趙小花，王錦程，劉 鵬，吳 偉，王凱旋，劉向宏,孫 鵬

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072) (2.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

鈦合金特有的抗氧化性、高比強(qiáng)度、低密度等特點(diǎn)使得其在航空先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用上具有明顯優(yōu)勢[1,2]，因而被列為國家“兩機(jī)”專項(xiàng)戰(zhàn)略性材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)對鈦合金材料的純凈性、均勻性[3]和一致性有著更高的要求，因此，工程化生產(chǎn)過程中鈦合金鑄錠成分均勻性的控制成為研究熱點(diǎn)。目前，針對熔煉工藝研究[4]的報(bào)道較為普遍，但關(guān)于前端電極成分均勻性的研究鮮有報(bào)道。然而，鈦合金鑄錠的工程化制備過程中，電極塊的形狀、成分及致密度對于后續(xù)工序具有重要影響。如果控制不當(dāng)，可能造成熔煉過程掉渣而引起冶金缺陷[5]。本研究針對工程化制備鈦合金鑄錠的基本工序(電極塊混料—電極塊壓制—電極焊接—真空自耗電弧熔煉)中的前2個(gè)環(huán)節(jié)，研究了電極塊成分對成品鑄錠成分均勻性的影響，以期在批量化生產(chǎn)中通過控制電極塊質(zhì)量提高鑄錠成分均勻性。

1 模擬條件和實(shí)驗(yàn)方法

電極塊制備是指將一定配比的海綿鈦、中間合金和純金屬等物料混合，在油壓機(jī)模腔內(nèi)壓制成一定形狀的機(jī)械混合物[6,7]，如圖1所示。該機(jī)械混合物是后續(xù)熔煉的基本單元，本研究采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對該過程開展系統(tǒng)研究。假設(shè)電極塊中的原材料分布狀態(tài)為極限非均勻混合和均勻混合2種，對其進(jìn)行3次真空自耗電弧熔煉的數(shù)值模擬，對比成品鑄錠的成分分布規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)壓制電極塊，對其進(jìn)行解剖分析，分區(qū)域熔煉成試樣并進(jìn)行化學(xué)成分分析，獲得電極塊中各成分的真實(shí)分布規(guī)律。然后進(jìn)一步優(yōu)化模型中電極成分邊界條件，再進(jìn)行數(shù)值模擬獲得成品鑄錠的元素分布圖，最后對工程化批產(chǎn)工藝下制備的鈦合金鑄錠的成分均勻性進(jìn)行評價(jià)。

圖1 電極塊制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of electrode block

采用MeltFlow VAR軟件進(jìn)行鑄錠成分?jǐn)?shù)值模擬。該軟件基于有限體積法，對真空自耗熔煉過程中的電磁場、流場、溫度場和溶質(zhì)場進(jìn)行耦合計(jì)算[8]。其中，電極的成分在軟件的邊界條件Alloy Properties.dat中輸入。電極成分邊界條件的模擬計(jì)算按照理想配比條件、極限分布及實(shí)物測量結(jié)果開展。

實(shí)驗(yàn)過程為：按照TC4鈦合金的名義配比計(jì)算各種原材料的質(zhì)量，并用油漆分別染色，烘干后全部倒入OAS混料系統(tǒng)混合均勻，隨后倒入30 MN油壓機(jī)中壓制成單塊質(zhì)量90 kg的電極塊(規(guī)格為100 mm×200 mm×170 mm)。沿電極塊軸向等分切割為10塊，按照涂色的顯示情況采用計(jì)算機(jī)識(shí)色軟件捕捉計(jì)算各種原材料體積占比；然后將10塊電極分別進(jìn)行一次真空自耗電弧熔煉，得到規(guī)格為φ30 mm的鑄錠；在鑄錠頭、中、尾部取屑樣和塊樣，采用等離子電感耦合(ICP)法測試Al、V、O元素含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混料條件下鑄錠成分模擬結(jié)果

