鑄錠擴(kuò)徑對(duì)TC4 鍛坯成分的均勻性及波動(dòng)性的影響

孫夢(mèng)桐， 蒲超博， 郭金榜， 強(qiáng)剛剛， 趙曉鵬

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鑄錠的擴(kuò)徑或大型化始終繞不開 “均質(zhì)化”問(wèn)題[1-2]，錠型直徑的增大勢(shì)必會(huì)影響后續(xù)鍛造、軋制、拉拔、擠壓等加工產(chǎn)品的成分、組織、性能的均勻性及穩(wěn)定性，因此對(duì)于大錠型的相關(guān)研究較多[3-6]。劉麗等[7]探討了TC4-0.15B 鈦合金鑄錠的主要化學(xué)成分的不均勻性由Al、Ti、V 依次遞增；張娜等[8]發(fā)現(xiàn)大規(guī)格TC4 鑄錠成分沿橫截面的波動(dòng)性較小。隨著成品板材規(guī)格的增大，對(duì)應(yīng)鍛坯及鑄錠的單重級(jí)別也提高，相應(yīng)與之配套的制備工藝、設(shè)備能力、及技術(shù)難題均呈指數(shù)關(guān)系激增。因此，對(duì)大規(guī)格、高級(jí)別鑄錠的組織及成分的均勻性的研究是非常有必要的。杜玉俊等[9]通過(guò)優(yōu)化熔煉工藝可生產(chǎn)出12t 級(jí)超大規(guī)格Ti80 鑄錠，其對(duì)應(yīng)的主元素成分極差可達(dá)3 000 μg/g，成分的均勻性接近于5t 級(jí)別的鑄錠；史瑩瑩等[10]以擴(kuò)徑1 050 mm 的TA15鑄錠為研究對(duì)象，沿其長(zhǎng)度方向進(jìn)行13 點(diǎn)成分測(cè)量。

以往關(guān)于鑄錠擴(kuò)徑后成分均質(zhì)化研究的工作重點(diǎn)是放在鑄錠上，即在大規(guī)格圓柱狀鑄錠上采用橫截面13 點(diǎn)測(cè)量的方法加以驗(yàn)證成分的均勻性和穩(wěn)定性[10]。實(shí)際上若生產(chǎn)諸如棒材、管材、環(huán)材、絲材等柱狀類加工產(chǎn)品，該研究工作確實(shí)具有很好的指導(dǎo)意義。但對(duì)板材來(lái)說(shuō)，受板坯規(guī)格及軋機(jī)特性的影響，相較于對(duì)大規(guī)格鑄錠采用橫截面的13 點(diǎn)成分測(cè)量法，對(duì)其鍛坯的成分均勻性研究反而對(duì)板材的軋制及其性能控制更具有參考價(jià)值。

TC4 屬于α+β 兩相合金，其化學(xué)成分主要包括：Al、V、Fe、O、N 等。為擴(kuò)大TC4 產(chǎn)能而設(shè)計(jì)鑄錠大型化，以期能夠增加設(shè)備生產(chǎn)能力、提高產(chǎn)能。考慮到鑄錠尺寸的變化勢(shì)必會(huì)影響后續(xù)加工工藝中合金成分的均勻性和穩(wěn)定性情況，所以擴(kuò)徑鑄錠不能只考慮最大截面厚度方向上的變化過(guò)程，而應(yīng)綜合考慮鑄錠擴(kuò)徑后對(duì)應(yīng)鍛坯沿其長(zhǎng)度方向 （頭部-上部-中部-下部-底部）及寬度方向 （邊部（左）-W/4-中心-W/4-邊部（右））的整個(gè)成分變化特征及趨勢(shì)（注：為保證后續(xù)作圖的一致性，以下將“邊部（左）”簡(jiǎn)稱為“邊左”，“邊部（右）”簡(jiǎn)稱為“邊右”；鍛坯寬度用W 表示，在1/4 及3/4 處的寬度位置用W/4 表示）。

