大規格TA10 鈦合金鑄錠生產工藝研究

張 晉，王永強，戶如意，曹 瑞，李 楠

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000）

TA10 是一種耐腐蝕鈦合金，因其良好的塑性和焊接性能而被廣泛應用于化工、石油等行業。目前，大規格鈦合金鑄錠的鎳元素成分均勻性控制難度大，嚴重的Ni 富集會影響后續加工板材的綜合性能。一方面鎳的凝固分配系數為0.44[1]，其熔點、密度等與鈦有較大差異；另一方面大規格鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉的成分控制較為困難。因此，生產大規格TA10 鈦合金的重難點在于確保Ni 元素的成分均勻性良好。為此，本文通過采用不同的一次熔煉電流和穩弧方式對大規格TA10 鈦合金鑄錠Ni 元素控制進行研究，以期找到提高大規格TA10 鑄錠Ni 元素成分均勻性的方法。

1 試驗

選用1 級及以上的海綿鈦、片狀的NiMo30 合金（10＊6＊1mm），按照Ti-0.7Ni-0.3Mo 進行配料。經混料、壓制、焊接制備出自耗電極。采用不同的熔煉工藝經二次真空自耗電弧熔煉制備φ1040mm 的TA10 鑄錠，具體熔煉工藝如表1 所示。對鑄錠表面縱向頭、中、底取樣，取樣位置如圖1 所示，對頭、中、尾部表面縱向Ni 化學成分均勻性最好的鑄錠橫斷面9 點取樣，取樣位置如圖2 所示。

表1 TA10 熔煉工藝

2 結果與分析

2.1 鑄錠Ni 均勻性分析

3 根鑄錠Ni 元素成分偏差見表2，縱向頭、中、底三點Ni 含量檢測結果如圖3 所示。

圖1 鑄錠縱向3 點取樣示意圖

圖2 鑄錠橫向9 點取樣示意圖

表2 3 根鑄錠縱向3 點鎳成分偏差/（wt%）

圖3 3 根TA10 成品鑄錠Ni 分布

表3 鑄錠3 頭、中、尾橫截面鎳的分布情況

從 表2 和 圖3 可 以 看 出，鑄 錠1 的Ni 量 為0.592%～0.0.915%，偏差為0.323%，超出了GB/T3620.1-2016中Ni的成分要求（0.6%～0.9%）；鑄錠2的Ni含量為0.644%～0.884%，偏差為0.24%，改善了Ni偏析；鑄錠3的Ni含量為0.685%～0.714%，偏差為0.029%，偏差最小。對比鑄錠1～3的縱向Ni元素偏差情況，鑄錠3的Ni成分均勻性最好，鑄錠2次之，鑄錠1的Ni成分均勻性最差。

鑄錠3 頭、中、尾橫截面Ni 的分布情況如表3 和圖4 所示，頭部橫截面Ni 元素含量為0.656%～0.844%，最大偏差為0.188%。中部橫截面Ni 元素含量為0.691%～0.806%，最大偏差為0.115%。尾部橫截面面Ni 元素含量為0.663%～0.738%，最大偏差為0.075%。由鑄錠3 頭、中、尾橫截面Ni 成分分布可以看出整個鑄錠Ni 均勻性好。

圖4 鑄錠3 端面部位Ni 分布

2.2 熔煉工藝參數對Ni 均勻性的影響

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[2，3]。其中，最難克服的是結晶偏析。按照結晶偏析經典理論公式[4]：

式中CS為恒溫下固相溶質濃度；CL表示液相溶質濃度；為溶質平衡分配系數。由上述公式可以看出，決定結晶偏析程度大小的是分配系數K0。

在非平衡凝固的條件下，Ni 元素K0＜1，具有正偏析傾向，固/液界面處形成固體所排出的溶質Ni，經擴散層擴散進入液相中，造成越靠近后期凝固的固相中溶質Ni 含量越高。通過選擇合理的熔煉工藝參數可以改變Ni 的分配系數，使其盡可能接近1，減輕其結晶偏析的程度。

2.2.1 一次熔煉電流對Ni 均勻性的影響

熔煉電流決定金屬的熔化速率和熔池溫度，直接影響熔池的形狀、深度以及表面質量[1]。

通過對比鑄錠1 和鑄錠2 的試驗結果可以看出：采用較小的一次熔煉電流時，TA10 鑄錠Ni 成分的均勻性有所改善。

在VAR 中采用較小的一次熔煉電流可以減小熔池深度，使熔池淺平，增大鑄錠凝固速度，抑制了一次熔煉時Ni向鑄錠頭部富集，使一次錠Ni 偏析得到改善，進而得到Ni成分較均勻的成品錠。

2.2.2 穩弧方式對Ni 均勻性的影響

合適的攪拌電流可以使熔池變淺、細化晶粒、成分均勻化、減輕結晶偏析[1]。

通過對比鑄錠2 和3 的試驗結果，發現采用交流穩弧的方式時TA10 鑄錠Ni 成分的均勻性良好，有效減小Ni 偏析的傾向。VAR 中鑄錠凝固屬于非平衡凝固，根據溶質有效分配系數公式[5]：

其中CS＊是固相成分，C0是溶質組元原始配比成分，v是固-液界面推進速度，DL是液相中溶質原子的擴散系數，δN是擴散層。

由上式可知，采用交流穩弧熔煉時攪拌效果比直流弱、液相中對流強度減弱，導致熔池偏平，同時增大δN的厚度，抑制了固/液界面處Ni 元素經擴散層向液相中的擴散，使有效溶質分配系數kE向1 靠近，提高固相中溶質的成分CS＊，使TA10 鑄錠中的Ni 元素均勻分布。

3 結論

通過選用較小的一次熔煉電流和交流穩弧方式，可以有效抑制大規格TA10 鑄錠中的鎳偏析，對大規格TA10 鑄錠的工業化生產具有指導作用。