引言

高(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)是(shi)一類設(she)計(ji)使用溫度在(zai)400℃以上(shang)的(de)鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，Ti60作(zuo)為航空航天(tian)發(fa)動機渦(wo)輪葉盤葉片(pian)用的(de)高(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，長時間的(de)工作(zuo)溫度達到600℃，目(mu)前(qian)有多種牌(pai)號的(de)高(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)用于航空航天(tian)發(fa)動機, 例如有英國的(de)IMI834、美國的(de)Ti1100、俄羅斯的(de) 以及我(wo)國西北有色金(jin)(jin)屬研究院(yuan)開發(fa)的(de)Ti600[6]、中國科(ke)學院(yuan)金(jin)(jin)屬研究所與(yu)寶(bao)鈦(tai)集團有限公司(si)開發(fa)的(de)Ti60高(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。

Ti60高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)是(shi)一種(zhong)多(duo)種(zhong)微量(liang)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)組 成的(de)(de)(de)(de)(de)近(jin)(jin)α型(xing)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，此(ci)種(zhong)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)在Ti-Al-Sn-Zr-Si近(jin)(jin)α體系中，添(tian)加了(le)少量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)Ta、Mo和Nb二種(zhong)局溶點(dian) 的(de)(de)(de)(de)(de)β型(xing)穩定(ding)(ding)元素(su),通(tong)過與(yu)α型(xing)穩定(ding)(ding)元素(su)Al、Sn、Zr 之間合(he)(he)理恰(qia)當的(de)(de)(de)(de)(de)搭配(pei)與(yu)協(xie)同作用，使得(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)得(de)(de)到了(le) 充分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)固溶強(qiang)化(hua)，又可以(yi)獲(huo)得(de)(de)金(jin)(jin)(jin)屬間化(hua)合(he)(he)物(wu)和硅化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)彌散強(qiang)化(hua)，使得(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)強(qiang)度(du)以(yi)及高(gao) 溫(wen)(wen)(wen)抗氧化(hua)性(xing)，此(ci)外還有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)同晶型(xing)β穩定(ding)(ding)元素(su)，因 此(ci)它具(ju)有良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)工藝性(xing)能(neng)和熱(re)穩定(ding)(ding)性(xing)，是(shi)一種(zhong)復(fu)合(he)(he) 強(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，具(ju)有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)綜合(he)(he)力(li)學性(xing)能(neng)。

目(mu)前Ti60已經(jing)進(jin)人(ren)到(dao)了(le)工業化試驗的(de)(de)(de)階段(duan)，因(yin) 為其中(zhong)含(han)有(you)(you)多種(zhong)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)，合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)含(han)量達到(dao)15.5%,并且(qie)含(han)有(you)(you)多種(zhong)高熔(rong)點(dian)和低熔(rong)點(dian)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)。 所以在鑄錠熔(rong)煉的(de)(de)(de)過程中(zhong)，如(ru)果因(yin)為選(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)中(zhong)間合(he) 金(jin)以及工藝(yi)參(can)數選(xuan)(xuan)擇(ze)不(bu)當，很(hen)容易出現鑄錠的(de)(de)(de)成分 分布不(bu)均(jun)勻(yun)，雜(za)質元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)含(han)量過高，偏(pian)(pian)析(xi)夾(jia)雜(za)等現象， 因(yin)此控制好(hao)熔(rong)煉工藝(yi)參(can)數，得到(dao)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)均(jun)勻(yun)化、 無(wu)偏(pian)(pian)析(xi)、無(wu)夾(jia)雜(za)的(de)(de)(de)局品質鑄淀(dian)是溶煉的(de)(de)(de)關鍵(jian)。針對以上制備技術難點(dian)，筆者選(xuan)(xuan)用合(he)適的(de)(de)(de)中(zhong)間合(he)金(jin)、以 及0 A級軍工小(xiao)粒(li)海(hai)綿(mian)鈦，經(jing)過成分的(de)(de)(de)配比以及均(jun) 勻(yun)混料，設置最優(you)的(de)(de)(de)熔(rong)煉工藝(yi)參(can)數，采用真空自耗電 弧熔(rong)煉技術，經(jing)三次熔(rong)煉制備出合(he)金(jin)成分均(jun)勻(yun)、雜(za)質元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)控制良好(hao)、無(wu)偏(pian)(pian)析(xi)、無(wu)缺陷的(de)(de)(de)Ti60高溫鈦合(he)金(jin)鑄錠。

