TA15钛合金真空自耗电弧熔炼过程中的富钛偏析研究

第36卷第3期2019年6月
Vet.36No.3
Juce2019 Ti钛工业ifi展-F
TANIUM
TA15钛合金真空自耗电弧熔炼过程中的富钛偏析研究
张飞奇，孙宝洋，李啥嫣，车伟
(陕西天成航空材料有限公司，陕西咸阳712400)
摘要：通过超声波探测、显微组织观察、能谱分析及显微硬度测试等一系列表征方法，分析了实际工业生产中TA15钛合金棒材出现的富钛偏析问题。

结果显示，富钛偏析区域经抛光腐蚀后呈亮白色，为a单相组织，合金元素较少，硬度低于基体。

结合熔炼工艺过程分析发现，由于一次锭起弧熔炼流较小，熔炼温低，中间合金提前熔化，少量海绵钛颗粒未熔熔池，产生富钛偏析。

并于二次熔炼时富钛偏析处于炉内焊接,重熔并不能将其完全消除。

通过减少或取消铸锭炉内焊接，以及对需要焊接的半成品铸锭底部进行车削处理，能够减钛合金中的钛偏。

关键词：钛合金；偏析；真空自耗电弧熔炼；海绵钛
中图分类号：TG146.23文献标识码：A文章编号：1009A964(2019)03A38A4
Research on Rich-titanium in TA18Titaniom Alloy during
Vacuum Arc Remelting Procest
Zhang FeiqA Sun Baoyang,Li Hanysn,Cha Wai
(Shaanxi Tian Cheng Aerospace Co.,Ltd.,Xianyang712400,China)
Abstraci:In this papor,tha industu pudlem of Uch-titanium s/mobUo wvs reqresexted by ultrasonic detection, micmstrnctum oUsemaSou,exerps s pectrum analysis and vickers-2arnness test.Tha results show thst Uch-titanium repiov hss tha characteristics of gloss whito aftar polisUing etch,a phase；lsch of bluy element and lowar of hyOiss compared with tha bass.Furthe/nore,combined with tha analysis of tha smelting process,A is found thst duo to tha smabor corrext in tha melting stags,so tha melting temperature is low,soma inte/nediata bloys are melted in anvadce,and v smalt amount of titanium spongo paUiclas are melted and felt into tha molten pool；resulting in titanium-Uch sevuybion.Moreovar,this sevuybion repiov,becoming also v welded paU ingot in tha chambar,cvnnot ba completety eliminated tom follow-2p remelting process.Rich-titanium seyuyb/n in t/anium bloy con ba mhuod by mducii or eliminating welding in tha ingot fuuisco and by tuuiing off tha bottom of tha semi-finisUed ingot.
Key wof U s:titanium bloy；seyreyatiou；vvcvum arc remelting；titanium spongo
0引言
工业生产中钛合金铸锭通常是将海绵钛、中间合金等混合压，通过多次真空自耗电弧熔炼（VAR）的方式获得［］。

此种方法工艺灵活性高,低，但在真空自耗电弧熔炼过程中，由于中合金的纯净度及其在中的、熔炼时的、熔、熔炼艺条件的限制，容
收稿日期：2013-09-14
通信作者：张飞奇（1986—）,男，工程师。

易产生低密度夹杂、高密度夹杂和富集间隙夹杂等,钛合金零的［］。

而，-有关钛合金富钛偏析的，对于富钛偏析的体有得到研究J T。

TA15钛合金是一a型钛合金，具有中等的室温和高温，优良的热稳、抗蠕变、
,以及良好的焊接，应用于航领域［5］。

本研究对TA15钛合金材中富钛偏析的特征及形，并提：进方案，以期为高品质TA15钛合金工业化生产提供
第3期张飞奇等：TA16钛合金真空自耗电弧熔炼过程中的富钛偏析研究36
借鉴。

1实验
以0级海绵钛、A1-V合金、AUMo合金、铝豆、海绵错、TiO.、纯铁钉等为原料，采用VAR三次熔炼制备TA1钛合金铸锭。

经开坯、多道次
锻造、轧加010mm的棒材。

采用Masterscan700M数声波探伤仪进行检测，发现其内部存在缺陷。

在缺陷处，并经加工制备025mm的TA15钛合金样品。

经打磨抛光后，的金相腐蚀液（HF、HNO、HO体积比为2：4：94）腐蚀约1s o采用OLYMPUS-GX71型研究级倒置金相组织进行观察；采用TESCAN VEGA3XMU扫描电子显微表面形貌观察，并用附带的能谱仪区；采用TUKON010型硬度测量仪进行硬度测量，载荷为50e,加载时间为34s。

2结果与分析
0.2富钛偏析特征分析
图1为TA13钛合金棒材的超声波探测图。

从图1可以看出，14.1，现明显的，说明在144.1mm深度处存在较大缺陷。

这是因为一般在金属基体中如果存在宏观偏析、裂纹或其他不连组织偏析时，声在基体与缺陷表面形射，从而岀现，并且随着缺陷扩大，杂峰
变高。

/lajetgKtwa^e]
图1TA16钛合金棒材的超声波探测图Fig.1Ultrasonic detection map of TAl titanium alloy U po TAl钛合金棒材缺陷截,并
表面抛光与，得到缺陷的宏观形貌，2所示。

2可以明显看岀，中有一块的偏析组织。

于偏 的合金元素及组织与正常区域差大，酸溶液率而
的
图2TA1钛合金棒材缺陷部分的宏观形貌
Fig.2Macro momholoea of defect paO of TAl titanium tloy bbo
图3为TAl钛合金棒材不同区域的金相照片。

