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        基于MeltFlow-VAR的TC2鈦合金鑄錠熔煉工藝研究

        2022-10-21 08:46:10鄭亞波馮軍寧郝學(xué)博
        世界有色金屬 2022年14期
        關(guān)鍵詞:鑄錠偏析極差

        文 豪,鄭亞波,陳 峰,馮軍寧,郝學(xué)博

        (1.寶鈦集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721014;寶雞鈦業(yè)股份有限公司,陜西 寶雞 721014)

        1 前言

        TC2鈦合金名義化學(xué)成分為T(mén)i-4Al-1.5Mn,是屬于Ti-Al-Mn系的一種α+β型中強(qiáng)鈦合金[1,2]。該合金具有較高的強(qiáng)度、良好的成型性和焊接性能,韌性和機(jī)械性能較好,且綜合性能良好[3,4]。TC2鈦合金鑄錠真空自耗熔煉過(guò)程中,Al、Mn屬于易揮發(fā)元素,特別是Mn元素在同等溫度下其飽和蒸氣壓遠(yuǎn)高于Ti元素會(huì)大量揮發(fā),且在鑄錠的周邊和頂部富集。有研究表明,鑄錠表層的Mn含量可達(dá)中心的15倍[5,6],這會(huì)導(dǎo)致鑄錠的化學(xué)元素分布不均勻,產(chǎn)生Mn元素偏析現(xiàn)象。這種鑄錠在后續(xù)加工材的組織上會(huì)出現(xiàn)明顯的亮斑、亮條缺陷,見(jiàn)圖1。而亮斑、亮條處的塑性較差,在鈦材加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等缺陷。因此,如何解決TC2鈦合金鑄錠熔煉過(guò)程中Mn元素分布不均勻問(wèn)題,改善加工材組織存在的亮斑、亮條缺陷就顯得尤為關(guān)鍵。本文以Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金鑄錠成品熔煉為研究對(duì)象,利用MeItFlow-VAR仿真模擬軟件從熔煉工藝參數(shù)方面對(duì)TC2鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉(VAR)過(guò)程進(jìn)行模擬,研究分析熔煉工藝參數(shù)對(duì)鑄錠化學(xué)成分均勻性的影響;同時(shí)根據(jù)仿真模擬結(jié)果提供的理論依據(jù)制定出合理的熔煉工藝,并進(jìn)行了Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金鑄錠生產(chǎn)試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,生產(chǎn)出了合格的加工材用TC2鈦合金鑄錠。

        圖1 TC2鈦合金加工材缺陷區(qū)

        2 MeItFlow-VAR仿真模擬

        本文依托MeItFlow-VAR仿真模擬軟件,對(duì)Φ720mm規(guī)格的TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉(VAR)過(guò)程進(jìn)行模擬,通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析研究,制定出相對(duì)合理的熔煉工藝參數(shù)。

        2.1 熔池深度隨熔煉電流變化的模擬分析

        在鑄錠熔煉過(guò)程中,合金元素的偏析程度是評(píng)價(jià)鑄錠質(zhì)量的重要內(nèi)容之一。偏析是在合金凝固過(guò)程中形成的。根據(jù)合金凝固過(guò)程的溶質(zhì)再分配原理,液態(tài)金屬的凝固過(guò)程發(fā)生在一定溫度范圍內(nèi),而合金在不同時(shí)刻凝固的固體成分是不同的,且固態(tài)擴(kuò)散越差,固相不均勻性變?cè)酱?,因此產(chǎn)生偏析現(xiàn)象。根據(jù)合金結(jié)晶偏析的經(jīng)典理論[7],溶質(zhì)組元的平衡分配常數(shù)K0決定了合金元素的偏析程度,K0與1之差越大的合金其偏析傾向也越大。而當(dāng)K0為定值時(shí),則溶質(zhì)組元的有效分配常數(shù)Ke越接近1,偏析傾向越小。一般來(lái)說(shuō),冷卻速度增大(即擴(kuò)大溫度梯度)可使凝固速度也就是界面的推進(jìn)速度增大,從而可使Ke向1逼近,有效減小元素的偏析程度。Ke即界面α的濃度與遠(yuǎn)離界面液體的濃度之比[8],如下式:

        采用真空自耗電弧爐(VAR)熔煉鈦合金鑄錠時(shí),鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)的凝固是從底部開(kāi)始,隨著熔煉過(guò)程的進(jìn)行,逐漸向上的凝固過(guò)程,屬于順序凝固。因此按溶質(zhì)再分配理論,會(huì)產(chǎn)生一些合金元素在鑄錠的各部分呈有規(guī)律地分布狀態(tài)。TC2合金中主要包含Al、Mn等元素,其中Mn元素的平衡分配系數(shù)K0為0.39[6],與1的差值較大,在熔煉過(guò)程中呈現(xiàn)較強(qiáng)的正偏析性傾向,會(huì)不可避免地使Mn元素在樹(shù)枝狀晶界或晶枝之間富集而造成嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象,在鈦材加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等缺陷。

        真空自耗電弧熔煉(VAR)過(guò)程主要包括起弧建立熔池階段、正常熔煉階段以及補(bǔ)縮階段。其中,正常熔煉階段的熔煉電流是整個(gè)熔煉過(guò)程的關(guān)鍵工藝參數(shù)。因?yàn)槿蹮掚娏鳑Q定著金屬熔化速率和熔池溫度,對(duì)熔池的形狀、體積和深度有最直接的影響,最終反映到合金的精煉效果和結(jié)晶結(jié)構(gòu)上。圖2為模擬TC2鈦合金成品熔煉時(shí)正常熔煉階段熔池深度隨熔煉電流的不同(1-7代表不同的熔煉電流制度,且熔煉電流由大到?。┑淖兓厔?shì)。從模擬結(jié)果可以看出:在其余熔煉工藝參數(shù)不變的情況下,隨著熔煉電流的降低,熔池深度相應(yīng)有所減小,且熔池深度與熔煉電流表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,R2=0.9935。由此可以看出,減少輸入給熔煉過(guò)程的有效能量是影響熔池深度的主要因素。而在熔煉TC2鈦合金鑄錠時(shí),當(dāng)冷卻速度恒定,單位時(shí)間輸入的總能量減少(即降低熔煉電流)時(shí),熔化速度則隨之減小,導(dǎo)致熔池深度減小,熔池的熔融區(qū)域變小,使得熔池的溫度梯度增大,加快了凝固速度,有效減小了元素的偏析程度。

        圖2 熔池深度隨熔煉電流的不同的變化

        根據(jù)上述模擬結(jié)果以及前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),選取第1種以及第4種兩種不同的電流制度,對(duì)Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn),Mn元素的分布狀態(tài)如圖3所示。從圖3中可以看出,Mn元素明顯呈現(xiàn)出底部含量偏低、上部含量偏高的分布特點(diǎn),其分布特點(diǎn)符合Mn元素在實(shí)際生產(chǎn)中的偏析規(guī)律。對(duì)比圖3(a)與(b)的Mn元素模擬分布結(jié)果可以看出,在較低的熔煉電流(即小電流、低熔速)下,鑄錠中Mn元素含量較高的區(qū)域有所減少,且分布相對(duì)更加均勻。這說(shuō)明熔煉電流減?。摧斎氲目偰芰繙p少)時(shí),熔池的溫度梯度增大,凝固速度有所提高,使得元素的分布相對(duì)更加均勻,有效減小了Mn元素的偏析程度。

        圖3 不同熔煉電流制度下模擬Mn元素分布

        2.2 穩(wěn)弧交變時(shí)間對(duì)鑄錠組織成分影響的模擬分析

        理想狀態(tài)下,在真空自耗電弧熔煉(VAR)過(guò)程中,電弧的軸線應(yīng)該與電極的軸線相重合,但由于電弧本身是由各種帶電粒子組成的高溫等離子體,若電弧受到周?chē)艌?chǎng)的干擾,將發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn),可能會(huì)造成結(jié)晶器燒穿的危險(xiǎn)。為了使真空自耗電弧爐在工作時(shí),電弧收斂和能量集中,避免發(fā)生電弧偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,通常利用外加磁場(chǎng)來(lái)穩(wěn)定電弧,即在結(jié)晶器外壁纏繞電磁線圈——穩(wěn)弧線圈。除此之外,穩(wěn)弧線圈還具有攪拌熔池改善合金化條件、細(xì)化晶粒、消除固有磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)造成的影響等作用。在鈦合金成品鑄錠熔煉過(guò)程中,穩(wěn)弧電流一般選擇交流電源,這是因?yàn)榻涣鞣€(wěn)弧具有使熔池深度變淺、使熔池非定向旋轉(zhuǎn)以及對(duì)熔池?cái)嚢韪鼜?qiáng)烈的作用。