1、試驗

1.1原料

此次試驗由于對(dui)(dui)鑄錠的雜質成(cheng)分(fen)以及缺陷控制 嚴格，所以選(xuan)用雜質含量相(xiang)對(dui)(dui)較低的0 A級軍工小 粒(li)(li)海綿鈦，粒(li)(li)度(du)范圍在3 ~ 12.7mm，人工分(fen)揀按國(guo)標 GB/T 2524-2019 執行。

選取鋁鉬合(he)金(jin)、鋁鈮合(he)金(jin)、鈦(tai)鉭合(he)金(jin)、鋁硅合(he) 金(jin)、招錫合(he)金(jin)作為中間(jian)合(he)金(jin)添加，粒度(du)(du)為1 ~ 6 mm， 其中 〇<0.1%, N<0.01%，Fe<0.1%，海綿鋯：粒度(du)(du) 0.83 ~ 25.4 mm，其中 〇<0.1%，N<0.01%，Fe<0.1%; 鋁逗(dou):粒度(du)(du)8?13 mm，純度(du)(du)>99.7%。

1.2工藝路線

Ti60高溫(wen)鈦(tai)合金生產采用的工藝流程如圖1所示。

1.3取樣方法

通過三次熔煉得(de)到(dao)的鑄錠(ding)，頭(tou)(tou)尾(wei)(wei)切(qie)片后取樣(yang)(yang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen) 析(xi)成分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，成品鑄徒頭(tou)(tou)尾(wei)(wei)切(qie)片10 ~ 15 mm作為成分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)樣(yang)(yang) 品分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)。頭(tou)(tou)尾(wei)(wei)采取9點(dian)取樣(yang)(yang)法分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)成分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(見圖2)， 共計18個(ge)成分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)樣(yang)(yang)，用ICP法檢驗各試樣(yang)(yang)成分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(A1、 Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr、C、H、0、N)。

2、結果分析與討論

2.1鑄錠表面

經過3次真空(kong)自耗(hao)電弧(hu)爐熔(rong)煉制備，得到 φ310mm的(de)Ti60高溫(wen)鈦合(he)金鑄(zhu)鍵，如(ru)圖3所7K，從圖3可以看(kan)出，鑄(zhu)錠表面質(zhi)量良好，潔凈度(du)較高，沒 有任何的(de)冷隔、夾(jia)雜等(deng)缺陷。從熔(rong)煉過程中可以看(kan) 出熔(rong)池比(bi)較穩定，金屬液體的(de)流動(dong)性較好，擦滴(di)速(su)度(du) 較為合(he)適(shi),熔(rong)滴(di)擴散充分并且與坩堝完全(quan)接觸。在 冷卻的(de)過程中沒有出現夾(jia)雜、空(kong)洞等(deng)缺陷。

2.2鑄錠成分分析

將(jiang)三(san)次溶煉后得到(dao)的Ti60鑄錠，取(qu)頭尾(wei)切(qie)片進 行成分分析，切(qie)片厚度為10 ~ 15mm,采(cai)用9點取(qu)樣法，共(gong)計18個樣品。

用(yong)ICP檢(jian)驗鑄鍵合金元素Al、Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr以及C的(de)成(cheng)分以及雜質元素H、0、N的(de)含 量(liang)，分析結果如表1所示。

由表1可知，Ti60鑄錠的(de)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)成(cheng)(cheng)分(fen)控(kong)制的(de)比較(jiao)均勻(yun)，完全達到了(le)行業(ye)相(xiang)關標準要求，其(qi)中(zhong)Nb、Mo、 Ta、C等高(gao)熔(rong)點元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)可以(yi)控(kong)制在(zai)很均勻(yun)的(de)范圍內, C元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)由于添(tian)加略微(wei)超(chao)量(liang)，導致某(mou)些點含量(liang)超(chao)標，但(dan) 總體(ti)偏差不(bu)超(chao)過0.03%。Sn元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)分(fen)布比較(jiao)均勻(yun)，Si 與(yu)Zr頭尾部成(cheng)(cheng)分(fen)比較(jiao)均勻(yun)，但(dan)因配入量(liang)與(yu)燒損有關， 與(yu)目標成(cheng)(cheng)分(fen)有些偏差，但(dan)總體(ti)偏差不(bu)超(chao)過0.06%。 H、0、N等雜質元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)控(kong)制復合(he)預期效果。總體(ti)來(lai) 講，通過對(dui)中(zhong)間合(he)金、海綿鈦(tai)的(de)選控(kong)以(yi)及熔(rong)煉工藝 的(de)控(kong)制，得(de)到了(le)成(cheng)(cheng)分(fen)均勻(yun)、雜質元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)控(kong)制在(zai)較(jiao)高(gao)水(shui) 準的(de)Ti60鑄錠。

