引言

高溫鈦合金是一類設(shè)計(jì)使用溫度在400℃以上的鈦合金，Ti60作為航空航天發(fā)動機(jī)渦輪葉盤葉片用的高溫鈦合金，長時(shí)間的工作溫度達(dá)到600℃，目前有多種牌號的高溫鈦合金用于航空航天發(fā)動機(jī), 例如有英國的IMI834、美國的Ti1100、俄羅斯的 以及我國西北有色金屬研究院開發(fā)的Ti600[6]、中國科學(xué)院金屬研究所與寶鈦集團(tuán)有限公司開發(fā)的Ti60高溫鈦合金。

Ti60高溫鈦合金是一種多種微量合金元素組 成的近α型鈦合金，此種合金在Ti-Al-Sn-Zr-Si近α體系中，添加了少量的Ta、Mo和Nb二種局溶點(diǎn) 的β型穩(wěn)定元素,通過與α型穩(wěn)定元素Al、Sn、Zr 之間合理恰當(dāng)?shù)拇钆渑c協(xié)同作用，使得合金得到了 充分的固溶強(qiáng)化，又可以獲得金屬間化合物和硅化物的彌散強(qiáng)化，使得合金有較高的高溫強(qiáng)度以及高 溫抗氧化性，此外還有一定的同晶型β穩(wěn)定元素，因 此它具有良好的工藝性能和熱穩(wěn)定性，是一種復(fù)合 強(qiáng)化的高溫鈦合金，具有較高的綜合力學(xué)性能。

目前Ti60已經(jīng)進(jìn)人到了工業(yè)化試驗(yàn)的階段，因 為其中含有多種合金元素，合金元素的含量達(dá)到15.5%,并且含有多種高熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)的合金元素。 所以在鑄錠熔煉的過程中，如果因?yàn)檫x擇的中間合 金以及工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，很容易出現(xiàn)鑄錠的成分 分布不均勻，雜質(zhì)元素含量過高，偏析夾雜等現(xiàn)象， 因此控制好熔煉工藝參數(shù)，得到合金元素均勻化、 無偏析、無夾雜的局品質(zhì)鑄淀是溶煉的關(guān)鍵。針對以上制備技術(shù)難點(diǎn)，筆者選用合適的中間合金、以 及0 A級軍工小粒海綿鈦，經(jīng)過成分的配比以及均 勻混料，設(shè)置最優(yōu)的熔煉工藝參數(shù)，采用真空自耗電 弧熔煉技術(shù)，經(jīng)三次熔煉制備出合金成分均勻、雜質(zhì)元素控制良好、無偏析、無缺陷的Ti60高溫鈦合金鑄錠。

1、試驗(yàn)

1.1原料

此次試驗(yàn)由于對鑄錠的雜質(zhì)成分以及缺陷控制 嚴(yán)格，所以選用雜質(zhì)含量相對較低的0 A級軍工小 粒海綿鈦，粒度范圍在3 ~ 12.7mm，人工分揀按國標(biāo) GB/T 2524-2019 執(zhí)行。

選取鋁鉬合金、鋁鈮合金、鈦鉭合金、鋁硅合 金、招錫合金作為中間合金添加，粒度為1 ~ 6 mm， 其中 〇<0.1%, N<0.01%，F(xiàn)e<0.1%，海綿鋯：粒度 0.83 ~ 25.4 mm，其中 〇<0.1%，N<0.01%，F(xiàn)e<0.1%; 鋁逗:粒度8?13 mm，純度>99.7%。

1.2工藝路線

Ti60高溫鈦合金生產(chǎn)采用的工藝流程如圖1所示。

1.3取樣方法

通過三次熔煉得到的鑄錠，頭尾切片后取樣分 析成分，成品鑄徒頭尾切片10 ~ 15 mm作為成分樣 品分析。頭尾采取9點(diǎn)取樣法分析成分(見圖2)， 共計(jì)18個(gè)成分樣，用ICP法檢驗(yàn)各試樣成分(A1、 Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr、C、H、0、N)。

2、結(jié)果分析與討論

2.1鑄錠表面

經(jīng)過3次真空自耗電弧爐熔煉制備，得到 φ310mm的Ti60高溫鈦合金鑄鍵，如圖3所7K，從圖3可以看出，鑄錠表面質(zhì)量良好，潔凈度較高，沒 有任何的冷隔、夾雜等缺陷。從熔煉過程中可以看 出熔池比較穩(wěn)定，金屬液體的流動性較好，擦滴速度 較為合適,熔滴擴(kuò)散充分并且與坩堝完全接觸。在 冷卻的過程中沒有出現(xiàn)夾雜、空洞等缺陷。

