TC4钛合金板材与钛合金铸锭熔炼工艺的对比分析

发布时间：2022-08-07 16:40:56 浏览次数：

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、高温性能好、无磁性、线膨胀系数小等特点，是新兴的结构材料和功能材料，应用越来越广泛。TC4（Ti-6Al-4V）合金是由美国的Illinois技术研究所于20世纪50年代初开发出来的α＋β型两相合金，是最早生产的钛合金之一，也是目前应用最广、产量最大的α＋β两相合金［1］。其具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及良好的韧性和焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车、模具、医药等部门得到成功应用。然而，由于钛具有化学活性强、熔点高以及间隙杂质含量对其性能影响极为敏感等特点［2］，使得工业生产中对TC4钛合金铸锭的化学成分、成分均匀性控制以及冶金质量控制等提出了很高的要求，从而凸显了TC4钛合金熔炼工艺的重要性。

TC4钛合金板

1、熔炼工艺

目前国际上常用的钛及钛合金熔炼工艺有真空自耗电弧炉熔炼法（VAR）和电子束冷床炉熔炼法（EBCHM）。

1.1　真空自耗电弧炉熔炼法（VAR）

真空自耗电弧炉熔炼法即为采用真空自耗电弧炉熔炼的方法。图1为VAR炉的结构和熔炼过程示意图。VAR应用直流电源在电极和放于水冷套中的铜模底板之间产生电弧（起弧）。电弧产生的高热熔化了电极，而坩埚因为有水冷却未被熔化。随着电极的熔化，熔融的金属从电极上落入到坩埚底部，从坩埚底部开始形成铸锭。随着电弧下的熔池从坩埚底部的不断提升，熔化金属也不断凝固形成铸锭，就像填满一个玻璃杯一样。在VAR熔炼中，钛电极被消耗掉。当整个钛电极消耗掉后，经过冷却，就在坩埚中形成了一个铸锭。其过程的实质是借助于直流电弧的热能，把已知化学成分的钛及钛合金的自耗电极在低压或惰性气氛中进行重新熔炼［３］。

VAR法是钛及钛合金的主要熔炼方法之一。在真空下重熔自耗电极的主要好处在于：

1）对于易挥发杂质和某些气体（如氢气、氮气）的去除有良好的效果；

2）利用高蒸气压减少不需要的微量元素；

３）提高氧化物清洁度；

４）实现了铸锭从底部到顶部的定向凝固，顺序凝固的熔铸方式有利于不溶杂质的上浮，因此避免了宏观偏析并减少了微观偏析；

5）多次重熔后铸锭的一致性和均匀性较好；

6）工艺自动化程度高，操作简单。

真空自耗电弧熔炼法作为生产钛锭的主要方法，其工艺技术已较为完善，近年来的工艺技术主要朝着铸锭尺寸大型化、工艺自动化、生产高效化发展。

1.2　电子束冷床炉熔炼法（EBCHM）

EBCHM工艺是在20世纪50年代为了精炼高熔点合金如铌、钽和钼等而发展起来的一种工艺［３］。电子束冷床炉熔炼的工作原理是以电子束作为热源，水冷铜坩埚为冷床，利用高速电子的动能转换成热能使金属熔化、精炼、浇铸成锭，如图2所示。电子束冷床炉的结构如图３所示。

通常电子束冷床炉有熔化区、精炼区和结晶区３个工作区。炉料通过进料斗进入到熔化区，进料斗可以独立于炉室真空系统而实现装料和抽真空。在熔化区，聚焦后的高能电子束轰击炉料的表面，炉料由固态变为液态，流向精炼区；在精炼区，液态金属进行精炼，通过挥发、溶解上浮、沉淀等机制去除杂质和夹杂，并充分实现合金化；然后通过溢流嘴缓缓注入结晶器，形成铸锭。炉床的溢流嘴以及锭模的金属表面区域仍有电子束加热。如果移除溢流嘴处的电子束，溢流的金属将会凝固，因此溢流嘴也可用作阀门使用。现代EBCHM炉床可以有两个或多个溢流嘴，每个溢流嘴下方都有一个锭模。当一个锭模充满金属后，电子束可以移动到第二个溢流嘴处熔化金属，开始填充第二个锭模。在第二个锭模填充金属的过程中，第一个锭模可以通过闭锁阀实现分离。通常炉床上装有一个拦截坝，可以预先决定金属液的流向，拦截坝阻止高密度夹杂（ＨＤＩｓ）进入锭模。ＨＤＩｓ沉到炉床底部，并且必须定时清除。

与VAR工艺相比，EBCHM工艺有其独特的特点和优势：

1）可以采用多种形式的原材料，无需制备电极，缩短了原料准备时间；

2）能够大量使用经济的原材料，如含有碳化钨杂质的切削料，残料添加比例可达100％；

３）在熔炼过程中可实现有规律地粘取试样，进行化学成分分析，保证生产高质量的铸锭；

４）通过控制功率密度，控制钛熔体在炉床中的停留时间，保证合金元素充分均匀化，避免偏析，且熔炼过程灵活，可根据需要而停止或重启；5）可以生产扁锭或空心锭，减少板材与管材生产时的后续加工，减少金属加工的损耗。采用矩形截面的锭坯用于钛合金板材生产能够显著提高金属收得率；