1 實(shí)驗(yàn)工藝

以寶鈦集團(tuán)生產(chǎn)的TC4 鈦合金作為研究對(duì)象。按照實(shí)驗(yàn)要求，選擇5 個(gè)批次的擴(kuò)徑鑄錠（編號(hào)分別為A#、B#、C#、D#、E#），其對(duì)應(yīng)在頭部及底部的化學(xué)成分見(jiàn)表1 所示。TC4 鈦合金中Al、V、Fe、O、N 的預(yù)期目標(biāo)值依次為6.00%～6.70%、3.80%～4.50%、0.13%～0.23%、0.15%～0.20%、≤0.03%。在5 個(gè)擴(kuò)徑鑄錠鍛造后的鍛坯上，分別檢測(cè)不同位置及不同方向的成分，通過(guò)交叉對(duì)比其分布均勻性及波動(dòng)性，明確影響成分分布的主次關(guān)系，從而完成TC4 擴(kuò)徑鑄錠鍛造后的鍛坯化學(xué)成分均勻性及波動(dòng)性研究。

表1 鑄錠化學(xué)成分及預(yù)期目標(biāo)要求 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.1 Chemical composition and expected target requirements of cast ingot （mass fraction/%）

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝實(shí)驗(yàn)要求，為方便后續(xù)交叉比較和分析，以TC4 擴(kuò)徑鑄錠鍛造后的位置形態(tài)（未下料）為基準(zhǔn)，明確鍛坯長(zhǎng)度方向（L）、厚度方向（ST）、寬度方向（T），以此構(gòu)成空間三維坐標(biāo)系，詳細(xì)見(jiàn)圖1。

圖1 取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling

5 個(gè)批次TC4 擴(kuò)徑鑄錠經(jīng)鍛造、刨銑后，沿鍛坯長(zhǎng)度方向（L），分別在：頭部、上部、中部、下部、底部，鋸切規(guī)格大致為20 mm×250 mm×950 mm 片樣（見(jiàn)圖1b 中的加粗黑色大方框），后在各個(gè)片樣上沿寬度方向（T），分別在：邊左、W/4、中心、W/4、邊右，切取試樣（見(jiàn)圖1c 中的加粗黑色小方框）以進(jìn)行化學(xué)成分分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

相應(yīng)批次的擴(kuò)徑鑄錠經(jīng)鍛造、刨銑后，利用水切割在對(duì)應(yīng)位置處取片樣。根據(jù)化學(xué)成分的檢測(cè)條件要求：TC4 中待檢成分是金屬類元素（Al、V、Fe）的，需在刨床上切取屑樣；TC4 中待檢成分是非金屬類元素（O、N）的，需在剪床上切取塊樣。按照鍛坯片樣批次順序及位置，用GB/T 4698 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分（Al、V、Fe、O、N）檢測(cè)（注：元素Ti 為TC4 的金屬基體元素，在合金成分中往往以“余量”報(bào)出，所以此處不對(duì)其展開分析探究）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

TC4 的主要化學(xué)成分除Ti 外還有：Al、V、Fe、O、N。分別繪制除Ti 外的元素在不同位置沿不同方向處的成分曲線圖（注：元素N 檢測(cè)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎均≤0.01%，均符合預(yù)期目標(biāo)，未繪制曲線圖）。

2.1 鑄錠擴(kuò)徑對(duì)鍛坯中Al 分布均勻性的影響

TC4 中的Al 屬于α 穩(wěn)定化元素，具有顯著的固溶強(qiáng)化作用。當(dāng)鈦合金中Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7.00%以下時(shí)，相應(yīng)鈦合金強(qiáng)度與Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系，且塑性無(wú)明顯降低。

