低成本制备Ti-3Al-2V合金精密铸件的可行性研究

赵瑞斌，张　亮，王　红，赵轶群，王红红

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京　100095)



低成本制备Ti-3Al-2V合金精密铸件的可行性研究

赵瑞斌，张亮，王红，赵轶群，王红红

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100095)

用精密铸造方法制备的形状复杂的Ti-3Al-2V合金零部件综合性能良好。为进一步降低Ti-3Al-2V合金精密铸件成本，采用3种不同的原料(①海绵钛、铝钒中间合金、纯铝丝和铝箔，②回收的Ti-3Al-2V合金料，③回收的Ti-6Al-4V合金、纯钛料)，分别经真空自耗电弧炉熔炼、真空凝壳炉重熔、离心浇注等工序得到Ti-3Al-2V合金精密铸件，并分析了铸件的化学成分，测试了铸件的室温拉伸性能。结果表明，3种不同原料制备的精密铸件，其化学成分和退火后的室温拉伸性能均能满足客户要求；如果控制好回收料的处理工序，合理地使用回收料，可进一步降低Ti-3Al-2V合金精密铸件的成本,有望在汽车、高铁等许多民用领域替代钢材而得到广泛应用。

Ti-3Al-2V合金；铸造钛合金；回收料；力学性能

0　引　言

Ti-3Al-2V合金是在广泛应用的Ti-6Al-4V合金基础上，通过降低Al、V合金化元素而得到的俗称半TC4钛合金。与Ti-6Al-4V合金相比，具有中等强度和更好的塑性，而焊接性能和加工性能更优[1-2]。由于Ti-3Al-2V合金的合金化元素含量低和加工性能得到改善，使合金的原料成本和材料的加工成本大幅度降低，因此在一些民用领域有替代Ti-6Al-4V合金的潜力。最初被用于制作飞机管路系统，也有用于运动器材的[3]，例如用于制作自行车架。国外已大量用于制作电动工具的耐冲击零部件(见图1)。目前，我国钛工业正处在“高产能、低需求、严环保、微利润”的困难期，要走出困境，唯一的出路就是降低使用成本，扩大应用。近净成形钛合金复杂零部件可使材料的利用率提至近100%，同时大幅度降低零部件的加工成本，这是降低钛合金使用成本，扩大其应用的重要途径之一。北京百慕航材高科技股份有限公司与我国某企业联合研制了用于高铁机车的钛合金精密铸件。每一节车厢有钢铸件12件，每件钢铸件的质量为120 kg，如果整列机车全部使用钛合金精铸件，可使车体大幅度减重，降低能耗，提高车速。为了进一步降低高铁机车用的钛合金精密铸件的成本，北京百慕航材高科技股份有限公司根据用户对精密铸件化学成分和室温拉伸性的要求(见表1)，进行了回收料制备Ti-3Al-2V合金精密铸件的可行性研究，以期进一步降低Ti-3Al-2V合金精密铸件制造成本，能够在高铁机车上推广应用。

图1　电动工具用Ti-3Al-2V合金铸件Fig.1　Ti-3Al-2V castings for electric tool

Table 1　　　　The user requirements for the chemical composition and room temperature tensile properties of Ti-3Al-2V alloy casting

1　实　验

本实验采用3种不同的原料：①1级海绵钛、铝钒中间合金AlV55以及纯铝丝、铝箔，按用户要求配制Ti-3Al-2V合金料，经电极压制以及一次真空自耗电弧熔炼，得到Ti-3Al-2V新料铸锭；②回收的Ti-3Al-2V合金的冒口和浇道，经打磨、酸洗处理，组合焊接为电极，再经真空自耗电弧熔炼得到Ti-3Al-2V合金铸锭；③回收的Ti-6Al-4V合金和工业纯钛的冒口、浇道，经打磨、酸洗处理，按所需合金比例对接组焊成电极，经真空自耗电弧熔炼得到Ti-3Al-2V合金铸锭。这3种铸锭作为电极，经真空凝壳炉重熔、离心浇注得到Ti-3Al-2V合金铸件以及附铸试棒。在试棒上取屑样进行化学成分分析。试棒经真空去应力退火(700 ℃×2 h)后，加工成标准拉伸试样，测试其室温拉伸性能。

2　结果与分析

2.1新料铸件的化学成分及室温拉伸性能

先期小炉试验配制了目标名义成分为Ti-3.2Al-2.1V合金料，采用真空自耗电弧熔炼制备了小型新料合金铸锭。铸锭再经重熔后离心浇注得到铸件，其化学成分和室温拉伸性能见表2、3。由表2可见，铸件基本达到预先设定的目标成分，同时也满足用户的成分要求。但是，铸件的抗拉强度和屈服强度平均值分别为626、554 MPa，远低于标准要求的下限700、600 MPa，而塑性富裕量较大(见表3)。因此，必须增加合金元素含量以提高其强度。

表2新料浇注的Ti-3.2Al-2.1V合金铸件化学成分(w/%)

Table 2　　　　Chemical composition of Ti-3.2Al-2.1V alloy castings with fresh material

表3新料浇注的Ti-3.2Al-2.1V合金铸件室温拉伸性能

Table 3　　　　Room temperature tensile properties of Ti-3.2Al-2.1V alloy castings with fresh material

在铸造钛合金中，Al是最重要的金属强化元素，对材料强度贡献作用明显。由于用户要求的Al元素含量上限为4.5%，而此次铸造合金中Al含量为3.16%，还有很大的调整空间，而且添加廉价元素Al有利于降低材料成本，并且可降低合金密度，增加合金流动性，提高铸造性能。因此，进一步试制了名义成分为Ti-4.2Al-2.1V的合金铸锭，再经真空凝壳炉重熔、离心浇铸得到铸件，其成分和室温拉伸性能见表4、5。

