大规格TB8 钛合金化学成分均匀性研究★

2022-08-03王永强侯晶晶马耀远

山西冶金 2022年3期

曹瑞，王永强，岳旭，张晋，侯晶晶，马耀远

（1.新疆湘润新材料科技有限公司，新疆哈密 839000；2.新疆钛基新材料重点实验室，新疆哈密 839000）

TB8（β-21S）是目前航空领域应用最广泛的5 种高强β钛合金之一，是20 世纪80 年代为了满足高温使用环境研制开发的一种综合性能优异的钛合金，其工作温度可达540 ℃，因所有合金元素的总质量分数约为21%而得名[1]。TB8 具有优异的冷热加工性能和良好抗氧化性及抗腐蚀性能，常作为箔材用于制造钛基复合材料，同时也用于制造Trent 系列发动机的尾椎。此外，还可替代原有的410 钢和IN-625 高温合金用于空客A330 发动机舱附近的塞子、喷嘴和整流罩等部件；替代IN-625 合金用于波音777 的衬套和喷管，实现飞机减重164 kg[2]；替代强度水平相当的1Cr18Ni9Ti 不锈钢用于飞机液压系统、蜂窝、燃油箱、紧固件、液压管路等[3]。

TB8 钛合金的化学成分为Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si[4]，其铝当量3.0、钼当量12.756，β稳定系数Kβ为1.575，是典型的高合金化亚稳定β型钛合金。TB8钛合金中含有质量分数近18%的高熔点、高密度的难熔金属Mo 和Nb，两者均属于同晶型β稳定元素，起固溶强化作用，同时提高了该合金的热盐应力腐蚀抗力和在还原介质中的耐蚀性，但在工业真空自耗熔炼过程中比较困难。金属钼的熔点为2 620 ℃、密度为10.2 g/cm3，金属铌的熔点为2 468 ℃、密度为8.57 g/cm3，均远高于钛的熔点1 668 ℃和密度4.5 g/cm3，同时高于钛合金真空自耗熔炼时电极末端和熔池的温度，易造成高密度金属夹杂，钛合金生产过程中两者均以中间合金的形式进行添加。

钛合金电极制备过程中铌的加入多以AlNb70 的方式添加，其生产简单、成本较低，适用于工业化生产使用。但钼的加入若以传统的铝钼中间合金进行添加，由于TB8 钛合金中铝含量较低，铝钼中间合金用AlMo85 进行添加，研究表明，铝钼中间合金中w（Mo）超过75%以上时，将会出现纯钼夹杂[5]。为避免TB8 钛合金中出现高密度钼夹杂，钼的加入采用了Ti-Mo 中间合金进行添加[6]，但钛钼中间合金生产困难、加工周期长、过程质量控制难度大、生产成本高，不适用于大规模工业化生产。为此本研究采用国内最新研制开发的MoNbAlSiTi 多元中间合金以用于TB8 钛合金铸锭的生产，其采用铝热还原法进行生产，生产简单、成本较低，其熔点为1 910 ℃、密度为7.0 g/cm3，更接近钛的相关指标，相对传统的原材料可降低近30%的成本[7]，并通过对生产过程工艺参数进行控制，探索了大规格TB8 钛合金铸锭的成分均匀性和VAR 熔炼工艺。

1 试验验证

1.1 原料

本实验铸锭采用新疆湘润新材料科技有限公司自产的高品质0A 级小粒度（0.83～12.7 mm）海绵钛为主要原料，选用国内新开发的MoNbAlSiTi 多元中间合金，并适当配入铝豆、AlMo60、钛硅、钛铁、二氧化钛等进行成分调节，投料生产质量为2 300 kg 的TB8 钛合金铸锭。

