熔煉工藝參數(shù)對Ti6Al4V-0.15B鈦合金化學(xué)成分的影響研究

王高見，康丹丹，劉 麗

(四川西冶新材料股份有限公司，四川 成都 611700)

鈦合金因其具有非常優(yōu)越的物理化學(xué)性能，如高比強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，被認為是在航空航天、軍事、汽車和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的重要高強度結(jié)構(gòu)和功能材料[1]。一直以來，Ti-6Al-4V(以下簡稱TC4)是所有鈦合金中用于發(fā)動機和機身應(yīng)用最普遍的材料。為了實現(xiàn)TC4鈦合金焊接獲得晶粒細化、綜合性能優(yōu)異的焊縫，作者開發(fā)了Ti6Al4V-0.15B合金體系的鈦合金絲材。

Ti6Al4V-0.15B鈦合金絲材的制備工藝路線是冶煉鑄錠→軋制→拉拔→表面清潔→成品。目前，國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)鈦合金絲材普遍存在批次間質(zhì)量不穩(wěn)定問題，追溯其根源與不同批次鈦合金鑄錠冶煉成分的波動存在極大關(guān)系，而成分波動又與熔煉工藝密不可分，因此如何通過熔煉工藝參數(shù)控制實現(xiàn)鈦合金鑄錠成分的精準控制是保障產(chǎn)品性能、質(zhì)量的關(guān)鍵。本文將重點研究熔煉工藝參數(shù)對Ti6Al4V-0.15B鈦合金鑄錠成分的影響規(guī)律，為該鈦合金絲材的工程化生產(chǎn)過程中精準控制鑄錠成分、提高批次質(zhì)量穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 原料及設(shè)備選擇

真空自耗電弧熔煉(VAR)是鈦合金熔煉的主要方法[2-3]，本文選用該方法制備Ti6Al4V-0.15B鈦合金鑄錠，真空熔煉設(shè)備選用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司的真空電弧熔煉爐；選用基礎(chǔ)實驗材料海綿鈦、B2O3、AlV中間合金[4]，通過混料系統(tǒng)使得以上原材料充分混合，由油壓機的壓制壓力讓混合原料壓制出良好的電極塊，之后對電極塊進行真空自耗電弧熔煉成為Ti6Al4V-0.15B鈦合金鑄錠。本文各次試驗所用原材料及其配比相同，熔煉后鑄錠預(yù)計化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為，C≤0.9，O≤0.18，N≤0.05，H≤0.012，F(xiàn)e≤0.2，Al 5.5～7.0，V 3.5～4.5，B 0.1～0.2，Ti余量。

1.2 試驗分析方法

本文采用正交設(shè)計方法進行試驗設(shè)計，采用極差分析方法對正交試驗結(jié)果進行分析。正交設(shè)計法是用正交表安排多因素試驗的方法，其具有完成試驗要求所需的實驗次數(shù)少、數(shù)據(jù)點的分布很均勻、可用相應(yīng)的分析方法對試驗結(jié)果進行分析獲得有價值結(jié)論等特點[5]。極差分析方法是正交試驗結(jié)果分析方法的一種，極差是各列中各個水平對應(yīng)的試驗指標平均值的最大值與最小值之差，在試驗范圍內(nèi)，各列對試驗指標的影響由大到小排列，某一列的極差最大，表示當(dāng)該列的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)變化時，使試驗指標的數(shù)值變化最大[6]。

1.3 研究方案設(shè)計

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、熔煉時間t、磁攪拌電流Ic、磁攪拌時間tc、熔煉次數(shù)n等[7]。由于工藝參數(shù)比較多，為簡化實驗研究內(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三個因素根據(jù)經(jīng)驗取固定值，其他關(guān)鍵工藝參數(shù)作為本文研究對象?；诖?，設(shè)計四因素三水平L9(34)的正交實驗方案[8]，見表1。

表1 真空電弧熔煉L9(34)實驗方案

2 結(jié)果與分析

2.1 鈦合金鑄錠化學(xué)成分結(jié)果

按照GB/T 4698海綿鈦、鈦及鈦合金化學(xué)分析方法，使用ICP痕量元素分析以及手工化學(xué)分析等檢測手段，對鈦合金鑄錠各元素進行檢測分析，分析結(jié)果見表2。

表2 鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.2 各工藝參數(shù)對化學(xué)成分的影響分析

