電子束冷床(EB)爐熔煉TC4合金組織與性能研究

唐增輝，辛社偉，洪 權(quán)，毛小南，張志斌，周 偉，李 倩，杜 彬，周 武

(1.青海聚能鈦業(yè)股份有限公司，青海 西寧 810007)(2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前 言

先進(jìn)的飛機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命及可靠性提出了越來越高的要求。成分均勻且無夾雜的高品質(zhì)鈦合金鑄錠是制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵鈦合金部件首先要解決的問題。長期的研究及應(yīng)用結(jié)果表明，真空自耗電弧多次熔煉不能徹底去除夾雜并保證成分均勻性，在合金制備過程中容易出現(xiàn)夾雜、偏析等冶金缺陷。因此，打破傳統(tǒng)鈦合金的熔煉制備方法，制備高品質(zhì)鑄錠是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金需要解決的首要問題。為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金鑄錠的冶金質(zhì)量，國外優(yōu)先選用冷床爐熔煉+真空自耗電弧重熔的工藝[1]。我國雖然在冷床熔煉裝備方面引進(jìn)了多臺(tái)電子束冷床熔煉爐(EB爐)，但目前主要用于殘鈦的回收和純鈦的熔煉。在冷床爐熔煉過程中，如何控制不同合金元素的揮發(fā)從而保障最終合金成分的精確性一直是制約冷床爐制備復(fù)雜鈦合金鑄錠的關(guān)鍵。近年來，由于EB熔煉爐的普及，越來越多的技術(shù)人員關(guān)注冷床爐制備鈦合金，特別是應(yīng)用最為廣泛的TC4合金。國內(nèi)外相關(guān)科研人員應(yīng)用各種方法研究熔煉過程中Al元素的揮發(fā)和精確控制[2-5]，但目前的研究僅局限于EB爐熔煉TC4合金鑄錠成分均勻性的研究，沒有關(guān)于冷床爐制備TC4合金后續(xù)加工的報(bào)道。實(shí)踐證明，由于冷床爐熔煉的先進(jìn)性，其制備的鑄錠在后期的加工中必然展示不同的屬性，研究結(jié)果將進(jìn)一步揭示冷床爐熔煉的優(yōu)勢(shì)并為制定相關(guān)冷床爐加工產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)提供重要的數(shù)據(jù)參考。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本文的TC4合金鑄錠是在青海聚能鈦業(yè)股份有限公司的BMO-1EB爐上進(jìn)行熔煉，設(shè)備的結(jié)晶器橫截面尺寸為1350 mm×255 mm，鑄錠最大長度可達(dá)4000 mm。在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分考慮Al元素?zé)龘p與工藝

參數(shù)關(guān)系，選擇合適配比的Al-58V中間合金、鋁豆和一級(jí)海綿鈦為原料，壓制電極，一次熔煉制備合金鑄錠。為了實(shí)現(xiàn)鑄錠的鐓拔處理，制備的TC4合金扁錠尺寸如圖1所示，其中箭頭方向?yàn)榻Y(jié)晶方向。先對(duì)該鑄錠不同結(jié)晶面進(jìn)行多點(diǎn)取樣，分析主元素Al和V的成分穩(wěn)定性情況。然后將該TC4扁錠按照?qǐng)D1所示分為3份，分別命名為#1、#2和#3。其中#1樣品用作直接拔長試驗(yàn)，#2樣品進(jìn)行鐓拔試驗(yàn)，#3樣品用來進(jìn)行板材制備，3種樣品的拔長和軋制方向都和圖1箭頭所示的結(jié)晶方向一致。不同樣品具體形變工藝和階段取樣方法如表1所示。3種樣品按照表1所示方法在不同鍛造階段取樣后，力學(xué)性能和組織分析分別選擇鍛態(tài)(R態(tài))，退火態(tài)(M態(tài))和固溶+時(shí)效態(tài)(STA)，退火和固溶+時(shí)效的具體工藝為：750 ℃/2 h + AC(M)；900 ℃/1.5 h + WQ+550 ℃/6 h + AC(STA)。通過以上測(cè)試和分析，研究不同變形量和不同變形方式對(duì)EB爐一次熔煉TC4合金組織和力學(xué)性能的影響。

