熔煉方式對(duì)TC17鈦合金鑄錠化學(xué)成分及棒材組織均勻性的影響研究

岳 旭，楊國慶，李渭清，喬 璐，馬寶軍，張平輝，何書林，賈栓孝

(1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014)(2.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)(3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

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熔煉方式對(duì)TC17鈦合金鑄錠化學(xué)成分及棒材組織均勻性的影響研究

岳 旭1,3，楊國慶1，李渭清1，喬 璐1，馬寶軍2，張平輝2，何書林2，賈栓孝1

(1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014)(2.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)(3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

對(duì)比分析一次電子束冷床爐熔煉(EBCHM)加一次真空自耗電弧爐熔煉(VAR)和三次真空自耗電弧爐熔煉生產(chǎn)的φ820 mm TC17鈦合金鑄錠的化學(xué)成分均勻性，以及由這兩種鑄錠經(jīng)相同工藝鍛造得到的棒材的組織均勻性。結(jié)果表明，通過原材料控制和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，兩種熔煉方式均可生產(chǎn)出化學(xué)成分均勻、雜質(zhì)含量可控的大規(guī)格TC17鈦合金鑄錠，且EBCHM+VAR工藝在殘鈦回收方面具有優(yōu)勢(shì)；兩種工藝得到的鑄錠，經(jīng)相同的鍛造工藝可獲得組織均勻的棒材，為航空轉(zhuǎn)動(dòng)件提供材料支撐。

TC17鈦合金；電子束冷床爐熔煉；真空自耗電弧爐熔煉；化學(xué)成分；組織

0 引 言

TC17鈦合金名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，是一種綜合性能優(yōu)良的近β型兩相鈦合金，不僅具有較高的強(qiáng)度、斷裂韌性、熱穩(wěn)定性和疲勞性能，而且淬透性高、熱加工性能好，眾多先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)整體葉盤鍛件選用了該合金。隨著鍛件整體化設(shè)計(jì)的發(fā)展，TC17鈦合金鍛件單重不斷增加，為了保證同批次鍛件的數(shù)量，對(duì)其鑄錠熔煉單重提出了更高的要求。由于TC17鈦合金含有4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的共析元素Cr和4%的高熔點(diǎn)元素Mo，導(dǎo)致其大規(guī)格鑄錠成分均勻性控制難度極大，在工程化應(yīng)用過程中棒材和鍛件很容易出現(xiàn)“低倍亮斑”(β斑)等冶金問題，致使塑性和疲勞性能惡化[1-2]。

目前，鈦合金鑄錠的主要生產(chǎn)方式仍然為真空自耗電弧爐熔煉(VAR)，但是利用此方法生產(chǎn)的鑄錠容易產(chǎn)生化學(xué)成分宏觀和微觀偏析等缺陷，并且隨著鑄錠規(guī)格的增大，熔池深度也相應(yīng)增加，鑄錠心部結(jié)晶速度減緩，對(duì)于易偏析元素Cr含量較高的TC17鈦合金來說，其熔煉更為困難[3]。電子束冷床爐熔煉(EBCHM)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種熔煉技術(shù)，經(jīng)過50多年的發(fā)展，在優(yōu)質(zhì)鈦合金鑄錠的生產(chǎn)中已占據(jù)相當(dāng)重要的地位。該熔煉方式可以控制金屬為液態(tài)的時(shí)間，并誘導(dǎo)密集微粒進(jìn)入凝殼，同時(shí)可有效去除原料中的高低密度夾雜。近年來，國內(nèi)對(duì)TC4鈦合金的EBCHM已進(jìn)行了較多的研究[4-6]，工業(yè)化生產(chǎn)也比較穩(wěn)定，但對(duì)于TC17等其他鈦合金的EBCHM研究仍然較少。電子束冷床爐熔煉加真空自耗電弧爐熔煉(EBCHM+VAR)是在EBCHM基礎(chǔ)上增加了VAR，可以更好地控制大型鑄錠的結(jié)晶組織，改善其表面質(zhì)量，主要用于生產(chǎn)輪盤、鼓筒、軸類等發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件用的優(yōu)質(zhì)鈦合金。