由于(yu)Ti60高溫鈦合(he)金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)的合(he)金(jin)元素(su)種類以(yi)及(ji) 含量較(jiao)高，使用(yong)的中(zhong)(zhong)(zhong)間合(he)金(jin)含量高達15.5%，采用(yong)常 規(gui)的配料(liao)方(fang)式(shi)壓制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)極(ji)塊，因為合(he)金(jin)種類以(yi)及(ji)含量 較(jiao)高，很(hen)難進(jin)行(xing)均勻(yun)(yun)(yun)混(hun)(hun)(hun)料(liao)，無法(fa)保(bao)證原料(liao)均勻(yun)(yun)(yun)分布在 每(mei)個電(dian)(dian)(dian)極(ji)塊中(zhong)(zhong)(zhong)。所以(yi)采用(yong)海綿鈦與中(zhong)(zhong)(zhong)間合(he)金(jin)單塊電(dian)(dian)(dian) 極(ji)混(hun)(hun)(hun)料(liao)方(fang)式(shi)，每(mei)個電(dian)(dian)(dian)極(ji)塊均勻(yun)(yun)(yun)混(hun)(hun)(hun)料(liao)10 min,然后再 進(jin)行(xing)電(dian)(dian)(dian)極(ji)塊的壓制(zhi)(zhi)，壓制(zhi)(zhi)好的電(dian)(dian)(dian)極(ji)塊放人干燥(zao)箱中(zhong)(zhong)(zhong) 進(jin)行(xing)保(bao)存(cun)，以(yi)免吸入空氣中(zhong)(zhong)(zhong)的H、0、N等雜質元素(su)。 從結果來(lai)看，采用(yong)單塊電(dian)(dian)(dian)極(ji)混(hun)(hun)(hun)料(liao)方(fang)法(fa)，使原材料(liao)在電(dian)(dian)(dian) 極(ji)塊中(zhong)(zhong)(zhong)均勻(yun)(yun)(yun)分布，從而保(bao)證鑄錠成分均勻(yun)(yun)(yun)。

2.3中間合(he)金的(de)選取

Ti60高溫鈦合金中含有較多高密度、低密度、 高熔點、低熔點合金元素，其中Nb、Mo、Ta元素的 熔點較高，分別為2467、2 662℃和2996℃，密度 為 38.4、10.22 g/cm³ 和 16.6 g/cm³, C 元素的熔點達 到了 3550℃，低熔點的Sn元素熔點為232℃，密 度為7.31 g/cm³,都(dou)與純鈦的熔(rong)(rong)點(dian)和(he)密度相差較大， 如果這(zhe)些元(yuan)素(su)(su)(su)(su)以單質元(yuan)素(su)(su)(su)(su)添加，很容(rong)易(yi)造成(cheng)低熔(rong)(rong)點(dian) 元(yuan)素(su)(su)(su)(su)在進(jin)入熔(rong)(rong)池之前就(jiu)被融化(hua)，從而引起Sn元(yuan)素(su)(su)(su)(su) 的偏(pian)析(xi)分布不均勻(yun)，另外Nb、Mo、Ta、C元(yuan)素(su)(su)(su)(su)在熔(rong)(rong) 煉的過程中(zhong)由(you)于熔(rong)(rong)點(dian)較高，很難被迅速的熔(rong)(rong)化(hua)，只能 通過單質的擴散作(zuo)用(yong)進(jin)行熔(rong)(rong)煉，而熔(rong)(rong)池的凝固(gu)時間 非常有限，擴散不完(wan)全，這(zhe)樣就(jiu)很容(rong)易(yi)形成(cheng)高熔(rong)(rong)點(dian)合金元(yuan)素(su)(su)(su)(su)在鑄錠(ding)中(zhong)的偏(pian)析(xi)甚至(zhi)掉(diao)塊(kuai)到鑄錠(ding)中(zhong)。導致鑄 錠(ding)成(cheng)分偏(pian)析(xi)不均勻(yun)。