2.2.1 基于極差法的分析

從表3中各試驗結(jié)果的極差可知，對C元素的影響順序為，熔煉電流>熔煉次數(shù)>磁攪拌時間>單次熔煉時間；對Fe元素的影響順序為，熔煉電流>熔煉次數(shù)>單次熔煉時間≈磁攪拌時間；對Al元素的影響順序為，熔煉電流>磁攪拌時間=單次熔煉時間>熔煉次數(shù)；對V元素的影響順序為，單次熔煉時間>熔煉次數(shù)>熔煉電流>磁攪拌時間；對Ti元素的影響順序為，熔煉電流>熔煉次數(shù)>磁攪拌時間=單次熔煉時間；對B元素的影響順序為，熔煉電流>單次熔煉時間>熔煉次數(shù)>磁攪拌時間。從極差值大小來看，C元素受工藝參數(shù)影響最為強烈，尤其是受熔煉電流影響(極差值為0.509)；B元素受各工藝參數(shù)的影響均較小。就各工藝參數(shù)對成分的影響強度來看，影響最大的是熔煉電流對C、Fe、Ti元素的影響。

2.2.2 各工藝參數(shù)的影響分析

從表3中各試驗結(jié)果，進一步分析各熔煉工藝參數(shù)對鈦合金化學(xué)成分各元素成分變化規(guī)律可知：

(1)熔煉電流對成分的影響表現(xiàn)出，C、Fe元素受熔煉電流影響浮動較大，Al、V 元素有輕微影響，Ti、B元素影響浮動較?。浑S著熔煉電流由水平1增加到水平3，C、Fe元素含量先降后升；Al、V元素呈現(xiàn)整體下降趨勢；Ti元素略有下降、B元素幾乎不受影響。

(2)單次熔煉時間對成分的影響表現(xiàn)出，F(xiàn)e元素受單次熔煉時間影響浮動較大，Al、V 元素有輕微影響，C、Ti、B元素影響浮動較?。浑S著單次熔煉時間由水平1增加到水平3，F(xiàn)e元素含量呈現(xiàn)線性下降；Al微量波動范圍內(nèi)先降后升；V元素呈現(xiàn)整體下降趨勢；C、Ti、B元素幾乎不受影響。

(3)磁攪拌時間對成分的影響表現(xiàn)出，C、Fe、Al、V元素受磁攪拌時間影響浮動較大， Ti、B元素影響浮動較??；隨著磁攪拌時間由水平1增加到水平3，C、Fe、Al元素含量呈現(xiàn)整體上升趨勢；V元素呈現(xiàn)整體下降趨勢；Ti、B元素幾乎不受影響。

(4)熔煉次數(shù)對成分的影響表現(xiàn)出，C、Fe元素受熔煉次數(shù)影響浮動較大，Al、V 元素有輕微影響， Ti、B元素影響浮動較小；隨著熔煉次數(shù)由水平1增加到水平3，C、Fe元素含量呈現(xiàn)先升后降低；Al、V元素呈現(xiàn)整體下降趨勢；Ti、B元素幾乎不受影響。

綜上所述，Ti為主要元素，其含量的變化與其他元素的變化相關(guān)，總體來看，熔煉電流對其影響最大；B為微量添加元素，幾乎不受工藝參數(shù)變化的影響。C、Fe元素隨著各工藝參數(shù)浮動較大，尤其是受熔煉電流影響最大，隨著熔煉電流增加會帶來C、Fe的大幅增高；單次熔煉時間及磁攪拌時間會小幅提高C含量、對Fe元素分別小幅降低和提高；熔煉次數(shù)對C、Fe元素波動較大且不成趨勢。Al、V元素隨著各工藝參數(shù)微量變化；除熔煉電流降低Al含量外，其他參數(shù)均使Al小范圍內(nèi)先降后升；V元素受各工藝參數(shù)增加而降低。

3 結(jié)論

(1)Ti6Al4V-0.15B鈦合金熔煉中C、Fe、Al元素受熔煉電流影響較大，隨著熔煉電流的提高，熔池溫度升高、熔體滯留時間延長，鈦合金中高蒸氣壓元素Al的揮發(fā)損失的增加，同時限制了C、Fe的損失而導(dǎo)致Al大幅降低、C、Fe大幅增高；Ti、B受工藝參數(shù)影響??；V元素受各工藝參數(shù)增加而降低。

(2)Ti6Al4V-0.15B冶煉生產(chǎn)中應(yīng)重點控制熔煉電流以確保C、Fe、Al的波動，同時需要在保證成分、組織均勻性前提下固定熔煉次數(shù)，一般控制在3～4次即可；為了控制V元素，應(yīng)盡量控制小的工藝參數(shù)。