真空自耗熔炼TC11钛合金成分均匀性影响因素

引言

钛及钛合金因比强度高，热稳定性好，耐腐蚀及无磁性等优异的性能而被赋予“太空金属”，广泛应用于航空航天、化工和民用等领域。TC11合金是一种综合性能良好的α+β型钛合金，在500℃以下有优异的热强性能，并且具有较高的室温强度。该合金是一种热强型钛合金，在航空发动机上用作压气机等重要部件，TC11钛合金材料成分是否均匀，关系到材料应用的安全性。试验采用真空熔炼的方法熔炼TC11合金，对影响合金成分均匀分布的因素进行分析，探究关键工艺参数，确保合金成分均匀。

2、实验

2.1 实验方法

国产TC11合金的名义化学成分为：Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，根据化学成分，杂质元素O、N、H的含量与基体海绵钛化学成分有关外，Fe和C的含量以及TC11合金中的铝、钼、锆、硅的含量均能进行人为控制。实验材料为优质0A级小粒度海绵钛，铝一硅合金、铝一钼合金和海绵锆。

工艺流程为：海绵钛-->压制电极(加入合金添加剂)-->电极组焊-->一、二次熔炼-->成分分析-->合格铸锭

2.2 测试

用碳硫分析仪分析铸锭中的碳、硅含量；用氮氢氧联合测定仪分析铸锭中氮、氢、氧的含量；等离子体发射光谱仪分析铸锭中铁、铝、钼、锆元素的含量。

3、结果与讨论

3.1 原料成分选择

TC11合金中各组分的物理性质：铝的密度2.7g/cm³，熔点为660℃，硅的密度为2.33g/cm³，熔点为1410℃，钼的密度为10.2g/cm³ ，熔点为2610℃。若以纯金属形式加入铝、钼、硅，则TC11合金容易产生高熔点、高密度夹杂和偏析。为克服偏析以及不熔杂质在熔炼过程中带来的冶金缺陷，需要选择密度、熔化潜热与海绵钛接近的铝一钼和铝一硅中间合金作为添加剂。

合金添加剂和基体海绵钛粒度应控制在一定范围内，基体海绵钛选择小粒度产品，而铝一钼、铝．硅和金属锆粒的颗粒也需细小，使各个组元在电极块压制过程中尽量均匀分布。

3.2 铸锭冷却过程控制

真空熔炼是一个熔化与冷却结晶同步进行的连续的过程，须控制适当的冷却水流量和温度，冷却速度过快，导致熔滴落入熔池后不能与之充分的结合变凝固，会导致液态钛不能在搅拌的作用下到达坩埚壁开始凝固，进而使海绵钛中存在的气体和夹杂不能溢出。

冷却水流量大小及进出水温差大小需要根据铸锭的凝固情况调节控制，以获得成分均匀、不偏析的合金。实验中，通过进出水流量计的调控，调节熔铸过程中冷却水流量大小，流量大，冷却水进出速度快带走热量相对大，冷却速度就快，通过进出水流量控制，进而控制进出水温度，使铸锭凝固过程得到控制。

3.3 熔炼电参数控制

稳弧线圈对熔池具有一定搅拌作用，使成品铸锭表面均匀。熔池搅拌是获得良好的结晶组织以利于锻造加工的基础。线圈的电流连续不断地沿着一个方向流动，凝固时，晶粒会在某一方向优先长大，对锻造不利。实际中，可每隔几秒将直流电极性转换，补偿熔池固有的旋转。使两相的熔融金属在稳弧电流的搅拌下，充分混合均匀。

若要得到内外质量都好的成品锭，还须满足其它条件，包括最佳的电参数，最佳的坩埚比等。真空白耗熔炼TC11的重要参数有电压、电流、真空度和熔炼速度等。特别是电流，如电流过低，则熔池太浅，熔池温度较低，导致自耗电极中海绵钛及合金添加剂熔化不充分，在稳弧电流磁场力作用下快速移向熔池边缘或漂浮于熔融钛液表面，在熔炼结束后埋于铸锭端部形成缩孔或夹杂。因此，熔炼时通过调节稳弧电流，使熔池充分搅拌，保证产品质量行之有效的办法。

3.4 TC11合金的化学成分分析

合金铸锭在真空度为5Pa以内，熔炼电流为18KA～20KA，电压为35V，稳弧电流为10A的条件下，合金铸锭的不同部位成分分析见表1。

由TC11钛合金锭的上部、中部、下部的成分理化分析结果可见，真空白耗熔炼TC11钛合金铸锭成分中的铝、钼、锆、硅合金元素分布均匀。

4、结论

(1)原料合金添加剂的选择，需密度、比热容、熔化潜热与基体金属接近。

(2)铸锭冷却及稳弧电流方向的参数控制，是铸锭均匀性关键因素。

参考文献：

[1]赵冰洋．海绵钛国内外市场现状及发展方向[J]轻金属，2007(08)：44—48．

[2]氧、铁、氮等杂质元素对TC11合金等温锻件性能的影响[J]．上海钢研，2004(02)：33—3．

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