本研究對(duì)比了一次電子束冷床爐熔煉加一次真空自耗電弧爐熔煉和三次真空自耗電弧爐熔煉獲得的φ820 mm TC17鈦合金鑄錠的成分均勻性，以及兩種不同熔煉方式獲得的TC17鈦合金鑄錠經(jīng)相同工藝鍛造得到的φ250 mm棒材的組織均勻性，以期探尋TC17鈦合金大型優(yōu)質(zhì)鑄錠合適的生產(chǎn)工藝，為TC17鈦合金在我國航空轉(zhuǎn)動(dòng)件上的工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

分別按照兩種方案生產(chǎn)TC17鈦合金鑄錠。

方案A:以0級(jí)海綿鈦、Al-Mo-Cr三元中間合金和TC17鈦合金塊狀返回爐料(含量大于50%)為原料，經(jīng)2 400 kW電子束冷床爐熔煉得到規(guī)格為φ736 mm的一次錠后，再經(jīng)VAR熔煉得到規(guī)格為φ820 mm的TC17鈦合金成品鑄錠。

方案B：以0級(jí)海綿鈦、Al-Mo-Cr三元中間合金為原料，經(jīng)三次真空自耗電弧爐熔煉得到規(guī)格為φ820 mm的TC17鈦合金成品鑄錠。

按圖1所示在鑄錠軸向頭、上、中、下、底5個(gè)部位的外圓處和冒口橫截面13個(gè)部位取樣，用化學(xué)分析法檢測(cè)鑄錠的化學(xué)成分。

圖1 TC17鈦合金鑄錠化學(xué)成分取樣位置示意圖Fig.1 Chemical composition sampling schematic of TC17 titanium alloy ingot

將經(jīng)兩種不同熔煉方式生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠通過相同的鍛造工藝加工成φ250 mm的棒材。在棒材頭部和底部位置的邊部、1/4D處和心部共6個(gè)部位分別切取檢測(cè)試樣，利用金相法測(cè)定相變點(diǎn)；在頭部位置切取20 mm厚本體試樣，檢測(cè)高、低倍組織。對(duì)棒材進(jìn)行(Tm+30)℃×2 h/AC的β再結(jié)晶處理和(Tm-25)℃×2 h/WC+630 ℃×6 h/AC的近β固溶時(shí)效處理后，分別進(jìn)行β再結(jié)晶組織檢測(cè)和β斑檢測(cè)。其中，使用OLYMPUS GX71型金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，所用的腐蝕液為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄錠化學(xué)成分

經(jīng)兩種不同熔煉方式獲得的TC17鈦合金鑄錠化學(xué)成分分析結(jié)果顯示，Al、Sn、Zr、Mo、Cr 5種主元素含量均能滿足GJB 2218A—2008《航空用鈦及鈦合金棒材和鍛坯規(guī)范》要求。鑄錠頭、上、中、下、底5個(gè)部位及冒口部位13點(diǎn)成分分析結(jié)果顯示，鑄錠化學(xué)成分分布均勻。表1為經(jīng)兩種熔煉方式生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠主元素軸向及橫向含量的最大偏差。

表1 TC17鈦合金鑄錠主元素化學(xué)成分偏差(w/%)

由表1可見，兩種工藝方案生產(chǎn)的φ820 mm TC17鈦合金鑄錠主元素化學(xué)成分在軸向和橫向的分布都比較均勻，說明通過合理的原料選擇和工藝設(shè)計(jì)，兩種熔煉方式均可生產(chǎn)出化學(xué)成分均勻性良好的TC17鈦合金大規(guī)格鑄錠，能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

