新型半連續(xù)熔煉工藝解決大規(guī)格鈦合金鑄錠制備難題及精密鑄造構(gòu)件質(zhì)量評(píng)價(jià)——突破傳統(tǒng)真空感應(yīng)熔煉單錠尺寸受限的技術(shù)瓶頸，自主優(yōu)化TA17鈦合金半連續(xù)加料感應(yīng)熔煉與拉錠成型工藝

水冷坩堝真空感應(yīng)熔煉技術(shù)是一種將分瓣式水冷坩堝置于交變電磁場(chǎng)中，通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流熱使金屬熔化，并借助電磁力使熔體與坩堝壁保持軟接觸或非接觸狀態(tài)的先進(jìn)熔煉方法。該技術(shù)能夠有效避免高溫下坩堝材料對(duì)熔體的污染，同時(shí)通過(guò)感應(yīng)加熱與電磁攪拌作用，使熔池溫度分布均勻，實(shí)現(xiàn)合金成分的精確控制，因而被視為當(dāng)前材料制備領(lǐng)域中最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一[1-5]。 

水冷坩堝真空感應(yīng)熔煉技術(shù)的應(yīng)用已拓展至眾多先進(jìn)材料領(lǐng)域，包括高溫合金、金屬間化合物、高純?yōu)R射靶材、難熔金屬與合金、氧化物陶瓷、寶石晶體、放射性材料及高純多晶硅等。然而，受限于該技術(shù)本身存在的能耗高與冷卻難題，目前所熔煉的鈦合金單錠質(zhì)量仍低于100 kg，尚無(wú)法滿足航空航天及艦船等領(lǐng)域?qū)Υ笠?guī)格、高均質(zhì)鈦合金鑄錠的需求[6-7]。

針對(duì)鈦合金真空自耗電弧爐熔煉工藝存在的流程 長(zhǎng)、成本高、鑄錠均質(zhì)性差、雜質(zhì)含量高以及現(xiàn)有水 冷銅坩堝感應(yīng)熔煉單錠規(guī)格小的技術(shù)難題[8-11]，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種適用于鈦合金的半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉裝置以及大規(guī)格鈦合金鑄錠的熔煉工藝，同時(shí)將制備的大規(guī)格TA17鈦合金鑄錠用于熔模精密鑄造，并對(duì)所澆鑄的鑄件及拉伸試樣進(jìn)行成分、組織及性能的評(píng)價(jià)，以探討鈦合金半連續(xù)感應(yīng)熔煉+熔模精密鑄造工藝的可行性。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

選取海綿鈦、鋁釩合金配制TA17鈦合金原料，其中Al元素含量為4.025%，V元素含量為2.80%，余量為T(mén)i。鋁釩合金用鋁箔包裹，所配制的單個(gè)合金包質(zhì)量為4kg。

熔模型殼采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，面層使用氧化釔基耐火材料，背層采用莫來(lái)石。表1為制備型殼的材料參數(shù)[12-13]

表1 制備型殼的材料參數(shù)[12-13]

Table 1 Material parameters for preparing type shells

1.2實(shí)驗(yàn)方法

采用半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉方法(如圖1所示)制備?280mm的大規(guī)格TA17鈦合金鑄錠，其工藝原理:

在不破壞熔煉腔室真空的條件下，持續(xù)將合金料加入水冷銅坩堝中;②通過(guò)線圈感應(yīng)熔煉熔化水冷銅坩堝內(nèi)的合金;③通過(guò)拉錠裝置將熔化后的合金下拉至結(jié)晶器，凝固成錠;④重復(fù)上述動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)格高品質(zhì)鈦合金錠的制備。具體實(shí)施流程如下:①將?278mmx300mm的TA17鈦合金錠作為引錠頭，與間歇拉錠裝置相連后關(guān)閉爐腔;②將拉錠裝置上移，使引錠頭上升至坩堝熔煉區(qū)域;③抽真空，使?fàn)t腔真空度<0.9Pa;④開(kāi)啟半連續(xù)感應(yīng)熔煉爐電源加熱，功率按照100 kW/min的速度升高至設(shè)定的750 kW;⑤待引錠頭熔化后,開(kāi)始合金包的添加及熔煉,最終得到280mm200mm的TA17鈦合金鑄錠。表2為熔煉工藝參數(shù)。

