熔煉工藝參數(shù)對(duì)Ti6Al4V-0.15B鈦合金主成分均勻性的影響研究

劉 麗，康丹丹，王高見(jiàn)

（四川西冶新材料股份有限公司，四川 成都 611700）

1 前言

鈦合金因其具有非常優(yōu)越的物理化學(xué)性能，如高比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，被認(rèn)為是在航空航天、軍事、汽車和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的重要高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)和功能材料[1]。一直以來(lái)，Ti-6Al-4V(以下簡(jiǎn)稱TC4)是所有鈦合金中用于發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身應(yīng)用最普遍的材料。作者開(kāi)發(fā)的Ti6Al4V-0.15B鈦合金絲材用于TC4的焊接及電弧增材制造，能夠獲得晶粒細(xì)化、綜合性能優(yōu)異的熔體金屬。

真空自耗電弧熔煉(VAR)方法是鈦及鈦合金熔煉的主要方法[2-3]，本文使用該方法制備Ti6Al4V-0.15B鈦合金絲材坯料。坯料成分的均勻性直接關(guān)乎絲材成分均勻性，決定著絲材焊接熔體成分均勻性及焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，同時(shí)還會(huì)影響坯料拉拔制絲的生產(chǎn)連續(xù)性[4]。因此掌握熔煉工藝參數(shù)對(duì)Ti6Al4V-0.15B鈦合金坯料成分均勻性的影響規(guī)律對(duì)工程化生產(chǎn)過(guò)程中精準(zhǔn)控制坯料成分及均勻性的重要依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 原料及設(shè)備選擇

選用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)材料海綿鈦、B2O3、AlV中間合金[5]，真空熔煉設(shè)備選用沈陽(yáng)科學(xué)儀器股份有限公司的真空電弧熔煉爐，通過(guò)混料系統(tǒng)使得以上原材料充分混合，由油壓機(jī)的壓制壓力讓混合原料壓制出良好的電極塊，之后對(duì)電極塊進(jìn)行真空自耗電弧熔煉成為T(mén)i6Al4V-0.15B鈦合金鑄錠，其預(yù)計(jì)化學(xué)成分如表1所示。

表1 材料的化學(xué)成分（Wt%）

2.2 研究方案設(shè)計(jì)

影響坯料熔煉的工藝參數(shù)主要有：熔煉前真空度P、充氬壓力P1、熔煉電流I、熔煉時(shí)間t、磁攪拌電流Ic、磁攪拌時(shí)間tc、熔煉次數(shù)n等[6-7]，由于工藝參數(shù)比較多，為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，本文將其中的熔煉前真空度P，充氬壓力P1、磁攪拌電流Ic三個(gè)因素根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取固定值，其他關(guān)鍵工藝參數(shù)作為本文研究對(duì)象。基于此，設(shè)計(jì)四因素三水平L9（34）的正交實(shí)驗(yàn)方案[8]，如表2。

表2 真空電弧熔煉L9（34）實(shí)驗(yàn)方案

3 真空電弧熔煉工藝參數(shù)對(duì)鈦合金鑄錠成分均勻性的影響

3.1 鈦合金鑄錠成分均勻性結(jié)果

通過(guò)SEM+EDS點(diǎn)掃+面掃進(jìn)行分析元素分布均勻性，主要對(duì)于鈦合金的鑄錠的Al、Ti、V的含量進(jìn)行成分含量檢測(cè)，鑄錠成分均勻性測(cè)定區(qū)域示意圖如圖1所示，鑄錠成分均勻性測(cè)定結(jié)果如表3所示。

圖1 鈦合金成分均勻性取樣位置示意圖

表3 鑄錠各區(qū)域成分測(cè)定結(jié)果（%）

T i-0 6全成分 6．5 8 9．4 9 4．0 1區(qū)域1成分 6．6 3 8 9．5 3．8 7區(qū)域2 成分 6．5 6 8 8．9 3 4．5 1區(qū)域3 成分 6．4 1 8 9．6 5 3．9 4區(qū)域4 成分 6．4 4 8 9．2 4 4．3 1 T i-0 7全成分 6．4 8 9．1 4 4．4 6區(qū)域1 成分 6．4 8 8 9．3 7 4．1 5區(qū)域2 成分 6．5 9 8 9．3 4．1 1區(qū)域3 成分 6．3 5 8 9．3 5 4．2 9區(qū)域4 成分 6．3 8 8 9．1 4 4．4 8 T i-0 8全成分 6．4 8 8 9．2 5 4．2 8區(qū)域1 成分 6．3 6 8 9．6 6 3．9 8區(qū)域2 成分 6．3 2 8 9．3 4．3 8區(qū)域3 成分 6．4 2 8 9．1 4 4．4 4區(qū)域4成分 6．4 6 8 9．3 1 4．2 4 T i-0 9全成分 6．6 2 8 9．2 9 4．0 9區(qū)域1成分 6．5 8 9．0 3 4．4 7區(qū)域2成分 6．5 4 8 9．3 6 4．1區(qū)域3 成分 6．5 6 8 9．6 2 3．8 2區(qū)域4 成分 6．5 8 9．3 1 4．1 9