3可以看岀，偏的微观组织形貌为细小的d相等轴晶，而正常区域为常见的双态组织。

这是因为TA13为近d型钛合金，经过多火次锻造变形形组织，而缺陷区域由于合金元素偏析，在同样的工艺条组织转变为等轴晶。

图4TA1钛合金棒材不同区域的金相照片
Fig.2Metallofrapps of diUerect reaions of TAl titanium alloy:
(a)Och-titanAm seareaation reaion;(b)reaion
图4和表1分别为TAl钛合金棒材不同区域的片及能谱结果。

从表1可以看,偏析区域的合金元素含量相比正常区域明显降低。

其中，偏析区域主元素—的质量分数达到931%，说明此处为富钛偏析,并且0稳定元素Mo、V含量极少，导致缺陷区域形成d相等轴组
钛工业进展
Titanium Industry Progress36卷40
织，这与图3分析结果相一致。

图4TA15钛合金棒材不同区域的SEM照片及能谱采集区域
Fig.4SEM micuymphs and enemy spectrum analysis uyious
of TAI5titanium alloy bar：(a)rich-titanium seyuyatiou
uyiou；(b)norma-myion
表1TA15钛合金棒材不同区域的能谱分析结果
Tadte1Enemy spectrum salysis results of TA15titanium
bloy bar in diAeunt uyious
Element
Seyreyatiou reyiou Norma-uyiou
w/%兀/%w/%/%
Ao0542057455479541
Zr050105000.660539
Mo0501050105770537
V1539153125722548
Tn98517975949052787.36
图5为TA15钛合金棒材不同区域的维氏硬度值
分布曲线。

从图5可以看出，正常区域的硬度
值在3.4-3.42GPa之间，而偏析区域的维氏硬度
值较低，在2.65〜3.05GPa之间。

为偏析区
域为等轴a相，正常区域为组织，组织相
轴a相具有更高的，到外力时会
发生塑性变形，在等轴晶与片层组织间相'
移，由于受到不同晶格结构以及片层，使得
e d D ' s s o U P J e q S J O
4 2
a 4.00 3.75 3.50 3.25 3.00 2.75
图5TA15钛合金棒材不同区域的维氏硬度值分布曲线Fig.5The v/heu-haiUness values distUbutiov comes of TA15 titanium alloy bar in the diAeunt uyious
难移，的载荷下，将会具有更小的变形量，表现为具有更高的硬度。

2.2富钛偏析形成原因分析
钛合金偏析的原因主要在于熔炼过程［］。

6为TA15钛合金一次锭熔炼过程的电流-时间工艺曲线。

5可以看出，起弧流由小到大，熔炼流稳定，热封顶（补缩））电流降低。

钛合金真空自耗熔炼以电弧为热源,其中电弧阳极区域温度最高，即金属液体表面的温
图6钛合金一次锭熔炼过程中的电流-时间曲线Fig.6The cyruxt-time come of first ingot melting process of titanium agoy
KoodmsPov等人［］在数值模拟过程中提出真空自耗炉中金属熔池表面温式：
T二T l+^TUD）（1）式中，T为金属熔池表面温度，K；4T为超过金属液相线温度的值，K；T l为液相线温度，K；D为电直径，m；丿为熔炼电流，kA o其中，2（人D）表达式:
△T（人D）=400、-12"6（2）
由（1）和（2）式可见，电流与熔池表面温度成正比，由于熔炼的电流较小，相应熔池表面温低，由海绵钛与中间合金的在熔炼过程中，中间合金熔点低，将熔化，同时起弧端头温低，以完全熔化海绵钛颗粒，从而使得海绵钛颗粒到熔池中，大的海绵钛颗粒不会在熔池中完全熔化⑻，存在于铸锭底部。

熔炼时，熔化的海绵钛颗粒将被上层熔化并冷却的合金液体，整个过程如7所7K。

图8为TA15钛合金一次锭底部的未熔化海绵钛片。

9为钛合金棒材中富钛偏析的形
在二次锭熔炼过程中，需要将2根一次锭
炉内
第3期张飞奇等：TA1钛合金真空自耗电弧熔炼过程中的富钛偏析研究41
图7钛合金一次锭熔炼过程中未熔化海绵钛产生
过程示意图
Fig.2The schematic diapram of ucmelted dAnium sponge during first ingot melting process
图8TAl钛合金一次锭底部未熔化海绵钛照片
Fig.3Photo of the unmelted dAnium sponge at the bottom of TAl dAnium tUy ingot
图9富钛偏析与铸锭炉内焊接位置示意图
Fig.2The scematic diapram of relaOonsPip Uetweev rich-titan A m seareaaOon and ingots welding positUnol in the chamUer
焊接，其中一个一次锭底部将位于中间部位，未熔的海绵钛颗粒将存在于焊接，在二次、三次熔炼过程中也不能将其完全溶解，这是因为即使熔，其附近的合金将上一次熔炼的结果，并使得合金均匀。

这与能谱结果相一致，富钛偏析区域合金元素含量相常区域较少。

3结论及改进措施
(1)TA1钛合金棒材中富钛偏析区域显微组织为细小的等轴晶，与基体的组织具有明显的区;其合金元素含量明显小于基体，其中偏析区域-含量达到67.3%；偏析区域的硬小于正常区域。

(2)由于起弧阶段温度较低，一次锭底部未完全熔化海绵钛颗粒将会形钛偏析，经过二次、三次熔炼，锻坯及轧过程，仍残留在成品棒材中。

(3)通过对钛合金中富钛偏析的形成过程分析,对现有生产工艺提出2点措施：一是通过工艺规划减少或去除铸锭炉内焊接；二是对需要炉内焊接的钛合金锭底加工。

车削时不仅去除未熔化的海绵钛颗粒，而在此基础上继续车削4~5mm。

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