Φ1040mm規格TA15鈦合金鑄錠生產工藝研究

史瑩瑩，劉釗，陳峰，鄭亞波，毛玲玲

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鈦合金以其低密度、高的比強度、耐腐蝕性以及可焊接性等優異的性能在航空航天、生物醫學、船舶制造等領域得到了廣泛的應用。TA15是蘇聯在20世紀60年代初研制的近α型鈦合金，它的名義化學成分是Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，兼有α型和(α+β)型鈦合金的優點，具有良好的熱穩定性，長時間工作溫度可達500℃。同時TA15鈦合金的焊接性和工藝塑性良好，可制成板材、棒材、鍛件等多種規格產品，廣泛應用于飛機發動機及機身結構件［1］。

隨著鈦工業的發展，大型構件成為先進飛機設計制造的重要發展方向。為保證后期加工時棒坯、板坯足夠的變形量，應生產大規格鈦合金鑄錠，然而，隨著鑄錠尺寸的增大，化學成分均勻性控制難度也相應增大。本研究采用真空自耗電弧爐熔煉技術，依托MeltFlow-VAR軟件優化工藝參數，結合原料的選取、中間合金添加方式的控制等，生產出成分及組織相對均勻的高質量大規格TA15鈦合金鑄錠。

1 實驗

1.1 工藝路線

海綿鈦 挑料 配料 混料壓制電極塊 電極焊接 VAR三次熔煉 成品錠處理、取樣、化學成分分析。

1.2 實驗過程

本實驗是在Φ940mm規格鑄錠生產的基礎上，采用設定的工藝流程試生產Φ1040mm規格TA15鈦合金鑄錠2個。

圖1 鑄錠縱向5點取樣示意圖

2 結果與討論

2.1 鑄錠化學成分均勻性分析

鑄錠表面縱向頭、上、中、下、底5個位置取樣分析Al、Mo、V、Zr、Fe、N、C、O，1#鑄錠距頭、底兩端20mm處橫斷面上各取13個試樣分析主合金元素Al、Mo、V、Zr。鑄錠縱向5點取樣示意圖見圖1。橫向13點取樣示意圖見圖2。

圖2 鑄錠橫向13點取樣示意圖

表1 鑄錠縱向5點成分偏差（wt%）

圖3 1#錠縱向5點主元素統計結果

圖4 2#錠縱向5點主元素統計結果

鑄錠的主元素及雜質元素成分偏差見表1，其主元素化學成分分布趨勢見圖3、圖4。

從表1及圖3、圖4可以看出，本次試驗鑄錠化學成分偏差較小，鑄錠中合金元素含量波動不大于0.2%，其中高熔點元素Mo的偏差不大于0.1%，鑄錠的成分均勻性較好，滿足預期目標。

1#錠頭、底橫斷面13點主元素成分偏差見表2，主元素化學成分分布趨勢見圖5、圖6。

由圖5、圖6可以看出：鑄錠橫向主元素成分偏差較小。其中頭、底Al、Mo、V元素偏差不大于0.1%，Zr元素偏差不大于0.2%，鑄錠橫向成分均勻性良好。

2.2 合金化方式對鑄錠成分均勻性的影響

TA15鈦合金Mo元素為高熔點合金元素，熔點為2622±10℃，密度為10.22g/cm3（20℃時），與鈦的熔點和密度差別較大，若以純金屬加入會導致鑄錠出現Mo偏析，鑄錠成分不均勻。

表2 鑄錠橫向13點成分偏差（wt%）

圖5 頭部主元素統計結果

圖6 底部主元素統計結果

為確保鑄錠成分的均勻性，減小成分偏析，本次試驗選用與鈦熔點及密度較接近的Al-Mo、Al-V等中間合金，有效提高了各元素的合金化和均勻化效果，通過選擇優質海綿鈦等原料，以及單塊電極混料、壓制來提高合金元素在自耗電極中原始分布的均勻性，均對保證鑄錠最終化學成分的均勻性和純凈度十分有效。中間合金物理性質見下表3。

總體來看，本次生產的兩個10t級的TA15鈦合金鑄錠中的主合金元素成分偏差較小，各雜質元素含量較低，滿足標準要求，鑄錠的成分均勻性較好。從而表明本次生產所選原料及工藝相對合理。

表3 中間合金物理性質

2.3 熔煉工藝參數對鑄錠成分均勻性及冶金質量的影響

TA15鈦合金中含有高熔點元素Mo，大規格鑄錠成分均勻性控制難度大，工程化批量生產中，工藝參數及過程控制不合理，很容易導致鑄錠的成分及組織均勻性不能滿足后期的加工要求，影響產品質量。

據文獻資料統計，在真空自耗電弧爐熔煉條件下，鑄錠化學成分不均勻的原因有：每瞬間加入熔池的合金組元不均勻、合金組元氣化和沉積、合金組元結晶偏析等[4-5]。上述因素最難克服的是結晶偏析。按照結晶偏析經典理論公式[6]∶