本文采用相對(duì)平均偏差來(lái)反映成分均勻性，相對(duì)平均偏差計(jì)算公式，根據(jù)公式計(jì)算出各試驗(yàn)各成分的相對(duì)平均偏差[9]，如表4。

表4 坯料成分相對(duì)平均偏差（%）

為反映各工藝參數(shù)對(duì)均勻性的影響，對(duì)上述相對(duì)平均偏差結(jié)果進(jìn)行各因素均值并計(jì)算出極差，用，，分別表示第i列因素在第1，2，3水平時(shí)分別對(duì)應(yīng)指標(biāo)所有數(shù)值的平均值，則：=（同一水平試驗(yàn)的指標(biāo)之和）/3。極差是最好水平與最差水平之差，用Ri表示第i列因素對(duì)應(yīng)指標(biāo)的極差值[8-9]，則 ：，計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 坯料成分相對(duì)平均偏差均值及極差（%）

3.2 各工藝參數(shù)對(duì)鈦合金鑄錠成分均勻性的影響分析

從上述成分相對(duì)平均偏差結(jié)果可知，各工藝參數(shù)下的V相對(duì)平均偏差最高，甚至超過(guò)了5%；Ti和Al的相對(duì)平均偏差均在1%以下，較低；可見(jiàn)V元素均勻性不好。從上述極差值可知，V的均勻性受工藝參數(shù)影響較大，其中熔煉電流影響最大；Ti、Al的均勻性受工藝參數(shù)影響不大，較為顯著的影響參數(shù)分別為熔煉電流、熔煉次數(shù)。為了直觀表達(dá)各因素對(duì)指標(biāo)的影響，根據(jù)表5繪制鈦合金化學(xué)成分各元素隨因素水平變化時(shí)的曲線，如圖2所示。

圖2 各成分的偏差均值隨因素水平變化曲線

由圖2(a)可以觀察到：電磁熔煉時(shí)間、磁攪拌時(shí)間、熔煉次數(shù)對(duì)Al相對(duì)平均偏差的影響浮動(dòng)較大，均隨著參數(shù)的提高不同程度的增加Al元素的不均勻程度；熔煉電流對(duì)Al相對(duì)平均偏差影響浮動(dòng)不大。由圖2(b)可以觀察到：熔煉電流對(duì)Ti相對(duì)平均偏差影響浮動(dòng)較大，但隨著熔煉電流提高呈現(xiàn)增加Ti元素不均勻程度的微弱趨勢(shì)，規(guī)律性不強(qiáng)。電磁熔煉時(shí)間、磁攪拌時(shí)間、熔煉次數(shù)對(duì)Ti相對(duì)平均偏差的影響浮動(dòng)較小，幾乎不影響。由圖2(c)可以觀察到：熔煉電流、單次熔煉時(shí)間對(duì)V相對(duì)平均偏差影響浮動(dòng)較大，但隨著熔煉電流、單次熔煉時(shí)間提高呈現(xiàn)增加V元素不均勻程度的微弱趨勢(shì)。磁攪拌時(shí)間、熔煉次數(shù)對(duì)Ti相對(duì)平均偏差的影響浮動(dòng)較小，呈現(xiàn)能輕微降低V元素不均勻程度的規(guī)律。因此，冶煉生產(chǎn)中，應(yīng)重點(diǎn)控制熔煉電流、單次熔煉時(shí)間對(duì)V元素不均勻程度的影響，為了提高V元素均勻性應(yīng)適當(dāng)降低熔煉電流、單次熔煉時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）各工藝參數(shù)下的V元素成分不均勻性最高，Ti和Al元素的不均勻性很低；V元素的均勻性受工藝參數(shù)影響較大，其中熔煉電流影響最大；Ti、Al的均勻性受工藝參數(shù)影響不大，較為顯著的影響參數(shù)分別為熔煉電流、熔煉次數(shù)。

（2）冶煉生產(chǎn)中，應(yīng)重點(diǎn)控制熔煉電流、單次熔煉時(shí)間對(duì)V元素不均勻程度的影響，為了提高V元素均勻性應(yīng)適當(dāng)降低熔煉電流、單次熔煉時(shí)間。