假設(shè)各原材料經(jīng)過混料后仍然聚集分布，即極限情況下混料后各原材料在電極軸向集中分布。對不同混料方式下鑄錠成分的均勻性進(jìn)行模擬，以此定量分析混料后原材料分布對鑄錠成分均勻性的影響。圖2為3種電極塊混料均勻性模擬方案示意圖。其中，圖2a代表壓制形成的電極塊中鋁豆均勻鋪在最底層，然后從下向上依次為鋁鐵合金、二氧化鈦粉末、釩鋁合金和海綿鈦；圖2b代表另一種原材料的分布順序，從下向上依次為釩鋁合金、二氧化鈦粉末、鋁豆、鋁鐵合金和海綿鈦；圖2c代表電極塊中所有原材料均勻混合。

圖2 電極塊混料均勻性模擬方案Fig.2 Simulation schemes of electrode block mixing uniformity: (a) limiting condition 1; (b) limiting condition 2; (c) mixing uniformly

按照以上3種情況在MeltFlow VAR軟件中分別設(shè)置電極的材料參數(shù)邊界條件，按照相同的工藝條件進(jìn)行1次熔煉、2次熔煉和3次熔煉的數(shù)值模擬。模擬所得的三次鑄錠Al元素成分分布如圖3所示。

圖3 不同混料條件下成品鑄錠中Al元素分布圖Fig.3 Aluminum distribution of ingot after three times remelting at different mixing conditions: (a) limiting condition 1; (b) limiting condition 2; (c) mixing uniformly

在本研究中，模擬設(shè)置的Al含量不是名義配比的6.0%，而是按照工程制備中的實(shí)際配比(靠近標(biāo)準(zhǔn)上限)確定的。由圖3可見，不同混料方式下，成品鑄錠的成分存在較大差異。就成分均勻性而言，鑄錠的元素極差由小到大依次為均勻混合、極限混料1、極限混料2。圖3c基本代表了工程化配比條件下鑄錠經(jīng)過3次VAR熔煉后Al元素的偏析分布。而圖3a和圖3b中的Al元素含量與配比相比均偏低，這與極限混料方式下Al原材料聚集分布造成燒損和揮發(fā)嚴(yán)重以及元素的宏觀偏析有關(guān)。從數(shù)值模擬的角度可以解釋不同混料均勻性對鑄錠成分均勻性具有重要影響。目前，借助數(shù)值模擬開展真空自耗電弧熔煉過程中各物理場之間影響規(guī)律及鑄錠成分分布的研究是工程化鈦合金制備中工藝優(yōu)化的重要手段。作為數(shù)值模擬的邊界條件之一——電極塊成分，其輸入邊界條件的精確化，對于鑄錠熔煉模擬的精確性具有重要意義。

2.2 熔煉模擬邊界的確定

理想條件下，經(jīng)過原材料混料工序后，認(rèn)為壓制的電極塊中原材料均勻分布。為了明確電極塊經(jīng)均勻混料工藝壓制完成后，實(shí)物電極塊中各元素含量，將壓制的電極塊沿軸向割分為10塊，分別進(jìn)行顏色識(shí)別，如圖4所示。圖4a為等分后的電極塊，圖4b為第5塊電極塊的原材料顏色識(shí)別示意圖。按照顏色識(shí)別的方式，采用計(jì)算機(jī)識(shí)色軟件統(tǒng)計(jì)10塊電極塊中不同原材料的面積, 據(jù)此計(jì)算其體積占比, 如表1所示。

圖4 沿軸線割分的電極塊照片和第5塊電極塊的原材料顏色識(shí)別示意圖Fig.4 Photo of electrode blocks cut along axis (a) and schematic diagram of raw material color identification of the fifth electrode block (b)

表1 割分后不同電極塊中各原材料體積占比(vol%)Table 1 Volume ratio of raw material in different electrode blocks after cutting

由表1可以看出，混合均勻的原材料倒入模腔進(jìn)行壓制后，各原材料在電極塊中并非完全均勻分布。模腔底部位置全部是海綿鈦，隨著距離模腔底部位置高度的增加，鋁釩中間合金和鋁豆含量增加，但并非呈現(xiàn)線性變化。從軸向中部開始，電極塊中的各原材料分布逐漸均勻，由于是等厚度鋸切，則可認(rèn)為電極塊沿軸向中部向上電極塊中各原材料分布是均勻的。