        本次模擬試驗(yàn)選擇的穩(wěn)弧電流為X A,分別選取T1和T2的交變時(shí)間(T1<T2),對(duì)Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉過(guò)程進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

        圖4 不同穩(wěn)弧交變時(shí)間下Mn元素分布

        圖5 不同穩(wěn)弧交變時(shí)間下模擬鑄錠組織

        對(duì)比圖4(a)與(b)可以看出,延長(zhǎng)穩(wěn)弧電流的交變時(shí)間,對(duì)Mn元素在鑄錠中的均勻分布有一定的改善。這是因?yàn)榻蛔儠r(shí)間過(guò)短導(dǎo)致對(duì)熔池?cái)嚢璨怀浞?,限制了Mn元素的均勻分布;而適當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)弧電流交變時(shí)間,對(duì)熔池產(chǎn)生明顯的攪拌作用,改善了Mn元素的合金化條件。同時(shí),適當(dāng)?shù)臄嚢?,擴(kuò)大了熔池表面,可提高鑄錠的表面質(zhì)量。對(duì)比圖5(a)與(b)可以看出,延長(zhǎng)穩(wěn)弧電流的交變時(shí)間,適當(dāng)?shù)睦梅€(wěn)弧電流對(duì)熔池進(jìn)行充分?jǐn)嚢?,可促使鑄錠凝固時(shí)結(jié)晶核心增多,阻礙一次晶長(zhǎng)大,使鑄錠晶粒得到細(xì)化。

        通過(guò)MeltFlow-VAR仿真模擬軟件對(duì)Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉過(guò)程進(jìn)行模擬研究,可以得出:為了獲得成分均勻性良好的TC2鈦合金鑄錠,可以通過(guò)優(yōu)化熔煉工藝參數(shù)即采取“小電流、低熔速”熔煉工藝以及適當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)弧電流交變時(shí)間的方法,改善TC2鈦合金鑄錠中Mn元素的偏析程度。同時(shí),通過(guò)對(duì)真空自耗電弧熔煉過(guò)程的仿真模擬,能夠有效地預(yù)測(cè)熔煉工藝參數(shù)對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響,并借此指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程,節(jié)省人力物力財(cái)力。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析及驗(yàn)證

        3.1 原料及添加劑

        依據(jù)前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),本次試驗(yàn)選用小粒度0/1級(jí)海綿鈦,以電解錳、鋁豆作為添加劑。

        3.2 工藝過(guò)程

        圖6 工藝過(guò)程

        3.3 熔煉過(guò)程

        根據(jù)上述對(duì)仿真模擬結(jié)果分析,選取合理的熔煉電流、穩(wěn)弧電流交變時(shí)間等工藝參數(shù),且使自耗電極經(jīng)一次真空熔煉+二次惰性氣體保護(hù)熔煉生產(chǎn)TC2鈦合金鑄錠,熔煉過(guò)程平穩(wěn),均未發(fā)生異常。

        3.4 成品鑄錠取樣及分析

        對(duì)本次生產(chǎn)的四個(gè)TC2鈦合金鑄錠的表面進(jìn)行扒皮去除缺陷后,在鑄錠頭、上、中、下、底五個(gè)部位分別取樣進(jìn)行Al、Mn元素化學(xué)分析??v向取樣示意圖如圖7(a)所示。同時(shí),為了驗(yàn)證Al、Mn元素在TC2鈦合金鑄錠中徑向的分布情況,故本次試驗(yàn)對(duì)其中的2#鑄錠頭部斷面進(jìn)行13點(diǎn)取樣,分別分析Al、Mn元素的含量,鑄錠頭部斷面取樣示意圖如圖7(b)所示。