表2 半連續(xù)感應(yīng)熔煉TA17鈦合金鑄錠的工藝參數(shù)

Table 2 Process parameters for semi-continuous induction melting of TA17 titanium alloy ingot

用數(shù)控車床去除TA17鈦合金鑄錠表面氧化皮，采用熔模精密鑄造的方法成形鈦合金筒體鑄件。表3為熔模精密鑄造的主要工藝參數(shù)。為便于測(cè)量鑄件的室溫拉伸性能，采用相同工藝參數(shù)鑄造拉伸試樣，其中，拉伸試樣直徑為6mm，標(biāo)距長(zhǎng)度為24mm。

表3 熔模精密鑄造主要工藝參數(shù)

Table 3 Main process parameters of precision casting experiment

TA17鈦合金鑄件澆注完成后，在凝殼爐中保溫30min，出爐后在型殼中緩冷至200℃以下脫殼。對(duì)脫殼后的TA17鈦合金鑄錠進(jìn)行熱等靜壓及退火處理,具體工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 TA17鈦合金鑄件熱等靜壓及退火處理工藝參數(shù)

Table 4 Hot isostatic pressing and annealing treatment process parameters for TA17 titanium alloy casting

1.3測(cè)試方法

1.3.1鑄錠成分

從半連續(xù)感應(yīng)熔煉方法制備的Φ280mmTA17鈦合金鑄錠上取樣，取樣位置如圖2所示，包括單錠區(qū)域(單次加料合金內(nèi)部區(qū)域)和銜接界面(兩次加料的界面銜接區(qū)域)。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀及惰性氣體熔融分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。

1.3.2鑄件成分及性能檢測(cè)

如圖3所示，在鑄件頂部(1#)、中部(2#)及底部(3#)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析及顯微組織觀察。對(duì)所澆鑄的拉伸試樣進(jìn)行室溫拉伸性能表征。

2、結(jié)果與分析

2.1鑄錠成分

為系統(tǒng)評(píng)估半連續(xù)感應(yīng)熔煉TA17鈦合金鑄錠的化學(xué)成分均勻性，考察了單錠區(qū)域與銜接界面的元素分布特征。圖4為T(mén)A17鈦合金鑄錠單錠區(qū)域和銜接界面不同位置的Al、V元素含量分布。從圖4可知，單錠區(qū)域Al元素含量在3.96%~3.98%的窄幅區(qū)間波動(dòng)(極差0.02%)，表現(xiàn)出優(yōu)異的徑向均勻性;而在銜接界面，Al元素含量分布范圍稍寬，為3.99%~4.04%(極差0.05%)。單錠區(qū)域Al元素均勻性優(yōu)于銜接界面，這與間歇加料導(dǎo)致的熔體擾動(dòng)有關(guān)。單錠區(qū)域和銜接界面的Al元素含量從鑄錠中心向邊部呈現(xiàn)出略微升高的趨勢(shì)，而銜接界面的Al元素含量整體略高于單錠區(qū)域，這主要是由于加料過(guò)程中銜接界面的熔體溫度相對(duì)較低，導(dǎo)致Al元素的燒損較少。單錠區(qū)域V元素含量分布范圍為2.7%~2.8%(極差0.10%)，銜接界面為2.71%~2.78%(極差0.07%)。單錠區(qū)域和銜接界面的V元素含量均從鑄錠中心向邊部呈逐漸減少的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象的主要原因是鈦合金熔體中心溫度較高，而V元素在鈦合金熔體中的溶解度隨溫度升高而增大，因此中心區(qū)域的V元素含量相對(duì)較高。

圖5為T(mén)A17鈦合金鑄錠縱剖面從中心到邊部不同位置的Al、V元素含量分布。從圖5可知，整個(gè)鑄錠Al、V元素含量的最大偏差分別為0.10%和0.08%。雖然半連續(xù)感應(yīng)熔煉鑄錠中Al、V元素表現(xiàn)出較好的均質(zhì)性，但存在較為明顯的偏析規(guī)律。Al元素含量從鑄錠邊部向中心呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，邊部表現(xiàn)為正偏析，中心表現(xiàn)為負(fù)偏析。與Al元素相反，V元素含量從鑄錠邊部向心部呈遞增趨勢(shì)，形成這一現(xiàn)象的原因是由于V元素為難揮發(fā)元素，在熔煉過(guò)程中無(wú)明顯燒損情況。除此之外，隨著溫度的升高，V元素在鈦液中的溶解度增大，由于熔體心部溫度相對(duì)較高，因此V元素在鑄錠心部表現(xiàn)為正偏析，邊部表現(xiàn)為負(fù)偏析。