圖1 EB爐一次熔煉制備的扁錠尺寸及樣品切割方法Fig.1 The size of EB TC4 ingot and cut mark method

Size(mm)StageⅠ(mid-processingstate)StageⅡ(final-processingstate)Note#1#2#3243×325×262243×650×262Drawingoutfortwoheating：drawingoutat1150℃fromblankto□150mm×L，thendrawingoutat950℃from□150mm×Lto□80mm×L，totaldeformationof90%，sampling．Workingforfourheating：upsettinganddrawingat1150℃forthreetimes；thenupsettinganddrawingat1050℃fortwotimes；thenupsettinganddrawingat1050℃fortwotimes；thenupsettinganddrawingat950℃to□80mm×L，totaldeformationof480%，sam?pling．Workingat1150℃fromblanktoδ70mm，thenrollingat950℃fromδ70mmtoδ15mm，sampling．Drawingoutat950℃from□80mmto□45mm，thenrollingat900℃from□45mmtoΦ11mm，sampling．Rollingat930℃fromδ15mmtoδ6mm，sampling．Singledraw?ingoutUpsettinganddrawingRollingplate

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 鑄錠化學(xué)成分均勻性分析

由于Al元素的熔點(diǎn)低，和Ti，V元素熔點(diǎn)差別大，EB爐生產(chǎn)TC4合金主要難點(diǎn)在于Al元素在熔煉過程中揮發(fā)損失和控制問題，其與Al元素的加入方式、熔煉工藝參數(shù)控制和電子槍的排布、穩(wěn)定性直接相關(guān)。要想獲得成分精確均勻的TC4合金鑄錠，前期需要大量的試驗(yàn)。本文TC4扁錠熔煉正是在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過前期的多次熔煉試驗(yàn)，獲得了Al元素的燒損率與工藝參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此關(guān)系的指導(dǎo)下進(jìn)行合金的配比和熔煉，對(duì)所制備的扁錠進(jìn)行如圖2所示取樣，其中A面為最開始結(jié)晶的底面，B面為最后結(jié)晶面，S面和X面為扁錠的兩個(gè)側(cè)面，分別對(duì)A面和B進(jìn)行5點(diǎn)取樣，對(duì)S面和X面進(jìn)行9點(diǎn)取樣，不同面Al，V元素的分析結(jié)果如圖3所示，可以看到，無論是Al元素，還是V元素，都距目標(biāo)值有一定的波動(dòng)，并且這種波動(dòng)在不同面不同位置總體沒有什么規(guī)律，相對(duì)而言，V元素的波動(dòng)較Al元素小，這是因?yàn)閂元素的加入都是以中間合金形式加入，且其和Ti元素熔點(diǎn)差別小，所以在EB爐熔煉過程中，V元素成分的控制技術(shù)難度不大。圖3顯示除X面位置“2”處Al元素較目標(biāo)值(6 wt%)有較大差別外，其余點(diǎn)Al元素含量波動(dòng)范圍不大，整體Al元素含量波動(dòng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TC4合金的成分要求。證明從技術(shù)角度考慮，國內(nèi)已經(jīng)掌握了EB爐熔煉工藝參數(shù)對(duì)TC4合金Al，V元素成分均勻性的影響規(guī)律，可以通過一次熔煉制備出滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的合格工業(yè)化TC4扁錠。

圖2 鑄錠取樣位置Fig.2 Sampling points

圖3 EB爐一次制備TC4合金扁錠不同部位元素分析Fig.3 Elementary analysis of EB TC4 alloy at different points

3.2 合金中間態(tài)組織與性能

表2顯示#1、#2、#3樣品在中間態(tài)(表1中所述)的力學(xué)性能。從表2力學(xué)性能來看，對(duì)于軋制態(tài)(R)和退火態(tài)(M)，用EB爐制備的TC4合金對(duì)形變工藝并不敏感，無論是直拔試驗(yàn)、鐓拔試驗(yàn)還是軋板試驗(yàn)，合金最終力學(xué)性能相差不大。而對(duì)于STA狀態(tài)，鐓拔狀態(tài)的強(qiáng)度明顯優(yōu)于直拔狀態(tài)，同時(shí)延伸率沒有變化。相對(duì)于直拔和鐓拔狀態(tài)，軋板狀態(tài)下合金延伸率和強(qiáng)度同時(shí)降低。