TC17鈦合金鑄錠的純凈度對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱穩(wěn)定性和疲勞性能影響較大，表2為兩種方式生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠雜質(zhì)含量分析結(jié)果。從表2可以看出，兩種鑄錠均有較好的純凈度。VAR通過控制原料(海綿鈦和合金添加劑)純凈度及熔煉過程來保證鑄錠的純凈度，而EBCHM通過將熔煉、精煉與結(jié)晶分離，利用靈活的高能熱源，達(dá)到有效去除鈦合金中各種夾雜物的目的。美國航空標(biāo)準(zhǔn)已將EBCHM納入航空旋轉(zhuǎn)件、結(jié)構(gòu)件用鈦合金材料必須采用的熔煉技術(shù)。此外，EBCHM可使用返回爐料生產(chǎn)出高純凈度的鈦合金鑄錠，極大程度降低鈦合金的生產(chǎn)成本。

表2 TC17鈦合金鑄錠的雜質(zhì)元素含量(w/%)

2.2 棒材相變點(diǎn)及組織

2.2.1 相變點(diǎn)

φ250 mm TC17鈦合金棒材相變點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 TC17鈦合金棒材不同部位的相變點(diǎn)Fig.2 Phase transformation temperatures of TC17 titanium alloy bars at different positions

結(jié)合表1中主元素含量最大偏差不大于0.3%的測(cè)試結(jié)果，按照單個(gè)元素對(duì)(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度的影響推算可知，不同部位相轉(zhuǎn)變溫度差異應(yīng)不大于11.6 ℃，與圖2中不大于10 ℃的結(jié)果吻合。GE公司資料指出，TC17鈦合金允許的成分偏析判據(jù)為:成分偏析引起的(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度差異不超過25 ℃[7]。說明兩種熔煉方式生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠化學(xué)成分均勻性較好，均能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

2.2.2 低倍組織

在成品棒材頭部位置切取試樣進(jìn)行低倍組織檢測(cè)。圖3、4分別為TC17鈦合金棒材經(jīng)(Tm+30)℃×2 h/AC 的β再結(jié)晶處理前后的低倍組織照片。

圖3 TC17鈦合金棒材加工態(tài)的低倍組織Fig.3 Macrostructures of TC17 titanium alloy bars at working state

兩種棒材加工態(tài)低倍組織均呈模糊晶，不同部位組織均勻一致，均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜、偏析等冶金缺陷，未發(fā)現(xiàn)因Cr、Mo偏析引起的異常“亮條”組織。經(jīng)β再結(jié)晶處理后，均為均勻的等軸再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?chǔ)戮Я?，不同部位β晶粒尺寸均勻一致，無異常大晶粒出現(xiàn)。

圖4 TC17鈦合金棒材經(jīng)β再結(jié)晶處理后的低倍組織Fig.4 Macrostructures of TC17 titanium alloy bars after β-recrystallization treatment

2.2.3 顯微組織

圖5為兩種棒材加工態(tài)的顯微組織照片。由圖5可見，兩種熔煉方式生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠經(jīng)相同鍛造工藝加工得到的棒材顯微組織均為兩相區(qū)加工組織，轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w上均勻分布著等軸狀初生α相，初生α相所占比例為60%左右，平均尺寸大約為6 μm，均未發(fā)現(xiàn)長條或大塊α相，未發(fā)現(xiàn)不均勻組織。

圖5 TC17鈦合金棒材加工態(tài)的顯微組織Fig.5 Microstructures of TC17 titanium alloy bars at working state

圖6為兩種棒材經(jīng)(Tm-25)℃×2 h/WC+630 ℃×6 h/AC近β固溶時(shí)效處理后的顯微組織照片。

圖6 TC17鈦合金棒材經(jīng)近β固溶時(shí)效處理后的顯微組織Fig.6 Microstructures of TC17 titanium alloy bars afternear β solution and ageing treatment

