航空航天用Ti60高溫鈦合金鑄錠制備工藝

引言

高溫鈦合金是一類設(shè)計使用溫度在400℃以上的鈦合金，Ti60作為航空航天發(fā)動機渦輪葉盤葉片用的高溫鈦合金，長時間的工作溫度達到600℃，目前有多種牌號的高溫鈦合金用于航空航天發(fā)動機, 例如有英國的IMI834、美國的Ti1100、俄羅斯的 以及我國西北有色金屬研究院開發(fā)的Ti600[6]、中國科學(xué)院金屬研究所與寶鈦集團有限公司開發(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二種局溶點 的β型穩(wěn)定元素,通過與α型穩(wěn)定元素Al、Sn、Zr 之間合理恰當?shù)拇钆渑c協(xié)同作用，使得合金得到了 充分的固溶強化，又可以獲得金屬間化合物和硅化物的彌散強化，使得合金有較高的高溫強度以及高 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)進人到了工業(yè)化試驗的階段，因 為其中含有多種合金元素，合金元素的含量達到15.5%,并且含有多種高熔點和低熔點的合金元素。 所以在鑄錠熔煉的過程中，如果因為選擇的中間合 金以及工藝參數(shù)選擇不當，很容易出現(xiàn)鑄錠的成分 分布不均勻，雜質(zhì)元素含量過高，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、 無偏析、無夾雜的局品質(zhì)鑄淀是溶煉的關(guān)鍵。針對以上制備技術(shù)難點，筆者選用合適的中間合金、以 及0 A級軍工小粒海綿鈦，經(jīng)過成分的配比以及均 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、無偏析、無缺陷的Ti60高溫鈦合金鑄錠。

1、試驗

1.1原料

此次試驗由于對鑄錠的雜質(zhì)成分以及缺陷控制 嚴格，所以選用雜質(zhì)含量相對較低的0 A級軍工小 粒海綿鈦，粒度范圍在3 ~ 12.7mm，人工分揀按國標 GB/T 2524-2019 執(zhí)行。

選取鋁鉬合金、鋁鈮合金、鈦鉭合金、鋁硅合 金、招錫合金作為中間合金添加，粒度為1 ~ 6 mm， 其中 〇<0.1%, N<0.01%，F(xiàn)e<0.1%，海綿鋯：粒度 0.83 ~ 25.4 mm，其中 〇<0.1%，N<0.01%，F(xiàn)e<0.1%; 鋁逗:粒度8?13 mm，純度>99.7%。

1.2工藝路線

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

通過三次熔煉得到的鑄錠，頭尾切片后取樣分 析成分，成品鑄徒頭尾切片10 ~ 15 mm作為成分樣 品分析。頭尾采取9點取樣法分析成分(見圖2)， 共計18個成分樣，用ICP法檢驗各試樣成分(A1、 Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr、C、H、0、N)。

2、結(jié)果分析與討論

2.1鑄錠表面

經(jīng)過3次真空自耗電弧爐熔煉制備，得到 φ310mm的Ti60高溫鈦合金鑄鍵，如圖3所7K，從圖3可以看出，鑄錠表面質(zhì)量良好，潔凈度較高，沒 有任何的冷隔、夾雜等缺陷。從熔煉過程中可以看 出熔池比較穩(wěn)定，金屬液體的流動性較好，擦滴速度 較為合適,熔滴擴散充分并且與坩堝完全接觸。在 冷卻的過程中沒有出現(xiàn)夾雜、空洞等缺陷。

2.2鑄錠成分分析

將三次溶煉后得到的Ti60鑄錠，取頭尾切片進 行成分分析，切片厚度為10 ~ 15mm,采用9點取樣法，共計18個樣品。

用ICP檢驗鑄鍵合金元素Al、Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr以及C的成分以及雜質(zhì)元素H、0、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，完全達到了行業(yè)相關(guān)標準要求，其中Nb、Mo、 Ta、C等高熔點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)致某些點含量超標，但 總體偏差不超過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)， 與目標成分有些偏差，但總體偏差不超過0.06%。 H、0、N等雜質(zhì)元素的控制復(fù)合預(yù)期效果。總體來 講，通過對中間合金、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 準的Ti60鑄錠。

由于Ti60高溫鈦合金中的合金元素種類以及 含量較高，使用的中間合金含量高達15.5%，采用常 規(guī)的配料方式壓制電極塊，因為合金種類以及含量 較高，很難進行均勻混料，無法保證原料均勻分布在 每個電極塊中。所以采用海綿鈦與中間合金單塊電 極混料方式，每個電極塊均勻混料10 min,然后再 進行電極塊的壓制，壓制好的電極塊放人干燥箱中 進行保存，以免吸入空氣中的H、0、N等雜質(zhì)元素。 從結(jié)果來看，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、低熔點合金元素，其中Nb、Mo、Ta元素的 熔點較高，分別為2467、2 662℃和2996℃，密度 為 38.4、10.22 g/cm³ 和 16.6 g/cm³, C 元素的熔點達 到了 3550℃，低熔點的Sn元素熔點為232℃，密 度為7.31 g/cm³,都與純鈦的熔點和密度相差較大， 如果這些元素以單質(zhì)元素添加，很容易造成低熔點 元素在進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 煉的過程中由于熔點較高，很難被迅速的熔化，只能 通過單質(zhì)的擴散作用進行熔煉，而熔池的凝固時間 非常有限，擴散不完全，這樣就很容易形成高熔點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溶點、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、密度都要與純鈦 相近。所以本次試驗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TiTal5中間合金 加人、Mo以A1Mo60中間合金加人、Si以AlSi50 中間合金加人，C選擇純度>99.7%，粒度8~ 13 mm的高純碳粉。

2.4熔煉工藝參數(shù)的控制

在Ti60鑄錠熔煉過程中由于添加的合金元素 種類較多且含量較大，如果熔煉工藝參數(shù)控制不當, 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，進而影響后續(xù)加工。利用Met- Flow軟件對Ti60高溫鈦合金的真空自耗熔煉過程 進行了數(shù)值仿真，熔煉過程中的熔池形狀和凝固過 程中合金元素再分配的基本規(guī)律如圖4所示。

不同合金元素再溶煉的凝固過程中發(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程 中會先凝固，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的元素會在冷卻過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接近1。結(jié)合Ti60鑄錠本身的特性，設(shè)置 溶煉工藝參數(shù)時控制電流電壓，使其具有較高的溶化速率;控制補縮高度，減小冒口高度;高真空度,減 少雜質(zhì)元素進入;較強的冷卻速率，使得K₀接近1, 從而保證鑄錠質(zhì)量保持在較高的水平。

從試驗結(jié)果看，說明制定的工藝參數(shù)恰當，可以 保證鑄錠的化學(xué)成分均勻、無偏析。

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高溫鈦合金鑄鍵 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、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，可以更好地進行后續(xù)的加工工序。

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