒經(jīng)真空去應(yīng)力退火(700 ℃×2 h)后，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，測(cè)試其室溫拉伸性能。

2　結(jié)果與分析

2.1新料鑄件的化學(xué)成分及室溫拉伸性能

先期小爐試驗(yàn)配制了目標(biāo)名義成分為T(mén)i-3.2Al-2.1V合金料，采用真空自耗電弧熔煉制備了小型新料合金鑄錠。鑄錠再經(jīng)重熔后離心澆注得到鑄件，其化學(xué)成分和室溫拉伸性能見(jiàn)表2、3。由表2可見(jiàn)，鑄件基本達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)成分，同時(shí)也滿足用戶的成分要求。但是，鑄件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度平均值分別為626、554 MPa，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限700、600 MPa，而塑性富裕量較大(見(jiàn)表3)。因此，必須增加合金元素含量以提高其強(qiáng)度。

表2新料澆注的Ti-3.2Al-2.1V合金鑄件化學(xué)成分(w/%)

Table 2　　　　Chemical composition of Ti-3.2Al-2.1V alloy castings with fresh material

表3新料澆注的Ti-3.2Al-2.1V合金鑄件室溫拉伸性能

Table 3　　　　Room temperature tensile properties of Ti-3.2Al-2.1V alloy castings with fresh material

在鑄造鈦合金中，Al是最重要的金屬?gòu)?qiáng)化元素，對(duì)材料強(qiáng)度貢獻(xiàn)作用明顯。由于用戶要求的Al元素含量上限為4.5%，而此次鑄造合金中Al含量為3.16%，還有很大的調(diào)整空間，而且添加廉價(jià)元素Al有利于降低材料成本，并且可降低合金密度，增加合金流動(dòng)性，提高鑄造性能。因此，進(jìn)一步試制了名義成分為T(mén)i-4.2Al-2.1V的合金鑄錠，再經(jīng)真空凝殼爐重熔、離心澆鑄得到鑄件，其成分和室溫拉伸性能見(jiàn)表4、5。

表4合金元素含量調(diào)整后鑄件的化學(xué)成分(w/%)

Table 4　Chemical composition of castings after adjusting

表5合金元素含量調(diào)整后鑄件的室溫拉伸性能

Table 5　　　　Room temperature tensile properties of castings after adjusting

由表5可見(jiàn)， Al含量增加1%后，鑄件的室溫抗拉強(qiáng)度平均增加了約100 MPa，強(qiáng)度提升效果顯著，同時(shí)塑性指標(biāo)雖略有下降，但最低仍在12%以上，保持了較好的塑性。通過(guò)調(diào)整合金化學(xué)成分，使鑄件的拉伸性能滿足了用戶要求。

2.2同牌號(hào)回收料鑄件的化學(xué)成分及室溫拉伸性能

使用鑄件回收料是降低昂貴金屬鑄件生產(chǎn)成本的重要手段之一?；厥樟翔T錠的O、N含量若滿足要求，便可投入澆注鑄造使用。一般情況下，冒口、澆道的回收率在80%以上。使用回收料澆注的鑄件化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表6、7。

表6　同牌號(hào)回收料鑄件的化學(xué)成分(w/%)

表7　同牌號(hào)回收料鑄件的室溫拉伸性能

由表6可見(jiàn)，用同牌號(hào)回收料澆注的鑄件，主元素Al、V含量基本保持不變，F(xiàn)e含量變化不明顯，C含量略有增加，氣體雜質(zhì)含量增加明顯，其中N含量(0.024%)比新料增加了60%，O含量增加了42%，且O含量更接近標(biāo)準(zhǔn)上限。這主要是由于在多次焊接、真空熔煉和澆注鑄造過(guò)程中，空氣中的O、N元素進(jìn)入合金，導(dǎo)致O、N含量增加。因此，必須控制好切割、清理等回收工序的清潔度以及熔煉、澆注過(guò)程的真空度，確保O、N含量保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

由表7可見(jiàn)，同牌號(hào)回收料鑄件的平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 MPa，比使用新料的強(qiáng)度(表5)增加了50 MPa，接近HB 5447—1990標(biāo)準(zhǔn)中Ti-6Al-4V合金鑄件強(qiáng)度的下限。強(qiáng)度的增加主要是由于O、N元素含量增加，延伸率和斷面收縮率等塑性指標(biāo)依然保持較高的水平。