6）通过进料口和溢流嘴的控制，可以实现一次成锭，一炉多锭，降低熔炼费用，提高生产效率。

EBCHM技术是在减少夹杂，提高钛铸锭质量和降低钛材成本的双重要求下应运而生的，从20世纪80年代开始引起各国的高度关注，近年来的技术主要朝着海绵钛坨直接熔炼钛锭、利用计算机模拟技术和工艺控制生产高质量的钛合金铸锭和单次熔炼技术等方向发展。

2、TC4合金熔炼工艺的对比分析

铸锭的质量对其后续加工材的组织和性能起着决定性影响。铸锭质量的优劣主要从以下几个方面衡量：铸锭的不同部位化学成分是否均匀一致；主要杂质是否控制在适当的范围；铸锭内部有无夹杂、偏析、气孔、裂纹、锁孔和疏松等缺陷；铸锭表面是否光滑，头部缩孔切除量大小。从几个方面针对不同熔炼工艺生产的铸锭质量进行对比分析。

2.1　铸锭表面质量

图４分别为VAR法和EBCHM法熔炼TC4圆锭的宏观照片。由图４可以看出，VAR法生产的铸锭在铸锭表面的夹杂物和皮下气孔量较大，在锻造前必须对铸锭进行扒皮处理，且扒皮量较大，而EBCHM法生产的铸锭表面质量高，仅需较小的扒皮量就可以进行锻造和轧制。

2.2　化学成分分析

试验均采用相同的海绵钛及中间合金称料、混料，压制成φ560ｍｍ的半圆柱体，重量为67ｋｇ。VAR法经二次熔炼得到φ760ｍｍTC4铸锭，EBCHM法经单次熔炼得到同样规格的铸锭。TC4铸锭化学成分见表1。

根据《GB26060－2010钛及钛合金铸锭》中的要求，在去除铸锭表面5～7ｍｍ后，在铸锭距两端200～３00ｍｍ的侧面头尾两点取样，进行化学成分分析，如表2所示。

由表2可以看出，在原料配比相同的情况下，利用EBCHM法生产TC4铸锭时，Al元素挥发量较大，导致含量偏低，不符合国家标准要求，而VAR生产的铸锭元素含量都符合国标要求，在国标规定的范围内。

为了更好的利用EBCHM法的其它优点，针对EBCHM生产时Al元素挥发量较大的情况，我国不同机构和生产厂家进行了大量的研究和试验。其中某一厂家在配入质量分数为7.5％的Al元素和4.06％的Ｖ元素后，在熔炼速率为800kg/h的条件下得到TC4铸锭。经冷却和车光表面后，在铸锭多个径向和轴向面多点取样，进行化学成分分析，得到各元素分布数据表３所示。

由表３可知，此次试验得到的TC4合金铸锭Ｏ、Ｎ、Al、Ｖ元素含量都符合国标要求，在国标规定范围内，Al元素径向和轴向的含量均没有明显波动。Al元素的含量径向没有明显变化，比较均匀，而轴线有所下降，最终逐渐平稳［４］。

2.３　去除夹杂效果分析

钛及钛合金常见的夹杂有低密度夹杂（LDIs）和高密度夹杂（ＨＤＩｓ）。由间隙元素Ｎ、Ｏ、Ｃ污染造成的LDIs来自海绵钛、添加的残料和合金配料、电极制备（主要是焊接）和不良的熔炼操作，其中TIN的危害最大［5］。ＨＤＩｓ是由Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ等高熔点金属及其化合物混入引起的。

为了验证两种熔炼工艺去除夹杂的效果，试验采用经VAR一次熔炼的φ220ｍｍTC4合金锭。在铸锭上以一定间隔钻孔，依次放入不同尺寸的氮化海绵钛颗粒和ＹＧ8车刀刀头颗粒（其中WC占９2％）各10粒，然后经VAR二次熔炼和EBCHM熔炼得到相同规格的TC4铸锭。为检测TIN和WC的去除情况，在铸锭中部50ｍｍ长的范围内每5ｍｍ切一片作检测试样，另一部分送去开坯锻造，充分破碎了铸态组织后用Ｘ射线检测。结果表明，利用EBCHM法得到无论是铸锭还是开坯锻造后的棒材，在光学显微镜下及Ｘ射线探伤仪上均检测不到任何夹杂，而利用VAR法二次熔炼后得到的铸锭，无论是在什么情况下，都还能看到明显的TIN和WC颗粒。

2.４　铸锭性能

将EBCHM法一次熔炼成功的TC4钛合金扁锭和VAR法得到的铸锭锻造后得到的板坯分别经表面处理后在热轧机上进行开坯轧制，开坯后经交叉轧制进行多火次轧制，最终获得8ｍｍ厚度的板材。板材经表面酸洗、真空退火处理后加工成板材拉伸试样，在ＩＮＳＴＴＯＮ5885电子万能材料试验机上进行拉伸试验，试验结果如表４所示。