繪制5 個(gè)批次的鍛坯沿寬度方向及長(zhǎng)度方向的Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布趨勢(shì)圖，詳見(jiàn)圖2。觀察圖2 發(fā)現(xiàn)：（a）5 個(gè)批次的鍛坯對(duì)應(yīng)Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體分布在6.00%～6.50%，完全符合該元素的預(yù)期目標(biāo)；（b） 對(duì)比Al 分布均勻程度及波動(dòng)趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，沿鍛坯寬度方向的要比沿鍛坯長(zhǎng)度方向的好。

圖2 Al 成分分布圖Fig.2 The distribution of Al

2.2 鑄錠擴(kuò)徑對(duì)鍛坯中V 分布均勻性的影響

TC4 中的V 是β 同晶型元素，同樣具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，在提高鈦合金強(qiáng)度的同時(shí)，能保持良好的塑性。

繪制5 個(gè)批次的鍛坯沿寬度方向及長(zhǎng)度方向的V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布趨勢(shì)圖，詳見(jiàn)圖3。觀察圖3 發(fā)現(xiàn)：（a）5 個(gè)批次的鍛坯對(duì)應(yīng)V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體分布在3.95%～4.25%，完全符合該元素的預(yù)期目標(biāo)；（b）沿鍛坯寬度方向及長(zhǎng)度方向的V 分布均勻程度都遠(yuǎn)不如Al 的均勻、穩(wěn)定，尤其是沿鍛坯長(zhǎng)度方向的V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)幅度較大。

2.3 鑄錠擴(kuò)徑對(duì)鍛坯中Fe 分布均勻性的影響

TC4 中的Fe 穩(wěn)定β 相的能力強(qiáng)，但易與Ti 發(fā)生慢共析反應(yīng)，造成高溫條件下組織不穩(wěn)定、蠕變抗力低等，因此需要同時(shí)添加β 同晶型元素來(lái)抑制該反應(yīng)（例如V）。

繪制5 個(gè)批次的鍛坯沿寬度方向及長(zhǎng)度方向的Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布趨勢(shì)圖，詳見(jiàn)圖4。觀察圖4 發(fā)現(xiàn)：（a）5 個(gè)批次的鍛坯對(duì)應(yīng)Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體分布在0.15%～0.23%，完全符合該元素的預(yù)期目標(biāo)；（b）除批次E#外，沿鍛坯寬度方向及長(zhǎng)度方向的Fe 分布均勻程度明顯優(yōu)于Al 的（尤其是批次A#及C#）；（c）不同于Al 及V 的分布整體位于預(yù)期目標(biāo)的中上部，F(xiàn)e（除E#）的分布則整體位于預(yù)期目標(biāo)的中下部[11]。

圖4 Fe 成分分布圖Fig.4 The distribution of Fe

2.4 鑄錠擴(kuò)徑對(duì)鍛坯中O 分布均勻性的影響

TC4 中的O 屬于間隙型雜質(zhì)元素，容易使鈦合金的晶格發(fā)生畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其強(qiáng)度提高、塑性降低。

繪制5 個(gè)批次的鍛坯沿寬度方向及長(zhǎng)度方向的O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布趨勢(shì)圖，詳見(jiàn)圖5。觀察發(fā)現(xiàn)：（a）5 個(gè)批次的鍛坯對(duì)應(yīng)O 整體分布在0.16%～0.22%，不完全符合該元素的預(yù)期目標(biāo)，其中批次A#及B#的鍛坯在部分位置處的O 超過(guò)或略持平于預(yù)期目標(biāo)上限；（b）沿鍛坯寬度方向及長(zhǎng)度方向的O 分布均勻程度介于Al、V 分布均勻程度之間。對(duì)照相應(yīng)編號(hào)的鑄錠在頭、尾的成分 （表1）發(fā)現(xiàn)，批次A#及B#在鍛坯頭部對(duì)應(yīng)的O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)已高達(dá)0.19%，幾乎持平預(yù)期目標(biāo)的上限（0.20%）。考慮到人員、設(shè)備、材料、工藝等方面的容錯(cuò)率，批次A#及B#中O 在頭部質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)不完全是取樣、送樣、檢測(cè)等原因所致，還與其熔鑄、鍛造時(shí)的成分控制密切相關(guān)[12-14]。