2.2鑄錠成分分析

將三次溶煉后得到的Ti60鑄錠，取頭尾切片進(jìn) 行成分分析，切片厚度為10 ~ 15mm,采用9點(diǎn)取樣法，共計(jì)18個(gè)樣品。

用ICP檢驗(yàn)鑄鍵合金元素Al、Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr以及C的成分以及雜質(zhì)元素H、0、N的含 量，分析結(jié)果如表1所示。

由表1可知，Ti60鑄錠的元素成分控制的比較均勻，完全達(dá)到了行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中Nb、Mo、 Ta、C等高熔點(diǎn)元素可以控制在很均勻的范圍內(nèi), C元素由于添加略微超量，導(dǎo)致某些點(diǎn)含量超標(biāo)，但 總體偏差不超過0.03%。Sn元素分布比較均勻，Si 與Zr頭尾部成分比較均勻，但因配入量與燒損有關(guān)， 與目標(biāo)成分有些偏差，但總體偏差不超過0.06%。 H、0、N等雜質(zhì)元素的控制復(fù)合預(yù)期效果。總體來 講，通過對中間合金、海綿鈦的選控以及熔煉工藝 的控制，得到了成分均勻、雜質(zhì)元素控制在較高水 準(zhǔn)的Ti60鑄錠。

由于Ti60高溫鈦合金中的合金元素種類以及 含量較高，使用的中間合金含量高達(dá)15.5%，采用常 規(guī)的配料方式壓制電極塊，因?yàn)楹辖鸱N類以及含量 較高，很難進(jìn)行均勻混料，無法保證原料均勻分布在 每個(gè)電極塊中。所以采用海綿鈦與中間合金單塊電 極混料方式，每個(gè)電極塊均勻混料10 min,然后再 進(jìn)行電極塊的壓制，壓制好的電極塊放人干燥箱中 進(jìn)行保存，以免吸入空氣中的H、0、N等雜質(zhì)元素。 從結(jié)果來看，采用單塊電極混料方法，使原材料在電 極塊中均勻分布，從而保證鑄錠成分均勻。

2.3中間合金的選取

Ti60高溫鈦合金中含有較多高密度、低密度、 高熔點(diǎn)、低熔點(diǎn)合金元素，其中Nb、Mo、Ta元素的 熔點(diǎn)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(diǎn)達(dá) 到了 3550℃，低熔點(diǎn)的Sn元素熔點(diǎn)為232℃，密 度為7.31 g/cm³,都與純鈦的熔點(diǎn)和密度相差較大， 如果這些元素以單質(zhì)元素添加，很容易造成低熔點(diǎn) 元素在進(jìn)入熔池之前就被融化，從而引起Sn元素 的偏析分布不均勻，另外Nb、Mo、Ta、C元素在熔 煉的過程中由于熔點(diǎn)較高，很難被迅速的熔化，只能 通過單質(zhì)的擴(kuò)散作用進(jìn)行熔煉，而熔池的凝固時(shí)間 非常有限，擴(kuò)散不完全，這樣就很容易形成高熔點(diǎn)合金元素在鑄錠中的偏析甚至掉塊到鑄錠中。導(dǎo)致鑄 錠成分偏析不均勻。

為了消除鑄錠成分中由于各組元溶點(diǎn)、密度因 素出現(xiàn)的偏析，確保鑄錠成分的均勻，中間合金的選 取是非常關(guān)鍵的。根據(jù)鈦合金中間合金的選擇原則: 化學(xué)成分穩(wěn)定、均勻、粒度、熔點(diǎn)、密度都要與純鈦 相近。所以本次試驗(yàn)所需的合金元素以中間合金的 方式加入，其中Sn以AlSn50中間合金加入、Nb 以AlNb60中間合金加入、Ta以TiTal5中間合金 加人、Mo以A1Mo60中間合金加人、Si以AlSi50 中間合金加人，C選擇純度>99.7%，粒度8~ 13 mm的高純碳粉。