經(jīng)近β固溶時(shí)效處理時(shí)，由于溫度接近相變點(diǎn)，TC17鈦合金棒材顯微組織中初生α相逐漸向β基體中溶解，而TC17鈦合金中常見的富Cr偏析可明顯降低該區(qū)域的相變點(diǎn)，使得該部位初生α相含量明顯減少，或者直接達(dá)到β相區(qū)而形成魏氏組織，因此，經(jīng)近β處理后可更大限度的檢測(cè)TC17鈦合金中的偏析情況。由圖6可以看出，兩種棒材經(jīng)近β處理后的顯微組織中，初生α相分布均勻，所占比例減少到20%左右，α相尺寸也有所減小。說明化學(xué)成分分布均勻且不同區(qū)域具有相近的相轉(zhuǎn)變溫度，在加熱過程中，初生α相能夠均勻溶解于β基體中并在水冷后得到保留。

3 熔煉方式的對(duì)比分析

3.1 VAR技術(shù)

采用VAR技術(shù)熔煉TC17鈦合金大規(guī)格鑄錠時(shí)，鑄錠自下而上在結(jié)晶器中連續(xù)凝固增高，由于該合金中有較高含量的易偏析元素Cr(分配系數(shù)k<1)，在熔煉過程中呈較強(qiáng)的正偏析性，會(huì)不可避免地使合金元素在樹枝狀晶間富集而形成偏析。在熔煉的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，熔池呈錐形，圓周的冷卻強(qiáng)度比底部施加的冷卻強(qiáng)度大，結(jié)晶方向基本上指向截面中心，因此正偏析元素向截面中心富集程度增加[8]，從而導(dǎo)致采用VAR技術(shù)生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠橫向化學(xué)成分偏差遠(yuǎn)大于軸向化學(xué)成分偏差，如表1所示。并且，隨著結(jié)晶器尺寸的增大，熔池深度增加，在生產(chǎn)大規(guī)格鑄錠時(shí)心部等軸晶區(qū)域增大，會(huì)進(jìn)一步加大Cr元素的結(jié)晶偏析程度。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以通過以下4種方式來提高鈦合金鑄錠的成分均勻性，盡可能地消除偏析：①降低易偏析元素含量；②改善合金元素的加入方式，采用適當(dāng)?shù)闹虚g合金；③改變合金元素在電極中的分布；④降低熔煉速度等。這些方法已在工業(yè)化生產(chǎn)中取得了較為滿意的效果。但是，由于合金成分、原料狀況、工序質(zhì)量控制、實(shí)際熔煉條件、員工操作水平等各不相同，仍會(huì)不可避免的出現(xiàn)一些微觀偏析，這是VAR技術(shù)的固有缺點(diǎn)。

對(duì)于采用VAR技術(shù)熔煉的TC17鈦合金鑄錠，可以在棒材及鍛件加工過程中通過特殊的生產(chǎn)工藝來控制因微區(qū)成分偏析而引起的組織和力學(xué)性能問題。通常采用的方法有：①在相變點(diǎn)以上100～200 ℃對(duì)鑄錠進(jìn)行長時(shí)間均勻化高溫?cái)U(kuò)散處理，使鑄錠微區(qū)偏析得到充分?jǐn)U散；②通過降低鍛造溫度、控制鍛造速度等方法使變形過程遠(yuǎn)離相變點(diǎn)并減小鍛造過程的局部溫升以避免β斑的產(chǎn)生[9-10]。