圖5 O 成分分布圖Fig.5 The distribution of O

綜上所述，5 個(gè)批次的Al、V、Fe 這3 個(gè)元素均完全符合對(duì)應(yīng)元素的預(yù)期目標(biāo)，且大都居于預(yù)期目標(biāo)的中部。沿鍛坯寬度方向及長(zhǎng)度方向，4 種元素的成分分布均勻程度按照Fe、Al、O、V 的順序依次遞減。O 的分布則出現(xiàn)以批次A#及B#為例在鍛坯頭部超過(guò)預(yù)期目標(biāo)上限的情況。

3 分析與討論

已有多位學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬論證了擴(kuò)徑后柱狀類鑄錠在其動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程中，不同元素沿徑向和軸向的分布狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的差異性。參考其分析與相關(guān)結(jié)論，對(duì)擴(kuò)徑鑄錠TC4 鍛坯的主要成分分布狀況進(jìn)行更深一層的分析討論。

3.1 鍛坯的成分分布均勻性

對(duì)比圖2～圖5 發(fā)現(xiàn)：沿鍛坯寬度方向的成分分布均勻性要好于沿長(zhǎng)度方向的。其中，沿鍛坯長(zhǎng)度方向（頭部→底部），在同一部位所在截面上的不同位置（邊左→邊右）的成分偏差較小；而沿鍛坯寬度方向（邊左→邊右），在同一位置處所在截面上的不同部位（頭部→底部）的成分偏差略大。前者對(duì)應(yīng)的鍛坯截面實(shí)際為前期擴(kuò)徑鑄錠的徑向所在面，而后者對(duì)應(yīng)的鍛坯截面實(shí)際為平行于前期擴(kuò)徑鑄錠軸向的所在面。

3.1.1 鑄錠成分分布狀態(tài)的遺傳性

柱狀類鑄錠與其鍛造后的方形鍛坯在空間指向上存在一定位向關(guān)系：鑄錠的軸向與鍛坯的長(zhǎng)度方向逐一對(duì)應(yīng)，而鑄錠的徑向則與鍛坯的寬度方向逐一對(duì)應(yīng)。鑄錠的成分分布特征會(huì)遺傳至鍛坯上，所以后期鍛坯成分的分布均勻性直接受前期鑄錠凝固時(shí)的成分狀態(tài)影響。

鈦合金凝固時(shí)，鑄錠不同部位（頭部、中部、底部）的冷卻條件、熔池形狀和深度都存在一定差異。在鑄錠頭部和底部處對(duì)應(yīng)的熔池較淺且元素滯留時(shí)間短，所以其成分均勻性主要取決于合金元素的初始分布狀態(tài)。而在鑄錠中部處則屬于穩(wěn)定熔煉階段，此處的熔池深度適宜，穩(wěn)弧電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)攪拌可促使元素均勻分布。所以處于鑄錠中部的成分均勻性要優(yōu)于其頭部和底部[10,15]。

TC4 擴(kuò)徑鑄錠中Al、V、Fe 為金屬元素，其分配系數(shù)均小于1，對(duì)應(yīng)在鑄錠凝固過(guò)程中均呈現(xiàn)出正偏析傾向。鑄錠的邊部冷卻強(qiáng)度較大，其結(jié)晶方向基本指向鑄錠中心，而具有正偏析傾向的元素會(huì)在樹枝狀晶間不斷富集，再加上其分配系數(shù)偏離1 較遠(yuǎn)，所以3 種合金元素會(huì)大量富集在鑄錠頭部和心部[15]。

