引言

高溫鈦合金是一類(lèi)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(dòng)機(jī)渦輪葉盤(pán)葉片用的高溫鈦合金，長(zhǎng)時(shí)間的工作溫度達(dá)到600℃[1]，目前有多種牌號(hào)的高溫鈦合金用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)，例如有英國(guó)的IMI834、美國(guó)的Ti1100、俄羅斯的BT18[2?5]，以及我國(guó)西北有色金屬研究院開(kāi)發(fā)的Ti600[6]、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所與寶鈦集團(tuán)有限公司開(kāi)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三種高熔點(diǎn)的β型穩(wěn)定元素，通過(guò)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)入到了工業(yè)化試驗(yàn)的階段，因?yàn)槠渲泻卸喾N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(guò)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(guò)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(wú)偏析、無(wú)夾雜的高品質(zhì)鑄錠是熔煉的關(guān)鍵。針對(duì)以上制備技術(shù)難點(diǎn)，筆者選用合適的中間合金、以及0A級(jí)軍工小粒海綿鈦，經(jīng)過(guò)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(wú)偏析、無(wú)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(duì)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(duì)較低的0A級(jí)軍工小粒海綿鈦，粒度范圍在3～12.7mm。人工分揀按國(guó)標(biāo)GB/T2524?2019執(zhí)行。

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

1.2工藝路線(xiàn)

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

2、結(jié)果分析與討論

2.1鑄錠表面

經(jīng)過(guò)3次真空自耗電弧爐熔煉制備，得到?310mm的Ti60高溫鈦合金鑄錠，如圖3所示，從圖3可以看出，鑄錠表面質(zhì)量良好，潔凈度較高，沒(méi)有任何的冷隔、夾雜等缺陷。從熔煉過(guò)程中可以看出熔池比較穩(wěn)定，金屬液體的流動(dòng)性較好，熔滴速度較為合適，熔滴擴(kuò)散充分并且與坩堝完全接觸。在冷卻的過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)夾雜、空洞等缺陷。

2.2鑄錠成分分析

將三次熔煉后得到的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)鑄錠合金元素Al、Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr以及C的成分以及雜質(zhì)元素H、O、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(guò)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(guò)0.06%。

H、O、N等雜質(zhì)元素的控制復(fù)合預(yù)期效果。總體來(lái)講，通過(guò)對(duì)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(lèi)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(lèi)以及含量較高，很難進(jìn)行均勻混料，無(wú)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10min，然后再進(jìn)行電極塊的壓制，壓制好的電極塊放入干燥箱中

進(jìn)行保存，以免吸入空氣中的H、O、N等雜質(zhì)元素。從結(jié)果來(lái)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、2662℃和2996℃，密度為38.4、10.22g/cm3和16.6g/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7.31g/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(guò)程中由于熔點(diǎn)較高，很難被迅速的熔化，只能

通過(guò)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熔點(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TiTa15中間合金加入、Mo以AlMo60中間合金加入、Si以AlSi50中間合金加入，C選擇純度≥99.7%，粒度8～13mm的高純碳粉。

2.4熔煉工藝參數(shù)的控制

在Ti60鑄錠熔煉過(guò)程中由于添加的合金元素種類(lèi)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(duì)Ti60高溫鈦合金的真空自耗熔煉過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，熔煉過(guò)程中的熔池形狀和凝固過(guò)程中合金元素再分配的基本規(guī)律如圖4所示。

不同合金元素再熔煉的凝固過(guò)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(guò)程中會(huì)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(huì)在冷卻過(guò)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值接近1[7]。結(jié)合Ti60鑄錠本身的特性，設(shè)置熔煉工藝參數(shù)時(shí)控制電流電壓，使其具有較高的熔化速率；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(shuō)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(wú)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高溫鈦合金鑄錠成分均勻性的關(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 ℃[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010，20（S1）：801?806.

（魏壽庸, 石衛(wèi)民, 王鼎春, 等. 600 ℃時(shí)高溫鈦合金(Ti60)的組織與力學(xué)性能[J]. 中國(guó)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(guó)防工業(yè)出版社, 2002: 83.）

[ 4 ]Sun Feng, Li Jinshan, Kou Hongchao, et al.Ti60titanium alloyαphase dissolution kinetics and solid solution microstructure characteristics[J]. Chinese ournal of Nonferrous Metals, 2010，20（s1）：437?441.

（孫峰, 李金山, 寇宏超, 等. Ti60鈦合金α相溶解動(dòng)力學(xué)及固溶組織特征[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010，20（s1）：437?441.）

[ 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(dòng)機(jī)用高溫鈦合金發(fā)展綜述[J]. 航空發(fā)動(dòng)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（z1）：35?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（z1）：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.

（李獻(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.）