壓制后的電極塊中出現(xiàn)各原材料分布不均勻的現(xiàn)象，其原因一方面是由于各原材料的粒度、密度和形狀不同，疏松的較大顆粒海綿鈦會(huì)優(yōu)先落入模腔，而密度較小的鋁豆下落較慢。另一方面，與混料的時(shí)間和方式也存在一定關(guān)系?；炝线^程中，若控制不當(dāng)，同一種原材料產(chǎn)生聚集分布，下落后也會(huì)出現(xiàn)一定范圍的聚集。

對識(shí)色軟件捕捉到的不同原材料的面積進(jìn)行分析，結(jié)合不同原材料的密度，計(jì)算其元素含量，分別獲得10塊電極塊中不同元素的含量。進(jìn)一步按照電極組合的方式，計(jì)算得到整根電極中各元素含量沿軸線的分布圖，如圖5所示。圖5中虛線所示為各元素的理論配比設(shè)定值。

圖5 電極塊中各元素含量沿軸向分布曲線Fig.5 Components distribution curves in electrode blocks along axis

鈦合金真空自耗電弧熔煉一般是將電極熔煉3次成為成品鑄錠。按照圖5所示電極塊中各元素沿電極縱向的實(shí)測分布值作為數(shù)值模擬的材料輸入邊界，獲得真空自耗電弧熔煉一次錠、二次錠和成品鑄錠中的元素分布圖，其中Al元素含量分布如圖6a所示。同樣的，采用合金的理論配比值作為數(shù)值模擬的材料輸入邊界，獲得真空自耗電弧熔煉一次錠、二次錠和成品鑄錠中的元素分布圖，其中Al元素含量分布如圖6b所示。

圖6 不同邊界條件下鑄錠中Al元素模擬分布圖Fig.6 Simulated distribution of Al element distribution in ingot under different boundary conditions： (a) measured value; (b) set value

由圖6可見,按照實(shí)測各原材料分布計(jì)算所得的電極成分作為邊界條件, 經(jīng)過模擬的一次錠Al元素分布均勻性較差，鑄錠中出現(xiàn)了元素的分層分布，且鑄錠下部Al元素含量高，向上依次降低；二次錠的Al元素沒有明顯的分層現(xiàn)象，鑄錠的橫向成分均勻性差異不大；三次錠的Al元素分布在鑄錠尾部表現(xiàn)出較明顯的凝固宏觀偏析規(guī)律，鑄錠橫向成分偏差不大。相比之下，按照配比模擬計(jì)算的一次錠Al元素沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，表現(xiàn)出尾部高頭部低、邊部高心部低的偏析規(guī)律；二次錠的Al元素分布受到電極掉頭組焊熔煉順序的影響，呈現(xiàn)出一定的周期分布；三次錠Al元素分布基本遵從凝固偏析規(guī)律。按照實(shí)測值模擬計(jì)算的Al元素含量低于配比值模擬計(jì)算的Al含量，其原因與圖3中反映的規(guī)律一致，即原材料不均勻分布造成Al元素聚集區(qū)域燒損和揮發(fā)加劇?？梢?，隨著熔煉次數(shù)增加，電極中元素含量對鑄錠中元素分布均勻性的影響程度減弱。而且采用配比值并假設(shè)電極塊成分均勻分布作為邊界條件進(jìn)行模擬，所得結(jié)果可以指導(dǎo)工藝優(yōu)化，但與以實(shí)際測試計(jì)算的電極塊成分作為邊界獲得的模擬結(jié)果相比還存在一定差距。

3 結(jié) 論

(1) 鈦合金原材料經(jīng)混料壓制成電極塊后，其化學(xué)成分分布并非完全均勻，混料均勻性對鑄錠成分均勻性存在明顯影響。

(2) 原材料在電極塊中的不均勻分布，尤其是含Al元素的原材料聚集分布，會(huì)加劇熔煉過程中Al元素的燒損和揮發(fā)，造成鑄錠中Al含量偏低。

(3) 熔煉過程中電極沿縱向順序熔化，一次錠的成分受電極塊成分不均勻分布的影響明顯，經(jīng)過2次和3次熔煉后，成分差異逐漸減少。對于VAR數(shù)值模擬而言，采用名義配比值作為電極成分輸入邊界條件，可用于工程化鈦合金制備過程中鑄錠成分均勻性的模擬預(yù)測。