圖4為3種樣品中間態(tài)的顯微組織?？梢钥吹剑辖鹬卑魏鬄槠瑢咏M織(圖4a)，部分位置為一致排列的α片層，部分位置為編織的網(wǎng)籃α片層，α片層較細(xì)，退火和固溶+時(shí)效處理后組織狀態(tài)幾乎沒有變化。實(shí)際#1樣品第二火是在雙態(tài)區(qū)鍛造(950 ℃，表1所示)，但由于變形量小，沒有破碎α片層，形成這種具有編織狀α片層與一致排列α片層的混合組織狀態(tài)。但相對(duì)于傳統(tǒng)圓柱鑄錠同樣形變狀態(tài)下，EB爐熔煉的TC4合金的α片層尺寸明顯較小，這體現(xiàn)了EB爐一次制備TC4合金鑄錠的優(yōu)勢(shì)，具有細(xì)化α片層的作用。#2樣品由于進(jìn)行了鐓拔處理，原始鑄錠的α片層得到明顯碎化，形成了傳統(tǒng)意義上的雙態(tài)組織(圖4 d)，退火和固溶+時(shí)效處理傳承了鍛態(tài)的組織形態(tài)(圖4e, 4f)，只是由于變形量還不夠充分，部分初生α顯示短棒狀。從上述力學(xué)性能分析可知，經(jīng)過充分變形的雙態(tài)組織和直拔后片層組織在R態(tài)和M態(tài)的力學(xué)性能相似，這可能是由于#1狀態(tài)α片層較細(xì)，形成的是一種編織和一致排列的混合組織，這也是EB爐制備鑄錠優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)。而固溶+時(shí)效后#2樣品強(qiáng)度優(yōu)于#1是由于雙態(tài)組織更有利于合金的時(shí)效析出強(qiáng)化，最終形成的是一種混合組織，對(duì)應(yīng)最好的強(qiáng)塑性匹配。圖4g～4i顯示#3樣品直接軋制成 的δ15 mm板材的組織，由于軋板前為EB爐的鑄態(tài)組織，軋制后原始凝固組織的β晶界仍然存在，并沿軋制方向被拉長，在原始β晶界內(nèi)呈現(xiàn)集束排列的α片層，整個(gè)組織和#1、#2的鍛態(tài)組織差別顯著。從傳統(tǒng)的對(duì)組織均勻性要求來看，該組織為不均勻組織，其原始β晶界沒有得到破碎，完整存在，并且晶界區(qū)域的組織和晶內(nèi)差別顯著，將影響合金的超聲波探傷力學(xué)性能。然而從力學(xué)性能結(jié)果來看(表2)，這種組織狀態(tài)并不影響合金在鍛態(tài)和退火態(tài)性能，只是影響合金STA狀態(tài)的性能。

表2 中間態(tài)樣品的性能

從以上分析來看，對(duì)EB爐制備的TC4合金鑄錠，當(dāng)要求交貨狀態(tài)是鍛態(tài)和退火態(tài)時(shí)，合金性能對(duì)形變工藝和組織狀態(tài)并不敏感，無論樣品是經(jīng)過簡(jiǎn)單的直拔獲得片層組織、鐓拔獲得雙態(tài)組織還是直接軋制獲得原始晶界尚未破碎的粗大組織，合金強(qiáng)度和塑性差別不大，都具有良好的室溫性能。

圖4 合金中間態(tài)不同處理狀態(tài)下的顯微組織：(a) #1 R, (b) #1 M, (c) #1 STA; (d) #2 R, (e) #2 M, (f) #2 STA; (g) #3 R, (h) #3 M, (i) #3 STAFig.4 The microstructures of mid-working processing after different treatments:(a) #1 R, (b) #1 M, (c) #1 STA; (d) #2 R, (e) #2 M, (f) #2 STA; (g) #3 R,(h) #3 M, (i) #3 STA