2.3混合牌號(hào)回收料鑄件的化學(xué)成分及室溫拉伸性能

Ti-6Al-4V合金和工業(yè)純鈦鑄件使用十分廣泛，生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量相應(yīng)牌號(hào)的回收料。由于Ti-3Al-2V合金和Ti-6Al-4V合金在成分上存在比例關(guān)系，可以將Ti-6Al-4V和工業(yè)純鈦回收料按一定比例搭配熔煉Ti-3Al-2V合金，為降低該合金鑄件生產(chǎn)成本提供了一條有效途徑。

Ti-6Al-4V合金回收料的Al含量平均為6.5%，V含量平均為3.7%，通過(guò)計(jì)算其與工業(yè)純鈦按質(zhì)量比1.4∶1搭配，得到的Ti-3Al-2V合金理論成分為T(mén)i-3.8Al-2.16V，符合標(biāo)準(zhǔn)要求?；旌吓铺?hào)回收料鑄件的化學(xué)成分和室溫拉伸性能見(jiàn)表8、9。

表8　混合牌號(hào)回收料鑄件的化學(xué)成分(w/%)

表9　混合牌號(hào)回收料鑄件的室溫拉伸性能

從表8可以看出，使用混合回收料澆注的鑄件，Al、V含量均處于成分標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，V含量較為穩(wěn)定，Al含量平均值較理論計(jì)算值偏低，這可能與Ti-6Al-4V回收料中Al燒損有關(guān)。O、N含量和表6中回收料的含量相當(dāng)，均未超出用戶成分要求的上限。

從表9可以看出，混合牌號(hào)回收料鑄件的室溫拉伸強(qiáng)度因O、N含量上升而較高，和表7中的回收料鑄件強(qiáng)度(808 MPa)相當(dāng)，個(gè)別爐號(hào)的延伸率雖偏低但仍然高于標(biāo)準(zhǔn)下限7%的要求?？傮w來(lái)看，使用混合牌號(hào)回收料澆注的鑄件，其化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3　結(jié)　論

3種不同原料制備的精密鑄件，其化學(xué)成分和退火后的室溫拉伸性能均能滿足客戶要求。如果控

制好回收料的處理工序，合理地使用回收料，可進(jìn)一步降低Ti-3Al-2V合金精密鑄件的成本,有望在汽車(chē)、高鐵等許多民用領(lǐng)域替代鋼材而得到廣泛應(yīng)用。

[1]齊元昊，楊亞社.Ti-3Al-2.5V合金管材的組織與性能[J].特種鑄造及有色合金，2011，31(11)：1062-1065.

[2]楊英麗，張樹(shù)啟,張鵬省,等.Ti-3Al-2.5V合金的熱穩(wěn)定性研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2000,17(5):33-35.

[3]黃伯云，李成功，石利開(kāi)，等.有色金屬材料工程：上冊(cè)[M]//中國(guó)材料工程大典：第4卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Study on Feasibility of Low Cost Ti-3Al-2V Alloy Precision Casting

Zhao Ruibin，Zhang Liang，Wang Hong，Zhao Yiqun，Wang Honghong

(BAIMTEC Material Co.,Ltd.，Beijing 100095,China)

The comprehensive performance of precision cast Ti-3Al-2V alloy parts with complex shape is good.In order to further reduce the cost of castings, three kinds of raw materials (①titanium sponge, Al-V master alloy, and pure aluminium wire and foil, ②recycled Ti-3Al-2V alloy, and ③ recycled Ti-6Al-4V alloy and recycled commercial pure titanium) were vacuum consumable arc furnace melted, then vacuum skull furnace remelted and centrifugal cast to produce Ti-3Al-2V alloy precision castings. The chemical composition and mechanical properties at room temperature of the castings were tested. Results show that, the chemical composition and tensile properties at room temperature of three kinds of castings can meet the requirements. If well control the process of the recycled material and reasonably use the material, the cost of Ti-3Al-2V alloy precision castings can be further reduced. And the castings are expected to replace steel and widely used in automotive and high-speed rail and other civil fields.

Ti-3Al-2V alloy;cast titanium alloy;recycled material; mechanical properties

2015-11-26

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA030703)

趙瑞斌(1974—)，男，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)01-0015-04