雖然在熔鑄過(guò)程中，采取了大量減緩合金元素偏析的措施（增加熔煉次數(shù)、控制粒度大小、以合金形式加入、優(yōu)化工藝參數(shù)），但是其偏析傾向不可能完全消除掉。再加上隨著鑄錠擴(kuò)徑，不同元素的成分均勻性控制難度增加，易偏析元素的偏析風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大。這就導(dǎo)致合金元素沿鑄錠軸向的化學(xué)成分均勻性總是略低于沿徑向，而這種偏差會(huì)遺傳至與鑄錠存在一定位向?qū)?yīng)關(guān)系的鍛坯上（寬度方向的優(yōu)于長(zhǎng)度方向的）。

3.1.2 鑄錠成分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

鈦合金自下而上的凝固方式，導(dǎo)致合金元素會(huì)在鑄錠不同部位進(jìn)行有規(guī)律的排布，從而產(chǎn)生分凝效應(yīng)（元素偏析）[15]。而這種效應(yīng)帶來(lái)的便是不同顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)存在差異。受擴(kuò)散距離長(zhǎng)短的影響，熔鑄時(shí)同一質(zhì)點(diǎn)沿徑向的運(yùn)動(dòng)幅度易于沿軸向的。此外，沿軸向運(yùn)動(dòng)還需考慮不同質(zhì)點(diǎn)的下降速率。顆粒在熔煉過(guò)程中的下沉速率遵循公式：

式中：g為重力加速度；ρ1為顆粒密度（ρ1-Al為2.7 g·cm?3，ρ1-（Al-V）為4.2～4.5 g·cm?3，ρ1-Fe為7.8 g·cm?3），ρ2為液態(tài)密度；μ為粘滯系數(shù)，r為顆粒半徑[15]。在熔煉過(guò)程中顆粒半徑越大，對(duì)應(yīng)其下沉速度加快，偏析越容易形成。因此導(dǎo)致沿徑向的元素偏析和富集幾率遠(yuǎn)不及沿軸向。

受合金元素偏析及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異的影響，導(dǎo)致TC4 擴(kuò)徑鑄錠中的合金元素沿軸向的分布均勻性不及沿徑向的。再加上鑄錠和鍛坯存在一定的位向關(guān)系，使得鑄錠的元素分布規(guī)律進(jìn)而遺傳至鍛造后的鍛坯上，使其呈現(xiàn)出“沿長(zhǎng)度方向的均勻性要劣于沿寬度方向”的特征。

雜質(zhì)O 的分布及含量略微壓目標(biāo)范圍上限。考慮是因?yàn)楸? 中鑄錠O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)本身已居目標(biāo)范圍上層，再加上取樣、檢測(cè)的差異及生產(chǎn)過(guò)程中的波動(dòng)，可能會(huì)引起一定程度的增氧。

3.2 鍛坯的成分分布波動(dòng)性

根據(jù)上述分析，可以得到擴(kuò)徑TC4 鍛坯沿長(zhǎng)度方向及寬度方向上的主要元素分布趨勢(shì)圖。為更好地討論主要元素的穩(wěn)定程度，通過(guò)方差[16]計(jì)算獲得沿上述兩個(gè)方向?qū)?yīng)主要元素的波動(dòng)比，詳見(jiàn)圖6。

圖6 元素分布的波動(dòng)性Fig.6 The volatility of the element distribution

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：（1）4 種元素的波動(dòng)比按照Al、V、Fe、O 的順序遞減，前兩者的波動(dòng)率在同一數(shù)量級(jí)（10?2）且遠(yuǎn)大于后兩者的（10?4）；（2）4 種元素沿寬度方向的波動(dòng)比略小于沿長(zhǎng)度方向的，即擴(kuò)徑TC4 鍛坯的主要成分從邊部（左）至邊（右）的穩(wěn)定性是略優(yōu)于從頭部至底部的；（3）結(jié)合上述分析及批次A#～E#鑄錠的實(shí)際頭、尾成分測(cè)量值發(fā)現(xiàn)：不論是從寬度方向還是長(zhǎng)度方向，O 的波動(dòng)率都是最小的。