式中C為結晶時每瞬間溶質組元濃度；C0為溶質組元原始配比濃度；ξ為已結晶部分體積百分比；K為溶質組元分布系數。由上述公式可以看出，決定結晶偏析程度大小的是分布系數K。

TA15鈦合金中所含Al、V元素的分配系數K＜1，具有正偏析傾向，Mo元素分配系數K＞1，具有負偏析傾向，Zr元素為中性元素。但在熔化過程中分配系數K并不是恒定不變的，而是隨著工藝條件的變化而變化，選擇最佳熔煉工藝參數的目的就在于改變合金元素的分配系數，使其盡量接近于1。按照凝固條件對K值的影響，結合TA15鈦合金特點，本次試驗采用與TC4鈦合金熔煉工藝相當的高熔化速率，并結合其它工藝參數的控制，如攪拌磁場強度、爐內真空度、冷卻強度等，在保證鑄錠冶金質量的前提下，盡可能降低熔池深度，使熔池形狀盡量扁平，從而達到控制熔池深度及形狀的目的，有效降低合金元素的偏析程度。

本次試生產前采用計算機仿真模擬軟件MeltFlow-VAR對預先設定的熔煉工藝參數進行了模擬及優化，最終模擬結果見圖7、圖8。從圖7不同熔煉階段熔池深度的變化可以看出，在起弧階段，由于熔化的液態金屬較少，加之坩堝底部的激冷效果，使得金屬液進入坩堝后迅速凝固。隨著熔煉的進行，靠近坩堝底部的金屬液先凝固，從而減弱了坩堝底部的散熱，逐漸形成了扁平的“U形”熔池，隨著熔煉的進行，鑄錠逐漸增高，在冷卻水的作用下，坩堝底部的熱量散失逐漸降低，當熔煉至一定程度時，通過坩堝壁散出的熱量仍然小于電弧產生的熱量和液態金屬凝固放出的熱量，由于熱量的積累使得熔池加深。隨著熔煉的繼續進行，鑄錠的有效散熱面積增大，由于熔煉電流的持續降低，通過擴散、輻射以及對流傳熱所損失的熱量逐漸大于鑄錠吸收的熱量，其熔池深度持續降低，一直到熔化結束，最終在鑄錠頭部形成冒口。其熔煉過程中熔池的最大深度為1.1m左右，熔煉結束后縮孔深度為0.1m左右，鑄錠實測值為0.095m，與模擬結果基本吻合。在穩弧磁場的攪拌作用下形成的熔池比較飽滿，熔池形狀呈現拋物線形狀，如果熔煉速度過大，熔池深度會增加，熔池底部變尖，從而導致兩相區過大，以及中心區溫度過高，這樣會增加形成偏折的概率。因此，為了獲得冶金質量良好的鑄錠，必須嚴格控制熔池深度，以較少因熔池深度變化對鑄錠造成的影響。

圖7 不同時刻溫度場的分布趨勢

圖8 主合金元素分布云圖

圖9 板材低倍組織

表4 板材室溫力學性能

表5 標準要求

圖10 板材高倍組織

在熔煉過程中，合金元素的偏析行為是評價熔煉質量的一個重要因素。液態金屬的凝固過程都是在一定的溫度范圍內完成的，由于固態物質擴散很慢，造成溶質在凝固過程中的重新分配，形成偏折。

Mo元素分配系數K＞l，在熔煉過程中呈現較強的負偏析性趨勢，會使合金元素沿著柱狀晶之間的“渠道”向外層富集。正常熔煉階段，熔池呈現“V形”，鑄錠邊部的冷卻強度大，其結晶方向基本上指向鑄錠中心，因此Mo元素向鑄錠邊部富集，從而導致合金元素在徑向的化學成分偏差遠大于軸向化學成分偏差。圖8為合金元素的成分分布，從圖中可以看出，合金元素的分布均勻性良好，其中易偏析合金元素Mo呈現出底部高、上部低，中心低、邊部高的特點，其分布特點符合元素的偏析規律。

3 試驗錠板材檢驗

對本次試驗錠執行相關推薦的熱處理制度，鍛制成45mm板材。通過對板材的低倍和高倍組織的檢驗，均沒有發現高、低密度夾雜，成分偏析等冶金缺陷，圖9為低倍照片，圖10為高倍照片。對兩鑄錠頭、底部位分別制備兩組試樣測試室溫力學性能，測試結果均滿足標準要求，結果見表4，標準要求見表5。

4 結論

1）合理控制原料、熔煉工藝參數、合金化方式等可以有效控制鑄錠成分均勻性；

2）采用本次試驗制定的生產工藝制度可以生產出滿足標準要求的高質量TA15鈦合金板材用鑄錠。