2.4熔煉工藝參數(shù)的控制

在Ti60鑄錠熔煉過程中由于添加的合金元素 種類較多且含量較大，如果熔煉工藝參數(shù)控制不當(dāng), 很容易出現(xiàn)鑄錠的偏析、成分不均勻，高、低密度夾 雜，影響鑄錠質(zhì)量，進(jìn)而影響后續(xù)加工。利用Met- Flow軟件對Ti60高溫鈦合金的真空自耗熔煉過程 進(jìn)行了數(shù)值仿真，熔煉過程中的熔池形狀和凝固過 程中合金元素再分配的基本規(guī)律如圖4所示。

不同合金元素再溶煉的凝固過程中發(fā)生的溶質(zhì) 再分配情況是不同的，從而在鑄錠中形成的元素分 布情況也是不同的。

溶質(zhì)分配系數(shù)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(zhì)分配系數(shù)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(qū)，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(shù)就是 讓K₀接近1。結(jié)合Ti60鑄錠本身的特性，設(shè)置 溶煉工藝參數(shù)時(shí)控制電流電壓，使其具有較高的溶化速率;控制補(bǔ)縮高度，減小冒口高度;高真空度,減 少雜質(zhì)元素進(jìn)入;較強(qiáng)的冷卻速率，使得K₀接近1, 從而保證鑄錠質(zhì)量保持在較高的水平。

從試驗(yàn)結(jié)果看，說明制定的工藝參數(shù)恰當(dāng)，可以 保證鑄錠的化學(xué)成分均勻、無偏析。

3、結(jié)論

1) 海綿鈦的選擇以及配料、混料、壓制電極和 熔煉工藝參數(shù)的優(yōu)化是控制Ti60高溫鈦合金鑄鍵 成分均勻性的關(guān)鍵。

2) 選擇合適的中間合金和配料方法，可以有效 地控制熔點(diǎn)、密度不同的合金元素在鑄錠中的均勻 性，避免偏析、缺陷以及高、低密度夾雜。

3) Ti60具有很好的高溫力學(xué)性能，質(zhì)量較高的 鑄錠，可以更好地進(jìn)行后續(xù)的加工工序。

參考文獻(xiàn)

[1 ] Wang Qingjiang, Liu Jianrong, Yang Rui. Present situation and prospect of high temperature titanium alloys[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34： 1-25.(王清江,劉建容，楊銳.高溫鈦合金的現(xiàn)狀與前景[J].航空材料學(xué)報(bào)，2014, 34: 1-25.)

[2 ] Wei Shouyong, Shi Weimin, Wang Dingchun, et al. Microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloy (Ti60) at 600 Tl[J]. Chinese Journal ofNonferrous Metals, 2010, 20(S1 )： 801-806.(魏壽庸，石衛(wèi)民，王鼎春，等.600 t時(shí)高溫鈦合金(Ti60)的組織與力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010, 20(S1): 801-806.)

[3 ] Li Chenggong, Aerospace materials[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2002: 83.(李成功.航空航天材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002: 83.)

[4 ] Sun Feng, Li Jinshan, Kou Hongchao, et al. Ti60 titanium alloy a phase dissolution kinetics and solid solution microstructure characteristics]^]. Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010, 20(si): 437—441.(孫峰，李金山，寇宏超，等.Ti60鈦合金a相溶解動力學(xué)及固溶組織特征[J]?中國有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(sl): 437-4.）

[5 ] Wei Shouyong, He Yu, Wang Qingjiang, et al. Development of high temperature titanium alloys for aeroengines in Russia[J]. Aircraft Engine, 2005, 31( 1 )： 52-58.(魏壽庸，何瑜，王清江，等.俄航空發(fā)動機(jī)用高溫鈦合金發(fā)展綜述m.航空發(fā)動機(jī)，2005, 31(1): 52-58.)

[6 ] Hong Quan, Zhang Zhenqi, Yang Guanjun. Hot working process, microstructure and properties of Ti600 alloy[J]. Journal of Metals, 2002, 38(zl): 135-137.(洪權(quán)，張振祺，楊冠軍.Ti600合金的熱機(jī)械加工工藝與組織性能[J].金屬學(xué)報(bào),2002, 38(zl): 135-137.)

[7 ] Li Xianjun. Control technology of chemical composition uniformity of large-scale pure titanium ingot[J]. Titanium Industry Progress, 2002, 19(3)： 27-29.(個(gè)獻(xiàn)軍.大規(guī)格純鈦鑄錠化學(xué)成分均勻性控制技術(shù)[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2002, 19(3): 27-29.)