圖6為T(mén)A17鈦合金鑄錠單錠區(qū)域和銜接界面O、N元素含量分布。從圖6可知，鑄錠中間隙元素O、N含量均被控制在較低水平，O元素含量穩(wěn)定在0.125%~0.135%的狹窄區(qū)間內(nèi)，且鑄錠單錠區(qū)域及銜接區(qū)域軸向與徑向分布均表現(xiàn)出高度一致性，未出現(xiàn)明顯的區(qū)域性偏聚。N元素含量在0.006%~0.008%的極低范圍內(nèi)。這一結(jié)果充分印證了高真空熔煉環(huán)境與電磁攪拌工藝對(duì)雜質(zhì)元素的高效協(xié)同控制作用:高真空為氣體雜質(zhì)的脫除提供了強(qiáng)大的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，而電磁攪拌則通過(guò)強(qiáng)化熔體傳質(zhì)，顯著提升了脫氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

綜上表明，本研究采用半連續(xù)感應(yīng)熔煉工藝制備的TA17鈦合金鑄錠主元素(Al、V)和間隙元素(O、N)分布均較為均勻，且間隙元素含量較低。因此，半連續(xù)感應(yīng)熔煉工藝能夠有效制備高均質(zhì)、低雜質(zhì)含量鈦合金鑄錠。

2.2筒體鑄件成分

2.2.1主元素

將TA17鈦合金鑄錠用于熔模精密鑄造，所制備的筒體鑄件不同部位Al、V元素含量見(jiàn)圖7。從圖7可知，簡(jiǎn)體鑄件的Al元素含量分布范圍為(3.95±0.03)%，V元素含量分布范圍為(2.80±0.02)%。相較于原始鑄錠成分(Al4.02%，V2.80%)，筒體鑄件的主元素?zé)龘p率極低，其中Al元素平均燒損率為1.7%，V元素?zé)o明顯燒損。這一優(yōu)異表現(xiàn)歸因于真空自耗電弧凝殼爐重熔過(guò)程的高真空環(huán)境(真空度<0.9Pa)與快速熔化特性，有效抑制了Al、V等易氧化元素的燒損。

2.2.2間隙元素

圖8為筒體鑄件不同部位的O、N元素含量。從圖8可知，筒體鑄件中O元素含量為(0.14±0.05)%，N元素含量為(0.007±0.001)%。與原始鑄錠相比，筒體鑄件中O元素含量略有升高，主要是由于熔模鑄造過(guò)程中，高溫鈦液不可避免地會(huì)與面層型殼(Y2O3)發(fā)生微量界面反應(yīng)。盡管如此，間隙元素O、N含量均滿足TA17鈦合金熔模鑄件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(通常要求O<0.20%，N<0.05%)。

2.3筒體鑄件組織

圖9為T(mén)A17鈦合金筒體鑄件不同部位的微觀組織。從圖9可以看出，筒體鑄件微觀組織為典型的網(wǎng)籃組織，包含α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪?。通過(guò)圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)了鑄件a片層集束尺寸，其中3#區(qū)域(鑄件底部)a片層集束平均尺寸為(185±25)μm，1#區(qū)域(鑄件頂部)為(175±20)μm，不同部位間的最大偏差不超過(guò)12%，表明a片層集束尺寸分布均勻;a片層寬度在1.5~2.2μm之間，平均值為(1.8±0.3)μm;β晶粒尺寸為(220±35)μm，尺寸偏差在±8%以內(nèi)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，從筒體鑄件的厚大部位到薄壁部位，a片層寬度變化平緩，未出現(xiàn)明顯的組織梯度，且各部位的a片層集束尺寸、a片層寬度和β晶粒尺寸均保持良好的一致性，表明制備的鑄件具有優(yōu)異的微觀組織均勻性。這種均勻的組織特征主要?dú)w因于兩方面:一是半連續(xù)感應(yīng)熔煉鑄錠本身具有高度均勻的初始組織;二是優(yōu)化的熔模鑄造工藝可確保鑄件各部位經(jīng)歷相近的凝固冷卻過(guò)程。

