關于鈦及鈦合金鑄件化學成分優化研究

代思偉，代湘龍

（1.陜西華西鈦業有限公司，陜西 寶雞 721013；2.寶雞市華西工貿有限公司，陜西 寶雞 721199）

鈦是我國金屬鑄件市場上常用的金屬原料之一。傳統鈦鑄件大多與鎳、鉻等金屬組成鈦合金，不僅價格昂貴，顏色、硬度、抗腐蝕性效果等均不理想，且鎳、鉻等元素對人體具有輕微危害，因此被逐漸淘汰。此外，鈦合金鑄件的導熱性能也弱于一般金屬合金鑄件，其導熱性系數僅為鋁合金的17分之1，因為其優越的物理性，鈦合金鑄件已經成為我國金屬鑄件市場應用最廣泛的原料，而提高其物理性，使之可以不斷應用新的領域，也是鈦合金研究人員所面對的最大挑戰。目前雖然國內鈦合金研究學者已經通過在鈦金屬中添加如Zr、Mo、Nb、Ta等金屬的方式提高鈦合金鑄件的金屬硬度，但是上述金屬造成了鑄件成本大幅提高，其實際應用價值并不理想，如何減少貴重金屬含量，且能有效提高鈦合金鑄件物理性及使用壽命，這就需要對其進行元素優化。對此研究將純鈦元素添加β元素Mo、Nb、Fe、Mn等有益化學元素，制作新型鈦合金鑄件，通過模擬仿真，測試其物理性。同時采用可以有效提高元素計算可靠性的BP算法，研究各金屬化學元素對鈦合金鑄件的影響，提出鈦合金鑄件優化方法[1]。

1 鈦合金鑄件優化方法設計

1.1 鈦合金鑄件化學參數影響分析

因為Zr、Mo、Nb、Ta等金屬化學元素的成本較高，所以采用Fe和Mn作為添加元素[2]。因為Fe元素的加入很有可能引起鈦元素金屬材料本身腐蝕性脆弱問題，所以需要根據上述元素對鈦合金β相的臨界值濃度，各元素質量分數如表1所示。

表1 元素方法設計

將1級海綿鈦、電解錳、工業級純鉻粉，以及各元素按照不同的添加比例采用真空環境下，自豪電機烘爐熔煉設備制造不同成分的上述金屬鈦合金，再利用數控線性切割機床統一切割成邊長為7毫米的鈦合金金屬試樣，最后利用NHD顯微硬度測量測試其硬度。利用HDV恒電儀測試其電力弱化曲線，陽極曲線再根據電流三點法測算其電流密度，其測試人工模擬體液配比為：

表2 體液化學配比圖

驗證結果顯示，制備的鈦合金壓縮強度明顯比鈦合金金屬強度更優秀。鉻合金腐蝕性明顯增強。為了實現最優配比，需要僅以科學計算元素質量參數。

1.2 BP神經網絡結構算法設計

為了綜合研究各元素配比，需要引入邏輯數學領域的BP神經網絡結構算法。將需要研究的鈦合金鑄件金屬元素看做是一個整體研究系統，將FE、MO、Mn、Nb、Zr、Ti等化學元素作為其質量分數，所獲取的輸出分數即為材料硬度參數，從而獲取一個自己映射。采用人工神經網絡誤差的逆向傳遞規則，可以設計其映射規律。設計的BP網絡結構算法共設置了五個傳輸節點，輸出端設置一個網絡節點和兩個輸出隱層，第一層輸出神經元設計為7個，第二層為5個。利用隱函數作為輸出層，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 神經元結構層示意圖

將各金屬參數作為輸入量，需要神經網絡理論直接帶入第一隱層，ns為量子間隔量，θv為量子間隔，其中v值取1到ns之間的正整數，其大小的選擇與鈦合金金屬量等同。sfFe元素計算因子。根據神經元計算結構，設計計算函數為：

在公式（1）中，s= 1 ,2,3… ，s ；k=1,2,3,…K ；m= 1 ,2,3… ，M 。

2 實驗驗證

為了實際驗證設計的鈦合金鑄件化學成分優化方法是否真實有效，進行對比實驗。設立對比組和實驗組，令對比組選擇傳統鑄件方式，令實驗組選擇優化后的鑄件方式，進行實際驗證。為了保證實驗結果公平性，以上數據均采用第三方軟件進行測試量化，其結果如表3所示

表3 實驗數據對比表

3 結語

設計了鈦合金化學成分優化方法，通過添加FE、MO、Mn、Nb、Zr等元素提高鈦合金金屬鑄件的物理硬度。為了科學探究最加成分，引入BP神經網絡結構，進行成分計算分析，實驗證明具有明顯優勢性。