表4合金元素含量调整后铸件的化学成分(w/%)

Table 4　Chemical composition of castings after adjusting

表5合金元素含量调整后铸件的室温拉伸性能

Table 5　　　　Room temperature tensile properties of castings after adjusting

由表5可见， Al含量增加1%后，铸件的室温抗拉强度平均增加了约100 MPa，强度提升效果显著，同时塑性指标虽略有下降，但最低仍在12%以上，保持了较好的塑性。通过调整合金化学成分，使铸件的拉伸性能满足了用户要求。

2.2同牌号回收料铸件的化学成分及室温拉伸性能

使用铸件回收料是降低昂贵金属铸件生产成本的重要手段之一。回收料铸锭的O、N含量若满足要求，便可投入浇注铸造使用。一般情况下，冒口、浇道的回收率在80%以上。使用回收料浇注的铸件化学成分和力学性能见表6、7。

表6　同牌号回收料铸件的化学成分(w/%)

表7　同牌号回收料铸件的室温拉伸性能

由表6可见，用同牌号回收料浇注的铸件，主元素Al、V含量基本保持不变，Fe含量变化不明显，C含量略有增加，气体杂质含量增加明显，其中N含量(0.024%)比新料增加了60%，O含量增加了42%，且O含量更接近标准上限。这主要是由于在多次焊接、真空熔炼和浇注铸造过程中，空气中的O、N元素进入合金，导致O、N含量增加。因此，必须控制好切割、清理等回收工序的清洁度以及熔炼、浇注过程的真空度，确保O、N含量保持在标准范围之内。

由表7可见，同牌号回收料铸件的平均抗拉强度达到800 MPa，比使用新料的强度(表5)增加了50 MPa，接近HB 5447—1990标准中Ti-6Al-4V合金铸件强度的下限。强度的增加主要是由于O、N元素含量增加，延伸率和断面收缩率等塑性指标依然保持较高的水平。

2.3混合牌号回收料铸件的化学成分及室温拉伸性能

Ti-6Al-4V合金和工业纯钛铸件使用十分广泛，生产中会产生大量相应牌号的回收料。由于Ti-3Al-2V合金和Ti-6Al-4V合金在成分上存在比例关系，可以将Ti-6Al-4V和工业纯钛回收料按一定比例搭配熔炼Ti-3Al-2V合金，为降低该合金铸件生产成本提供了一条有效途径。

Ti-6Al-4V合金回收料的Al含量平均为6.5%，V含量平均为3.7%，通过计算其与工业纯钛按质量比1.4∶1搭配，得到的Ti-3Al-2V合金理论成分为Ti-3.8Al-2.16V，符合标准要求。混合牌号回收料铸件的化学成分和室温拉伸性能见表8、9。

表8　混合牌号回收料铸件的化学成分(w/%)

表9　混合牌号回收料铸件的室温拉伸性能

从表8可以看出，使用混合回收料浇注的铸件，Al、V含量均处于成分标准范围内，V含量较为稳定，Al含量平均值较理论计算值偏低，这可能与Ti-6Al-4V回收料中Al烧损有关。O、N含量和表6中回收料的含量相当，均未超出用户成分要求的上限。

从表9可以看出，混合牌号回收料铸件的室温拉伸强度因O、N含量上升而较高，和表7中的回收料铸件强度(808 MPa)相当，个别炉号的延伸率虽偏低但仍然高于标准下限7%的要求。总体来看，使用混合牌号回收料浇注的铸件，其化学成分和力学性能均满足标准要求。

3　结　论

3种不同原料制备的精密铸件，其化学成分和退火后的室温拉伸性能均能满足客户要求。如果控

制好回收料的处理工序，合理地使用回收料，可进一步降低Ti-3Al-2V合金精密铸件的成本,有望在汽车、高铁等许多民用领域替代钢材而得到广泛应用。

[1]齐元昊，杨亚社.Ti-3Al-2.5V合金管材的组织与性能[J].特种铸造及有色合金，2011，31(11)：1062-1065.

[2]杨英丽，张树启,张鹏省,等.Ti-3Al-2.5V合金的热稳定性研究[J]. 钛工业进展，2000,17(5):33-35.

[3]黄伯云，李成功，石利开，等.有色金属材料工程：上册[M]//中国材料工程大典：第4卷.北京：化学工业出版社，2006.

Study on Feasibility of Low Cost Ti-3Al-2V Alloy Precision Casting

Zhao Ruibin，Zhang Liang，Wang Hong，Zhao Yiqun，Wang Honghong

(BAIMTEC Material Co.,Ltd.，Beijing 100095,China)

The comprehensive performance of precision cast Ti-3Al-2V alloy parts with complex shape is good.In order to further reduce the cost of castings, three kinds of raw materials (①titanium sponge, Al-V master alloy, and pure aluminium wire and foil, ②recycled Ti-3Al-2V alloy, and ③ recycled Ti-6Al-4V alloy and recycled commercial pure titanium) were vacuum consumable arc furnace melted, then vacuum skull furnace remelted and centrifugal cast to produce Ti-3Al-2V alloy precision castings. The chemical composition and mechanical properties at room temperature of the castings were tested. Results show that, the chemical composition and tensile properties at room temperature of three kinds of castings can meet the requirements. If well control the process of the recycled material and reasonably use the material, the cost of Ti-3Al-2V alloy precision castings can be further reduced. And the castings are expected to replace steel and widely used in automotive and high-speed rail and other civil fields.

Ti-3Al-2V alloy;cast titanium alloy;recycled material; mechanical properties

2015-11-26

国家863计划资助项目(2013AA030703)

赵瑞斌(1974—)，男，工程师。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)01-0015-04