TC4鈦合金板材與鈦合金鑄錠熔煉工藝的對比分析

發布時間：2022-08-07 16:40:56 瀏覽次數：

鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕、高溫性能好、無磁性、線膨脹系數小等特點，是新興的結構材料和功能材料，應用越來越廣泛。TC4（Ti-6Al-4V）合金是由美國的Illinois技術研究所于20世紀50年代初開發出來的α＋β型兩相合金，是最早生產的鈦合金之一，也是目前應用最廣、產量最大的α＋β兩相合金［1］。其具有優良的耐蝕性、小的密度、高的比強度及良好的韌性和焊接性等一系列優點，在航空航天、石油化工、造船、汽車、模具、醫藥等部門得到成功應用。然而，由于鈦具有化學活性強、熔點高以及間隙雜質含量對其性能影響極為敏感等特點［2］，使得工業生產中對TC4鈦合金鑄錠的化學成分、成分均勻性控制以及冶金質量控制等提出了很高的要求，從而凸顯了TC4鈦合金熔煉工藝的重要性。

TC4鈦合金板

1、熔煉工藝

目前國際上常用的鈦及鈦合金熔煉工藝有真空自耗電弧爐熔煉法（VAR）和電子束冷床爐熔煉法（EBCHM）。

1.1　真空自耗電弧爐熔煉法（VAR）

真空自耗電弧爐熔煉法即為采用真空自耗電弧爐熔煉的方法。圖1為VAR爐的結構和熔煉過程示意圖。VAR應用直流電源在電極和放于水冷套中的銅模底板之間產生電弧（起弧）。電弧產生的高熱熔化了電極，而坩堝因為有水冷卻未被熔化。隨著電極的熔化，熔融的金屬從電極上落入到坩堝底部，從坩堝底部開始形成鑄錠。隨著電弧下的熔池從坩堝底部的不斷提升，熔化金屬也不斷凝固形成鑄錠，就像填滿一個玻璃杯一樣。在VAR熔煉中，鈦電極被消耗掉。當整個鈦電極消耗掉后，經過冷卻，就在坩堝中形成了一個鑄錠。其過程的實質是借助于直流電弧的熱能，把已知化學成分的鈦及鈦合金的自耗電極在低壓或惰性氣氛中進行重新熔煉［３］。

VAR法是鈦及鈦合金的主要熔煉方法之一。在真空下重熔自耗電極的主要好處在于：

1）對于易揮發雜質和某些氣體（如氫氣、氮氣）的去除有良好的效果；

2）利用高蒸氣壓減少不需要的微量元素；

３）提高氧化物清潔度；

４）實現了鑄錠從底部到頂部的定向凝固，順序凝固的熔鑄方式有利于不溶雜質的上浮，因此避免了宏觀偏析并減少了微觀偏析；

5）多次重熔后鑄錠的一致性和均勻性較好；

6）工藝自動化程度高，操作簡單。

真空自耗電弧熔煉法作為生產鈦錠的主要方法，其工藝技術已較為完善，近年來的工藝技術主要朝著鑄錠尺寸大型化、工藝自動化、生產高效化發展。

1.2　電子束冷床爐熔煉法（EBCHM）

EBCHM工藝是在20世紀50年代為了精煉高熔點合金如鈮、鉭和鉬等而發展起來的一種工藝［３］。電子束冷床爐熔煉的工作原理是以電子束作為熱源，水冷銅坩堝為冷床，利用高速電子的動能轉換成熱能使金屬熔化、精煉、澆鑄成錠，如圖2所示。電子束冷床爐的結構如圖３所示。

通常電子束冷床爐有熔化區、精煉區和結晶區３個工作區。爐料通過進料斗進入到熔化區，進料斗可以獨立于爐室真空系統而實現裝料和抽真空。在熔化區，聚焦后的高能電子束轟擊爐料的表面，爐料由固態變為液態，流向精煉區；在精煉區，液態金屬進行精煉，通過揮發、溶解上浮、沉淀等機制去除雜質和夾雜，并充分實現合金化；然后通過溢流嘴緩緩注入結晶器，形成鑄錠。爐床的溢流嘴以及錠模的金屬表面區域仍有電子束加熱。如果移除溢流嘴處的電子束，溢流的金屬將會凝固，因此溢流嘴也可用作閥門使用。現代EBCHM爐床可以有兩個或多個溢流嘴，每個溢流嘴下方都有一個錠模。當一個錠模充滿金屬后，電子束可以移動到第二個溢流嘴處熔化金屬，開始填充第二個錠模。在第二個錠模填充金屬的過程中，第一個錠模可以通過閉鎖閥實現分離。通常爐床上裝有一個攔截壩，可以預先決定金屬液的流向，攔截壩阻止高密度夾雜（ＨＤＩｓ）進入錠模。ＨＤＩｓ沉到爐床底部，并且必須定時清除。

與VAR工藝相比，EBCHM工藝有其獨特的特點和優勢：

1）可以采用多種形式的原材料，無需制備電極，縮短了原料準備時間；

2）能夠大量使用經濟的原材料，如含有碳化鎢雜質的切削料，殘料添加比例可達100％；

３）在熔煉過程中可實現有規律地粘取試樣，進行化學成分分析，保證生產高質量的鑄錠；

４）通過控制功率密度，控制鈦熔體在爐床中的停留時間，保證合金元素充分均勻化，避免偏析，且熔煉過程靈活，可根據需要而停止或重啟；5）可以生產扁錠或空心錠，減少板材與管材生產時的后續加工，減少金屬加工的損耗。采用矩形截面的錠坯用于鈦合金板材生產能夠顯著提高金屬收得率；