3.3 合金終態(tài)組織與性能

對(duì)#1、#2和#3樣品繼續(xù)加工，軋制成Φ11 mm的小棒和δ5 mm的薄板，不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能如表3所示?？梢钥吹剑瑢?duì)于R態(tài)和M態(tài)，#2樣品強(qiáng)度明顯優(yōu)于#1樣品，延伸率相差不大。#3樣品強(qiáng)度和#2相差不大，但延伸率降低。這和前文中間態(tài)樣品的力學(xué)性能趨勢(shì)明顯不同。對(duì)于STA態(tài)，#2樣品在延伸率相似的情況下強(qiáng)度仍然優(yōu)于#1，但#3樣品強(qiáng)度和延伸率都明顯降低。圖5是#1、#2、#3樣品終態(tài)不同熱處理?xiàng)l件下顯微組織。可以看到，當(dāng)樣品被軋制成Φ11 mm的小棒時(shí)，#1和#2樣品在R、M和STA狀態(tài)下組織幾乎完全相同，都呈細(xì)小的等軸組織。#3樣品由于進(jìn)行了較大的軋制變形，也呈現(xiàn)一種細(xì)小、扭曲的片層組織結(jié)構(gòu)?？傮w來說，相對(duì)于中間態(tài)的組織和力學(xué)性能，隨著變形量的增大，3種樣品顯微組織差異減小，但力學(xué)性能的差異卻在增大。

表3 合金終態(tài)樣品性能

Note：“-”means no test properties because the samples are non-statistical samples.

4 討 論

工藝決定組織結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)決定力學(xué)性能，這是金屬材料的一般規(guī)律。但是對(duì)于本文用EB爐制備的TC4合金，所呈現(xiàn)出的結(jié)果似乎和該規(guī)律相悖。從組織和力學(xué)性能來看，中間態(tài)合金組織差異顯著，但力學(xué)性能卻相差不大，隨著變形的深入，組織的差異性減小，特別是直拔和鐓拔樣品，組織幾乎相同，但力學(xué)性能的差異卻在增大。這種有悖于常規(guī)鈦合金加工規(guī)律的原因，目前尚不清楚。這可能與EB爐熔煉鑄錠所特有的性質(zhì)相關(guān)，需要進(jìn)一步確認(rèn)。本試驗(yàn)在進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，還發(fā)現(xiàn)在相同狀態(tài)下，不同試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性好，強(qiáng)度偏差不超過10 MPa，延伸率偏差不超過1.5%，這種穩(wěn)定性是傳統(tǒng)真空自耗電弧熔煉制備TC4合金不具備的。因此，從本試驗(yàn)的結(jié)果看，EB爐制備的TC4合金鑄錠具有其顯著的特點(diǎn)。對(duì)于EB爐制備的鈦合金鑄錠，應(yīng)該有與之匹配的加工工藝和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不能照搬傳統(tǒng)的工藝方法和標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)于簡(jiǎn)單的三元TC4合金，EB爐已經(jīng)體現(xiàn)出性能穩(wěn)定性的巨大優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)應(yīng)加大研究力度，開發(fā)多元鈦合金EB熔煉技術(shù)，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金，應(yīng)盡快開展EB爐制備技術(shù)的相關(guān)研究，為合金應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性提供保障。

5 結(jié) 論

(1)采用EB爐一次熔煉制備TC4合金工業(yè)扁錠，成分均勻性滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，表明國內(nèi)已經(jīng)完全掌握EB爐制備工業(yè)TC4合金扁錠的成分控制技術(shù)。

(2)對(duì)于EB制備的TC4扁錠，在加工的初期和中期，不同變形方式和變形量對(duì)合金組織影響顯著，但力學(xué)性能差別不大。隨著變形的繼續(xù)深入，組織差異性減小，但性能差異性增大。

(3)用EB爐制備TC4合金鑄錠后期加工和性能展示諸多不同于常規(guī)TC4鈦合金的規(guī)律，這些與EB爐熔煉的性質(zhì)相關(guān)。

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