2.4簡(jiǎn)體鑄件力學(xué)性能

圖10為熔模精密鑄造TA17鈦合金試樣的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖10可知，熔模精密鑄造試樣的拉伸性能優(yōu)良且穩(wěn)定，強(qiáng)塑性匹配良好，抗拉強(qiáng)度為(740±15)MPa，屈服強(qiáng)度為(685±20)MPa，斷后伸長(zhǎng)率為(10.5±2)%，強(qiáng)度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在合理范圍內(nèi)，塑性指標(biāo)優(yōu)異。

鑄件的組織與力學(xué)性能有著密切的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，其強(qiáng)度主要受a片層寬度和β晶粒尺寸的協(xié)同作用控制，適中的a片層寬度通過(guò)界面強(qiáng)化機(jī)制為材料提供良好的強(qiáng)度基礎(chǔ)，而均勻的β晶粒分布則可確保強(qiáng)度的穩(wěn)定性。TA17鈦合金鑄件斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到10.5%，表明其具有優(yōu)異的塑性變形能力，主要得益于合理的a片層集束尺寸為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供了充足的滑移空間，同時(shí)在變形過(guò)程中能夠有效延緩裂紋的萌生和擴(kuò)展。

TA17鈦合金鑄件在拉伸測(cè)試中表現(xiàn)出良好的性能穩(wěn)定性，主要得益于兩個(gè)關(guān)鍵因素的協(xié)同保障:首先，半連續(xù)感應(yīng)熔煉工藝制備的鑄錠本身具有高度均勻的初始組織和化學(xué)成分分布，為后續(xù)精密鑄造提供了可靠的原料基礎(chǔ);其次，優(yōu)化的熔模鑄造工藝參數(shù)確保鑄件各部位經(jīng)歷了相近的凝固冷卻歷程，從而獲得了協(xié)調(diào)一致的微觀組織結(jié)構(gòu)。

3、結(jié)論

(1)半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉工藝制備的大規(guī)格TA17鈦合金鑄錠，其主元素Al和V沿鑄錠徑向分布均勻，最大偏差分別僅為0.10%和0.08%;間隙元素O和N含量均控制在低水平范圍內(nèi)(其中，O為0.125%~0.135%，N為0.006%~0.008%)，且分布一致。高真空環(huán)境與電磁攪拌的協(xié)同作用有效提升了熔體雜質(zhì)控制能力和均質(zhì)化程度。

(2)基于上述TA17鈦合金鑄錠制備的熔模精密鑄件保持了良好的成分穩(wěn)定性，主元素Al含量為(3.95±0.03)%，燒損率僅為1.7%;V元素含量穩(wěn)定在(2.80±0.02)%，無(wú)明顯燒損。間隙元素O、N含量分別為(0.14±0.05)%和(0.007±0.001)%。

(3)TA17鈦合金鑄件各部位組織均勻，a片層寬度在1.5~2.2μm范圍內(nèi)，β晶粒尺寸為(220±35)μm。

(4)TA17鈦合金鑄件室溫拉伸性能優(yōu)良且穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度為(740±15)MPa，屈服強(qiáng)度為(685±20)MPa，斷后伸長(zhǎng)率為(10.5±2)%。良好的強(qiáng)塑性匹配源于均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)，適中的a片層寬度通過(guò)界面強(qiáng)化機(jī)制為材料提供了良好的強(qiáng)度基礎(chǔ)，而合理的a片層集束尺寸為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供了充足的滑移空間，同時(shí)在變形過(guò)程中能有效延緩裂紋的萌生和擴(kuò)展。

(5)半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉與熔模精密鑄造相結(jié)合的工藝路線，能夠穩(wěn)定制備組織均勻、成分可控、性能達(dá)標(biāo)的高品質(zhì)TA17鈦合金鑄件。

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（注，原文標(biāo)題：TA17鈦合金錠半連續(xù)感應(yīng)熔煉及熔模精密鑄造工藝可行性研究_顏紅兵）