VAR熔煉TC2鈦合金

TC2合金名義化學(xué)成分為Ti-4Al-1.5Mn，是一種700MPa等級的α+β型鈦合金，具有中等強(qiáng)度和較好塑性，與TC1、TA21同屬于Ti-Al-Mn系合金。由于其具有較高的強(qiáng)度、良好的成型性和焊接性能，綜合力學(xué)性能較好，在航空工業(yè)、宇航行業(yè)、化工工業(yè)、造船業(yè)等方面日益得到廣泛的應(yīng)用。

在TC2鑄錠真空自耗熔煉過程中，鋁、錳屬于易揮發(fā)組元，在真空熔煉條件下大量揮發(fā)，除相當(dāng)部分被真空機(jī)組抽出外，大部分在鑄錠周邊和頂部富集，尤其是Mn元素更為嚴(yán)重，鑄錠表層的含錳量可高達(dá)中心部位的15倍，這會(huì)造成鑄錠化學(xué)成分不均勻，產(chǎn)生嚴(yán)重錳偏析，影響產(chǎn)品的力學(xué)性能和質(zhì)量。因此如何控制TC2合金熔煉過程中主組元揮發(fā)現(xiàn)象就顯得尤為重要。

科研人員從熱力學(xué)角度探討TC2合金熔體中各組元的飽和蒸氣壓以及熔煉過程中各組元的揮發(fā)趨勢，分析了TC2鈦合金中各元素的分布特點(diǎn)，為TC2合金的VAR熔煉提供理論指導(dǎo)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，生產(chǎn)出合格的TC2合金鑄錠。

TC2合金中Al、Mn元素的熔點(diǎn)分別為660℃、1245℃，都與基體Ti的熔點(diǎn)差別較大。為了消除鑄錠組織中出現(xiàn)的各組分的偏析，確保其組分的均勻化，中間合金的選擇和制備至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)Al、Mn組元采用二元中間合金的形式加入，并且對海綿鈦及中間合金進(jìn)行特殊處理后壓制電極。

由于Al、Mn的蒸汽壓比Ti的蒸汽壓高很多，尤其是Mn元素，在熔煉過程中揮發(fā)損失太多，以至于較難控制?？紤]實(shí)際生產(chǎn)的安全操作，本實(shí)驗(yàn)一次熔煉在真空中進(jìn)行，目的是為了使化學(xué)成分均勻，有效降低合金元素?fù)]發(fā)損失；二次熔煉在惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，并適當(dāng)增加合金元素的配入量。

從VAR熔煉特征來看，合金組元偏析的因素與熔池深度有關(guān)，而控制熔池深度最關(guān)鍵的參數(shù)為電極熔煉速度。本實(shí)驗(yàn)熔煉過程采用“恒熔速熔煉”。利用具備稱重系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)的10噸真空自耗電弧爐，通過在線檢測單位時(shí)間內(nèi)熔化的合金重量，與設(shè)定目標(biāo)值進(jìn)行比較，再根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)整熔煉電流和電壓以保證熔化速度與設(shè)定目標(biāo)一致。除此之外，嚴(yán)格控制其它參數(shù)，如攪拌磁場、冷卻強(qiáng)度、錠高比以及爐室壓力等，使熔池形狀盡量扁平，從而達(dá)到控制熔池深度及形狀的目的。

按照以上控制措施試制了經(jīng)兩次熔煉規(guī)格為Φ700mm的TC2合金鑄錠。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）TC2鑄錠中Al、Mn元素的飽和蒸汽壓較高，在真空熔煉過程中易揮發(fā)，尤其是Mn元素，向鑄錠表面富集。經(jīng)一次VAR熔煉后，鑄錠表層Mn含量約為名義含量的6～14倍。

（2）TC2合金在真空熔煉中，Mn元素的揮發(fā)損失約為Al元素?fù)]發(fā)損失的2倍。

（3）經(jīng)一次真空熔煉后的金屬揮發(fā)物中大量富集Al、Mn元素，Mn含量約為配入量的24倍。