大规格TA10 钛合金铸锭生产工艺研究
2020-02-25王永强户如意
张 晋，王永强，户如意，曹 瑞，李 楠
（新疆湘润新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000）
TA10 是一种耐腐蚀钛合金，因其良好的塑性和焊接性能而被广泛应用于化工、石油等行业。目前，大规格钛合金铸锭的镍元素成分均匀性控制难度大，严重的Ni 富集会影响后续加工板材的综合性能。一方面镍的凝固分配系数为0.44[1]，其熔点、密度等与钛有较大差异；另一方面大规格钛合金铸锭真空自耗电弧熔炼的成分控制较为困难。因此，生产大规格TA10 钛合金的重难点在于确保Ni 元素的成分均匀性良好。为此，本文通过采用不同的一次熔炼电流和稳弧方式对大规格TA10 钛合金铸锭Ni 元素控制进行研究，以期找到提高大规格TA10 铸锭Ni 元素成分均匀性的方法。
1 试验
选用1 级及以上的海绵钛、片状的NiMo30 合金（10＊6＊1mm），按照Ti-0.7Ni-0.3Mo 进行配料。经混料、压制、焊接制备出自耗电极。采用不同的熔炼工艺经二次真空自耗电弧熔炼制备φ1040mm 的TA10 铸锭，具体熔炼工艺如表1 所示。对铸锭表面纵向头、中、底取样，取样位置如图1 所示，对头、中、尾部表面纵向Ni 化学成分均匀性最好的铸锭横断面9 点取样，取样位置如图2 所示。
表1 TA10 熔炼工艺
2 结果与分析
2.1 铸锭Ni 均匀性分析
3 根铸锭Ni 元素成分偏差见表2，纵向头、中、底三点Ni 含量检测结果如图3 所示。
图1 铸锭纵向3 点取样示意图
图2 铸锭横向9 点取样示意图
表2 3 根铸锭纵向3 点镍成分偏差/（wt%）
图3 3 根TA10 成品铸锭Ni 分布
表3 铸锭3 头、中、尾横截面镍的分布情况
从 表2 和 图3 可 以 看 出，铸 锭1 的Ni 量 为0.592%～0.0.915%，偏差为0.323%，超出了GB/T3620.1-2016中Ni的成分要求（0.6%～0.9%）；铸锭2的Ni含量为0.644%～0.884%，偏差为0.24%，改善了Ni偏析；铸锭3的Ni含量为0.685%～0.714%，偏差为0.029%，偏差最小。对比铸锭1～3的纵向Ni元素偏差情况，铸锭3的Ni成分均匀性最好，铸锭2次之，铸锭1的Ni成分均匀性最差。
铸锭3 头、中、尾横截面Ni 的分布情况如表3 和图4 所示，头部横截面Ni 元素含量为0.656%～0.844%，最大偏差为0.188%。中部横截面Ni 元素含量为0.691%～0.806%，最大偏差为0.115%。尾部横截面面Ni 元素含量为0.663%～0.738%，最大偏差为0.075%。由铸锭3 头、中、尾横截面Ni 成分分布可以看出整个铸锭Ni 均匀性好。
图4 铸锭3 端面部位Ni 分布
2.2 熔炼工艺参数对Ni 均匀性的影响
在真空自耗电弧炉熔炼条件下，铸锭化学成分不均匀的原因有：每瞬间加入熔池的合金组元不均匀、合金组元气化和沉积、合金组元结晶偏析等[2，3]。其中，最难克服的是结晶偏析。按照结晶偏析经典理论公式[4]：
式中CS为恒温下固相溶质浓度；CL表示液相溶质浓度；为溶质平衡分配系数。由上述公式可以看出，决定结晶偏析程度大小的是分配系数K0。
在非平衡凝固的条件下，Ni 元素K0＜1，具有正偏析倾向，固/液界面处形成固体所排出的溶质Ni，经扩散层扩散进入液相中，造成越靠近后期凝固的固相中溶质Ni 含量越高。通过选择合理的熔炼工艺参数可以改变Ni 的分配系数，使其尽可能接近1，减轻其结晶偏析的程度。
2.2.1 一次熔炼电流对Ni 均匀性的影响
熔炼电流决定金属的熔化速率和熔池温度，直接影响熔池的形状、深度以及表面质量[1]。
通过对比铸锭1 和铸锭2 的试验结果可以看出：采用较小的一次熔炼电流时，TA10 铸锭Ni 成分的均匀性有所改善。
在VAR 中采用较小的一次熔炼电流可以减小熔池深度，使熔池浅平，增大铸锭凝固速度，抑制了一次熔炼时Ni向铸锭头部富集，使一次锭Ni 偏析得到改善，进而得到Ni成分较均匀的成品锭。
2.2.2 稳弧方式对Ni 均匀性的影响
合适的搅拌电流可以使熔池变浅、细化晶粒、成分均匀化、减轻结晶偏析[1]。
通过对比铸锭2 和3 的试验结果，发现采用交流稳弧的方式时TA10 铸锭Ni 成分的均匀性良好，有效减小Ni 偏析的倾向。VAR 中铸锭凝固属于非平衡凝固，根据溶质有效分配系数公式[5]：
其中CS＊是固相成分，C0是溶质组元原始配比成分，v是固-液界面推进速度，DL是液相中溶质原子的扩散系数，δN是扩散层。
由上式可知，采用交流稳弧熔炼时搅拌效果比直流弱、液相中对流强度减弱，导致熔池偏平，同时增大δN的厚度，抑制了固/液界面处Ni 元素经扩散层向液相中的扩散，使有效溶质分配系数kE向1 靠近，提高固相中溶质的成分CS＊，使TA10 铸锭中的Ni 元素均匀分布。
3 结论
通过选用较小的一次熔炼电流和交流稳弧方式，可以有效抑制大规格TA10 铸锭中的镍偏析，对大规格TA10 铸锭的工业化生产具有指导作用。