1.2 电极制备

本试验采用全自动配混料系统、8 000 t 油压机以及真空等离子焊箱来生产Ф400 mm 的自耗电极。该合金铸锭中间合金添加比例高达23%以上，且粉末居多，为使海绵钛与中间合金充分均匀混合，并且保证电极块的质量，适当延长了原料的混料时间，减少了单块电极重量，并增大了电极块的压制压力，实际压制压力比压制同等规格的TC4 电极块时增加了1 000 t左右，保证压制的电极块成型良好，无掉料、裂纹等缺陷。在氩气保护状态下，对压制完成的自耗电极用等离子焊箱进行焊接，避免了电极焊接时与空气接触而造成的氧化和氮化，同时为保证自耗电极的强度，防止发生熔炼过程中电极掉块或者断裂，增加了电极的焊接焊缝数量。

1.3 熔炼工艺

TB8 钛合金铸锭合金含量高，为保证铸锭中合金元素的均匀性，本试验采用三次真空自耗电弧炉熔炼，且根据该合金铸锭本身的产品特性及熔炼过程，对每次熔炼工艺参数进行相应调整，最终得到Ф650 mm的TB8 钛合金铸锭成品，三次VAR 熔炼工艺参数如表1 所示。

表1 VAR 熔炼主要工艺参数

1.4 扒皮取样

自耗电极经过两次真空自耗电弧熔炼后，在二次熔炼铸锭的锭身和头部端面位置（见图1）分别取了锭身外圆头、中、底三点和端面九点试样进行合金元素Al、Mo、Nb、Fe、Si 化学成分分析。取完样后，将二次锭掉头装炉熔炼三次成品铸锭，完成三次熔炼，铸锭先通体扒皮5 mm，去除表面氧化皮，再按图1-1 所示的铸锭锭身外圆头、中、底三点取样进行化学成分检测。利用超声波检测技术对铸锭头部缩孔位置进行标记，再按标记用锯床切除冒口和锭底20～25 mm 左右，而后把铸锭沿锭身长度从中间位置分切为两截，按照图1-2 分别在铸锭的冒口、锭底及中分分切面上用钻床钻取九点试样，进行合金元素Al、Mo、Nb、Si、Fe 含量检测。

图1 铸锭纵向及横向取样示意图

1.5 试验结果

二次熔炼铸锭合金元素检验结果如图2 所示。

试验过程中，电极块压制、自耗电极焊接、一次熔炼均未发生掉料或断裂事故，说明此试验的电极块压制参数、焊接工艺均能满足高合金化TB8 钛合金自耗电极生产的致密度和强度要求，保证了熔炼质量和安全。由图2 可看出，经过二次VAR 熔炼的TB8 钛合金铸锭锭身的纵向和头部端面横向各合金元素成分均匀性良好，偏析倾向较大的Al、Fe 元素含量一致性很好，w（Mo）波动稍大，极差0.35%，在成分要求范围之内，说明此试验的各项工艺选择能满足经两次真空自耗熔炼的TB8 钛合金成分均匀性要求。

图2 二次熔炼铸锭合金元素检验结果

三次熔炼铸锭合金元素检验结果如图3 所示。

图3 三次熔炼铸锭合金元素检验结果

由图3 可看出，经过三次VAR 熔炼的钛合金铸锭中，锭身头、中、底三点和横向端面九点各位置处的主合金元素含量分布均匀，且铸锭整体化学成分一致性好，完全满足TB8 钛合金铸锭化学成分的使用要求。成品铸锭头部热封顶过程较长，熔池中的Al 元素在真空环境下挥发损失较多，头部靠近中心位置Al含量较低；Mo 属于高密度元素，在钛及钛合金真空自耗熔炼过程中存在比重偏析倾向，易在熔池的心部富集，故头部和中部中心位置w（Mo）偏高，但整体均匀性良好，极差0.32%，最大偏差比例约2.2%。由此可见，经过三次VAR 熔炼的TB8 钛合金铸锭中Mo 元素的均匀性比两次熔炼铸锭中均匀性更好，同时TB8钛合金合金含量较高，因此选择三次VAR 熔炼是有必要的。