為了消除鑄錠(ding)成分中(zhong)由于各組元(yuan)溶點(dian)、密度因(yin) 素(su)出現的偏析，確(que)保鑄錠(ding)成分的均勻(yun)，中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin)的選 取是非常關鍵的。根(gen)據鈦合(he)金(jin)(jin)中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin)的選擇原則: 化學成分穩定、均勻(yun)、粒(li)度、熔(rong)點(dian)、密度都要與純(chun)鈦 相近(jin)。所以(yi)(yi)本(ben)次試驗所需的合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)以(yi)(yi)中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin)的 方(fang)式加(jia)(jia)(jia)入，其中(zhong)Sn以(yi)(yi)AlSn50中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin)加(jia)(jia)(jia)入、Nb 以(yi)(yi)AlNb60中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin)加(jia)(jia)(jia)入、Ta以(yi)(yi)TiTal5中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin) 加(jia)(jia)(jia)人、Mo以(yi)(yi)A1Mo60中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin)加(jia)(jia)(jia)人、Si以(yi)(yi)AlSi50 中(zhong)間(jian)合(he)金(jin)(jin)加(jia)(jia)(jia)人，C選擇純(chun)度>99.7%，粒(li)度8~ 13 mm的高純(chun)碳粉(fen)。

2.4熔煉工藝參數(shu)的(de)控制

在Ti60鑄錠熔煉過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)由于添加的合(he)金元素 種類(lei)較多且含(han)量(liang)較大(da)，如果(guo)熔煉工藝參數控制不當, 很容易出現鑄錠的偏析、成分不均勻，高(gao)、低密度夾 雜，影(ying)響鑄錠質量(liang)，進(jin)(jin)而影(ying)響后續加工。利用(yong)Met- Flow軟件對Ti60高(gao)溫鈦合(he)金的真空自耗熔煉過(guo)(guo)程(cheng) 進(jin)(jin)行了數值(zhi)仿真，熔煉過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)的熔池形狀(zhuang)和凝固(gu)過(guo)(guo) 程(cheng)中(zhong)合(he)金元素再(zai)分配的基本規律(lv)如圖(tu)4所(suo)示。

不(bu)同合金元素再溶(rong)煉的凝(ning)固過程中發生的溶(rong)質 再分配情(qing)況是不(bu)同的，從而(er)在鑄錠(ding)中形(xing)成的元素分 布情(qing)況也是不(bu)同的。

溶質分配系數K₀>1的元素在非平衡凝固過程 中會先凝固，因而在起弧端和表面的含量更高。相 反,溶質分配系數K₀<1的元素會在冷卻過程中隨著固溶度降低而富集在液相區，從而在鑄錠冒口端和 心部含量更高。所以選擇最佳的熔煉工藝參數就是 讓K₀接近1。結合Ti60鑄錠本身的特性，設置 溶煉工藝參數時控制電流電壓，使其具有較高的溶化速率;控制補縮高度，減小冒口高度;高真空度,減 少雜質元素進入;較強的冷卻速率，使得K₀接近1, 從而(er)保證鑄錠質量保持在較高的水平。

從試驗結(jie)果看(kan)，說明制定(ding)的工藝(yi)參數恰當，可以(yi) 保(bao)證鑄錠的化學成(cheng)分均勻、無偏析。

3、結論

1) 海綿鈦的選擇以及配(pei)料(liao)、混料(liao)、壓制電極和 熔煉工藝參(can)數的優化(hua)是(shi)控制Ti60高溫鈦合金鑄鍵 成(cheng)分(fen)均勻性的關鍵。

2) 選擇合適(shi)的(de)中間合金(jin)和配料方法，可以有效 地控制熔點、密度(du)(du)不同(tong)的(de)合金(jin)元素在鑄錠中的(de)均勻 性(xing)，避免偏析、缺陷(xian)以及高、低密度(du)(du)夾雜。

3) Ti60具有很好(hao)的(de)(de)高(gao)(gao)溫力學性能(neng)，質量(liang)較高(gao)(gao)的(de)(de) 鑄錠(ding)，可以更好(hao)地進行后續的(de)(de)加工(gong)工(gong)序。

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