合金組元多元化與鑄錠規(guī)格擴(kuò)大會(huì)加劇鑄錠的非均質(zhì)性（成分和組織），為此鑄錠需要經(jīng)過(guò)鍛造和熱加工以改善其狀況。在擴(kuò)徑后的大規(guī)格TC4 鑄錠中，O 屬于間隙元素，由于其擴(kuò)散系數(shù)較大，在后續(xù)鍛造和熱加工過(guò)程中可改善其非均質(zhì)性，從而減緩成分分布的波動(dòng)性； 但Al、V、Fe 均為置換元素，其在鍛造過(guò)程中呈現(xiàn)出與間隙元素相反的特征，導(dǎo)致沿鍛坯長(zhǎng)度方向及寬度方向上3 種元素的波動(dòng)性都要比O 元素大。Al 屬于α 穩(wěn)定元素，V 屬于β 同晶元素，F(xiàn)e 屬于慢速分解的β 共析元素，因合金化的作用程度由強(qiáng)及弱而導(dǎo)致3 種元素的波動(dòng)性呈現(xiàn)出按照Al、V、Fe 遞減的變化規(guī)律[1]。

綜上所述，TC4 鑄錠擴(kuò)徑后，分別沿鍛坯寬度方向及長(zhǎng)度方向?qū)Ρ确治隽似渲饕胤植嫉木鶆蛐院筒▌?dòng)性，驗(yàn)證了其主要元素的占比幾乎都完全符合相應(yīng)成分的預(yù)期目標(biāo)，從而表明TC4 鑄錠的擴(kuò)徑（大錠型）對(duì)于其成分的影響較小，即鍛坯成分的均勻性較好，波動(dòng)性較小。但是關(guān)于O 在鑄錠頭、底部的成分把控度還是必須要關(guān)注和調(diào)整的。

此次研究工作的目的主要是為后續(xù)板材軋制提供成分均質(zhì)化程度高的板坯，從而保證成品板材的組織及性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。單從鑄錠橫截面的13 點(diǎn)成分分布趨勢(shì)上很難完整推斷出后續(xù)鍛坯的成分分布情況，為此對(duì)鍛坯的成分分布研究便尤為重要。而本實(shí)驗(yàn)主要研究了擴(kuò)徑鑄錠在完成鍛造后，對(duì)應(yīng)鍛坯的成分分布情況。這項(xiàng)工作彌補(bǔ)了對(duì)鑄錠擴(kuò)徑后的TC4 鍛坯成分分布研究的空白，為更好地控制板材的組織及性能奠定了有力的數(shù)據(jù)支撐。此外，也向擴(kuò)徑鑄錠生產(chǎn)類似于方形截面的板材、箔材、帶材等加工產(chǎn)品提供了一種有效的成分分析方法。

4 結(jié) 論

（1） 擴(kuò)徑TC4 鍛坯沿長(zhǎng)度及寬度方向的主要成分分布均勻、波動(dòng)性小，大體符合預(yù)期目標(biāo)；

（2） 擴(kuò)徑TC4 鍛坯沿兩個(gè)方向的成分均勻性存在一定規(guī)律：其主要元素的均勻性按照Fe、Al、O、V 的順序遞減，且沿鍛坯長(zhǎng)度方向的均勻性不及沿鍛坯寬度方向；

（3） 擴(kuò)徑TC4 鍛坯沿兩個(gè)方向的成分波動(dòng)比存在一定規(guī)律：Al、V 在10?2數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)波動(dòng)，而Fe、O 則在10?4數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)波動(dòng)。其成分波動(dòng)性沿鍛坯寬度方向的波動(dòng)性略優(yōu)于沿鍛坯的長(zhǎng)度方向的。