3.2 EBCHM技術(shù)

電子束冷床爐在設(shè)計(jì)上將水冷銅爐床和坩堝分開，允許輸入能量和熔煉速率的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)了原材料熔化和鑄錠熔煉凝固的分離。金屬可在爐床上分段熔化、精煉和凝固，使提純和凝固得到分開。并且可接受多種加料方式，鈦殘料回收較為容易，當(dāng)使用其他熔煉方式無法使用的殘料時(shí)，仍能得到純凈的鈦合金鑄錠，大幅度降低產(chǎn)品的成本。同時(shí)能夠有效地去除鉭、鉬、鎢、碳化鎢等高密度夾雜(HDI)和氮化鈦、氧化鈦等低密度夾雜(LDI)[11]。從表2可以看出，即使殘料加入量大于50%，仍能生產(chǎn)出純凈度很好的TC17鈦合金鑄錠。此外，由于爐床熔煉的熔池較淺，還可以使結(jié)晶偏析降至最小，對(duì)于高熔點(diǎn)元素Mo和易偏析元素Cr含量較多的TC17鈦合金熔煉更為有利。據(jù)報(bào)道，美國空軍ManTech計(jì)劃在研制用冷爐床生產(chǎn)鈦合金中獲得了令人滿意的效果，所生產(chǎn)的鈦合金基本沒有低密度缺陷和高密度缺陷，同時(shí)沒有第Ⅱ相(Al)偏析和β斑[12]。

但是對(duì)于EBCHM來說，Al的標(biāo)準(zhǔn)蒸汽壓比Ti大約高4個(gè)數(shù)量級(jí)，在電子束熔煉的高真空下，鈦合金中Al很容易揮發(fā)，不僅會(huì)污染爐子，也不利于合金成分的控制。從表2可以看出，EBCHM+VAR方法生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠軸向和橫向的Al元素偏差均大于單純使用VAR方法生產(chǎn)的TC17鈦合金鑄錠。在生產(chǎn)中，可通過控制熔煉速度、熔煉功率、調(diào)節(jié)掃描方式和頻率等方法來控制Al元素?fù)]發(fā)，也可對(duì)經(jīng)過冷床爐初熔的一次錠進(jìn)行真空自耗電弧爐的二次重熔來保證成品鑄錠的成分均勻性，并且已經(jīng)取得了較為滿意的效果[13-14]。

4 結(jié) 論

(1)通過原料優(yōu)選以及合理的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，兩種工藝均可生產(chǎn)出高品質(zhì)的φ820 mm TC17鈦合金鑄錠。

(2)EBCHM+VAR方法在使用50%的返回爐料的情況下，仍生產(chǎn)出了化學(xué)成分均勻且滿足GJB 2218A—2008標(biāo)準(zhǔn)要求的、雜質(zhì)元素含量可控的大型優(yōu)質(zhì)鑄錠，表明該工藝在回收殘鈦方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

(3)兩種工藝獲得的鑄錠用相同的鍛造工藝均得到了組織均勻的棒材，可為航空轉(zhuǎn)動(dòng)部件提供合格的棒材。

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Effect of Melting Method on Chemical Composition and Microstructure Homogeneity of TC17 Titanium Alloy Ingots and Bars

Yue Xu1,3,Yang Guoqing1,Li Weiqing1,Qiao Lu1,Ma Baojun2,Zhang Pinghui2,He Shulin2,Jia Shuanxiao1

(1.Baoji Titanium Industry Co. ,Ltd. , Baoji 721014, China) (2.Baoti Group Co. ,Ltd. , Baoji 721014, China) (3.Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The chemical composition uniformity ofφ820 mm TC17 titanium alloy ingots produced by single electron beam cold hearth melting(EBCHM)plus single vacuum arc remelting(VAR)as well as triple vacuum arc remelting were compared, and the microstructure homogeneity of the bars which produced by these two TC17 titanium alloy ingots were also analyzed. It can be found that through the raw materials control and process parameters design, both melting methods can produce large sized TC17 titanium alloy ingots with uniform chemical composition and low impurity content. Furthermore, EBCHM+VAR method has advantage in recovery of residual titanium. The TC17 titanium alloy bars produced by the two ingots both have homogeneous microstructure, and can provide material support for aircraft rotating parts.

TC17 titanium alloy；electron beam cold hearth melting；vacuum arc remelting；chemical composition, microstructure

2016-06-03

岳旭(1985—)，男，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)05-0011-05