熔炼工艺参数对Ti6Al4V-0.15B钛合金主成分均匀性的影响研究

刘 丽，康丹丹，王高见

（四川西冶新材料股份有限公司，四川 成都 611700）

1 前言

钛合金因其具有非常优越的物理化学性能，如高比强度和优异的耐腐蚀性能，被认为是在航空航天、军事、汽车和生物医学领域中应用的重要高强度结构和功能材料[1]。一直以来，Ti-6Al-4V(以下简称TC4)是所有钛合金中用于发动机和机身应用最普遍的材料。作者开发的Ti6Al4V-0.15B钛合金丝材用于TC4的焊接及电弧增材制造，能够获得晶粒细化、综合性能优异的熔体金属。

真空自耗电弧熔炼(VAR)方法是钛及钛合金熔炼的主要方法[2-3]，本文使用该方法制备Ti6Al4V-0.15B钛合金丝材坯料。坯料成分的均匀性直接关乎丝材成分均匀性，决定着丝材焊接熔体成分均匀性及焊接过程的稳定性，同时还会影响坯料拉拔制丝的生产连续性[4]。因此掌握熔炼工艺参数对Ti6Al4V-0.15B钛合金坯料成分均匀性的影响规律对工程化生产过程中精准控制坯料成分及均匀性的重要依据及理论基础。

2 实验方案

2.1 原料及设备选择

选用基础实验材料海绵钛、B2O3、AlV中间合金[5]，真空熔炼设备选用沈阳科学仪器股份有限公司的真空电弧熔炼炉，通过混料系统使得以上原材料充分混合，由油压机的压制压力让混合原料压制出良好的电极块，之后对电极块进行真空自耗电弧熔炼成为Ti6Al4V-0.15B钛合金铸锭，其预计化学成分如表1所示。

表1 材料的化学成分（Wt%）

2.2 研究方案设计

影响坯料熔炼的工艺参数主要有：熔炼前真空度P、充氩压力P1、熔炼电流I、熔炼时间t、磁搅拌电流Ic、磁搅拌时间tc、熔炼次数n等[6-7]，由于工艺参数比较多，为简化实验研究内容，本文将其中的熔炼前真空度P，充氩压力P1、磁搅拌电流Ic三个因素根据经验取固定值，其他关键工艺参数作为本文研究对象。基于此，设计四因素三水平L9（34）的正交实验方案[8]，如表2。

表2 真空电弧熔炼L9（34）实验方案

3 真空电弧熔炼工艺参数对钛合金铸锭成分均匀性的影响

3.1 钛合金铸锭成分均匀性结果

通过SEM+EDS点扫+面扫进行分析元素分布均匀性，主要对于钛合金的铸锭的Al、Ti、V的含量进行成分含量检测，铸锭成分均匀性测定区域示意图如图1所示，铸锭成分均匀性测定结果如表3所示。

图1 钛合金成分均匀性取样位置示意图

表3 铸锭各区域成分测定结果（%）

T i-0 6全成分 6．5 8 9．4 9 4．0 1区域1成分 6．6 3 8 9．5 3．8 7区域2 成分 6．5 6 8 8．9 3 4．5 1区域3 成分 6．4 1 8 9．6 5 3．9 4区域4 成分 6．4 4 8 9．2 4 4．3 1 T i-0 7全成分 6．4 8 9．1 4 4．4 6区域1 成分 6．4 8 8 9．3 7 4．1 5区域2 成分 6．5 9 8 9．3 4．1 1区域3 成分 6．3 5 8 9．3 5 4．2 9区域4 成分 6．3 8 8 9．1 4 4．4 8 T i-0 8全成分 6．4 8 8 9．2 5 4．2 8区域1 成分 6．3 6 8 9．6 6 3．9 8区域2 成分 6．3 2 8 9．3 4．3 8区域3 成分 6．4 2 8 9．1 4 4．4 4区域4成分 6．4 6 8 9．3 1 4．2 4 T i-0 9全成分 6．6 2 8 9．2 9 4．0 9区域1成分 6．5 8 9．0 3 4．4 7区域2成分 6．5 4 8 9．3 6 4．1区域3 成分 6．5 6 8 9．6 2 3．8 2区域4 成分 6．5 8 9．3 1 4．1 9

本文采用相对平均偏差来反映成分均匀性，相对平均偏差计算公式，根据公式计算出各试验各成分的相对平均偏差[9]，如表4。

表4 坯料成分相对平均偏差（%）

为反映各工艺参数对均匀性的影响，对上述相对平均偏差结果进行各因素均值并计算出极差，用，，分别表示第i列因素在第1，2，3水平时分别对应指标所有数值的平均值，则：=（同一水平试验的指标之和）/3。极差是最好水平与最差水平之差，用Ri表示第i列因素对应指标的极差值[8-9]，则 ：，计算结果如表5。

表5 坯料成分相对平均偏差均值及极差（%）

3.2 各工艺参数对钛合金铸锭成分均匀性的影响分析

从上述成分相对平均偏差结果可知，各工艺参数下的V相对平均偏差最高，甚至超过了5%；Ti和Al的相对平均偏差均在1%以下，较低；可见V元素均匀性不好。从上述极差值可知，V的均匀性受工艺参数影响较大，其中熔炼电流影响最大；Ti、Al的均匀性受工艺参数影响不大，较为显著的影响参数分别为熔炼电流、熔炼次数。为了直观表达各因素对指标的影响，根据表5绘制钛合金化学成分各元素随因素水平变化时的曲线，如图2所示。

图2 各成分的偏差均值随因素水平变化曲线

由图2(a)可以观察到：电磁熔炼时间、磁搅拌时间、熔炼次数对Al相对平均偏差的影响浮动较大，均随着参数的提高不同程度的增加Al元素的不均匀程度；熔炼电流对Al相对平均偏差影响浮动不大。由图2(b)可以观察到：熔炼电流对Ti相对平均偏差影响浮动较大，但随着熔炼电流提高呈现增加Ti元素不均匀程度的微弱趋势，规律性不强。电磁熔炼时间、磁搅拌时间、熔炼次数对Ti相对平均偏差的影响浮动较小，几乎不影响。由图2(c)可以观察到：熔炼电流、单次熔炼时间对V相对平均偏差影响浮动较大，但随着熔炼电流、单次熔炼时间提高呈现增加V元素不均匀程度的微弱趋势。磁搅拌时间、熔炼次数对Ti相对平均偏差的影响浮动较小，呈现能轻微降低V元素不均匀程度的规律。因此，冶炼生产中，应重点控制熔炼电流、单次熔炼时间对V元素不均匀程度的影响，为了提高V元素均匀性应适当降低熔炼电流、单次熔炼时间。

4 结论

（1）各工艺参数下的V元素成分不均匀性最高，Ti和Al元素的不均匀性很低；V元素的均匀性受工艺参数影响较大，其中熔炼电流影响最大；Ti、Al的均匀性受工艺参数影响不大，较为显著的影响参数分别为熔炼电流、熔炼次数。

（2）冶炼生产中，应重点控制熔炼电流、单次熔炼时间对V元素不均匀程度的影响，为了提高V元素均匀性应适当降低熔炼电流、单次熔炼时间。