6）通過進料口和溢流嘴的控制，可以實現一次成錠，一爐多錠，降低熔煉費用，提高生產效率。

EBCHM技術是在減少夾雜，提高鈦鑄錠質量和降低鈦材成本的雙重要求下應運而生的，從20世紀80年代開始引起各國的高度關注，近年來的技術主要朝著海綿鈦坨直接熔煉鈦錠、利用計算機模擬技術和工藝控制生產高質量的鈦合金鑄錠和單次熔煉技術等方向發展。

2、TC4合金熔煉工藝的對比分析

鑄錠的質量對其后續加工材的組織和性能起著決定性影響。鑄錠質量的優劣主要從以下幾個方面衡量：鑄錠的不同部位化學成分是否均勻一致；主要雜質是否控制在適當的范圍；鑄錠內部有無夾雜、偏析、氣孔、裂紋、鎖孔和疏松等缺陷；鑄錠表面是否光滑，頭部縮孔切除量大小。從幾個方面針對不同熔煉工藝生產的鑄錠質量進行對比分析。

2.1　鑄錠表面質量

圖４分別為VAR法和EBCHM法熔煉TC4圓錠的宏觀照片。由圖４可以看出，VAR法生產的鑄錠在鑄錠表面的夾雜物和皮下氣孔量較大，在鍛造前必須對鑄錠進行扒皮處理，且扒皮量較大，而EBCHM法生產的鑄錠表面質量高，僅需較小的扒皮量就可以進行鍛造和軋制。

2.2　化學成分分析

試驗均采用相同的海綿鈦及中間合金稱料、混料，壓制成φ560ｍｍ的半圓柱體，重量為67ｋｇ。VAR法經二次熔煉得到φ760ｍｍTC4鑄錠，EBCHM法經單次熔煉得到同樣規格的鑄錠。TC4鑄錠化學成分見表1。

根據《GB26060－2010鈦及鈦合金鑄錠》中的要求，在去除鑄錠表面5～7ｍｍ后，在鑄錠距兩端200～３00ｍｍ的側面頭尾兩點取樣，進行化學成分分析，如表2所示。

由表2可以看出，在原料配比相同的情況下，利用EBCHM法生產TC4鑄錠時，Al元素揮發量較大，導致含量偏低，不符合國家標準要求，而VAR生產的鑄錠元素含量都符合國標要求，在國標規定的范圍內。

為了更好的利用EBCHM法的其它優點，針對EBCHM生產時Al元素揮發量較大的情況，我國不同機構和生產廠家進行了大量的研究和試驗。其中某一廠家在配入質量分數為7.5％的Al元素和4.06％的Ｖ元素后，在熔煉速率為800kg/h的條件下得到TC4鑄錠。經冷卻和車光表面后，在鑄錠多個徑向和軸向面多點取樣，進行化學成分分析，得到各元素分布數據表３所示。

由表３可知，此次試驗得到的TC4合金鑄錠Ｏ、Ｎ、Al、Ｖ元素含量都符合國標要求，在國標規定范圍內，Al元素徑向和軸向的含量均沒有明顯波動。Al元素的含量徑向沒有明顯變化，比較均勻，而軸線有所下降，最終逐漸平穩［４］。

2.３　去除夾雜效果分析

鈦及鈦合金常見的夾雜有低密度夾雜（LDIs）和高密度夾雜（ＨＤＩｓ）。由間隙元素Ｎ、Ｏ、Ｃ污染造成的LDIs來自海綿鈦、添加的殘料和合金配料、電極制備（主要是焊接）和不良的熔煉操作，其中TIN的危害最大［5］。ＨＤＩｓ是由Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ等高熔點金屬及其化合物混入引起的。

為了驗證兩種熔煉工藝去除夾雜的效果，試驗采用經VAR一次熔煉的φ220ｍｍTC4合金錠。在鑄錠上以一定間隔鉆孔，依次放入不同尺寸的氮化海綿鈦顆粒和ＹＧ8車刀刀頭顆粒（其中WC占９2％）各10粒，然后經VAR二次熔煉和EBCHM熔煉得到相同規格的TC4鑄錠。為檢測TIN和WC的去除情況，在鑄錠中部50ｍｍ長的范圍內每5ｍｍ切一片作檢測試樣，另一部分送去開坯鍛造，充分破碎了鑄態組織后用Ｘ射線檢測。結果表明，利用EBCHM法得到無論是鑄錠還是開坯鍛造后的棒材，在光學顯微鏡下及Ｘ射線探傷儀上均檢測不到任何夾雜，而利用VAR法二次熔煉后得到的鑄錠，無論是在什么情況下，都還能看到明顯的TIN和WC顆粒。

2.４　鑄錠性能

將EBCHM法一次熔煉成功的TC4鈦合金扁錠和VAR法得到的鑄錠鍛造后得到的板坯分別經表面處理后在熱軋機上進行開坯軋制，開坯后經交叉軋制進行多火次軋制，最終獲得8ｍｍ厚度的板材。板材經表面酸洗、真空退火處理后加工成板材拉伸試樣，在ＩＮＳＴＴＯＮ5885電子萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，試驗結果如表４所示。