        圖7 鑄錠取樣示意圖

        圖8(a)、(b)、(c)和(d)分別是四個(gè)鑄錠的縱向化學(xué)成分分析結(jié)果,從圖中可以看出,四個(gè)鑄錠中Al、Mn元素的化學(xué)成分波動(dòng)較小,元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求,滿足后續(xù)加工要求。表1是相同鑄錠化學(xué)分析結(jié)果的極差,其中1#鑄錠Al元素極差為0.1%,Mn元素極差為0.1%;2#鑄錠Al元素極差為0.1%,Mn元素極差為0.2%;3#鑄錠Al元素極差為0,Mn元素極差為0.1%;4#鑄錠Al元素極差為0.1%,Mn元素極差為0.1%;結(jié)合圖8和表1可以看出,Al和Mn元素在鑄錠縱向的分布是均勻的,極差較小。表2是不同鑄錠之間Al元素和Mn元素的化學(xué)分析結(jié)果極差,其中Al元素極差為0.1%,Mn元素極差為0.2%,說(shuō)明不同鑄錠的生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定,化學(xué)成分波動(dòng)較小,熔煉工藝參數(shù)的選擇合適。

        圖8 4個(gè)鑄錠的縱向化學(xué)成分

        表1 相同鑄錠化學(xué)成分差極

        表2 不同鑄錠化學(xué)成分極差

        圖9為2#鑄錠頭部斷面13點(diǎn)取樣的化學(xué)成分,表3是13點(diǎn)取樣的化學(xué)成分極差,結(jié)合兩者可以看出,Al、Mn元素在鑄錠的徑向化學(xué)成分波動(dòng)和極差較小,說(shuō)明Al、Mn元素在鑄錠的徑向分布是均勻的。

        圖9 2#鑄錠頭部斷面化學(xué)成分

        表3 2#鑄錠頭部斷面化學(xué)成分極差

        3.4 TC2鈦合金加工材鍛態(tài)組織

        圖10為對(duì)1#、2#鑄錠進(jìn)行均勻化處理,且控制變形量、鍛壓速度、壓下量、進(jìn)給量等變形參數(shù)進(jìn)行鍛造后,大規(guī)格加工材鍛態(tài)低倍圖。從圖中可以看出,加工材鍛態(tài)低倍為模糊晶,組織均勻性較好。

        圖10 加工材鍛態(tài)低倍

        3.5 “空燒”低倍檢驗(yàn)

        圖11為T(mén)C2鈦合金加工材進(jìn)行“空燒”試驗(yàn)后,進(jìn)行橫縱向低倍檢驗(yàn),經(jīng)檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)亮斑、亮條等組織缺陷。這說(shuō)明通過(guò)對(duì)TC2鈦合金鑄錠熔煉工藝的優(yōu)化,改善了Mn元素的偏析現(xiàn)象,使鑄錠中Mn元素分布更加均勻,可以避免TC2鈦合金在后續(xù)加工制造過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等缺陷。

        圖11 TC2鈦合金加工材“空燒”橫縱向低倍檢驗(yàn)

        4 結(jié)論

        (1)MeltFlow-VAR模擬仿真軟件可以對(duì)TC2鈦合金的熔煉過(guò)程進(jìn)有效模擬。

        (2)利用MeltFlow-VAR模擬仿真軟件對(duì)Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉(VAR)過(guò)程進(jìn)行模擬研究,分析得出熔池深度隨著熔煉電流降低而減?。磺疫m當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)弧電流交變時(shí)間,可使鑄錠中易偏析元素分布更加均勻,改善化學(xué)成分均勻性。

        (3)依據(jù)模擬結(jié)果,選取適當(dāng)?shù)娜蹮掚娏?、穩(wěn)弧電流交變時(shí)間等熔煉工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn),控制過(guò)程有效,所生產(chǎn)TC2鈦合金鑄錠中Mn、Al元素分布均勻,化學(xué)成分波動(dòng)和極差較小,Mn、Al元素偏析現(xiàn)象明顯改善。

        (4)TC2鈦合金加工材進(jìn)行“空燒”試驗(yàn)后,進(jìn)行橫縱向低倍檢驗(yàn),均未發(fā)現(xiàn)亮斑、亮條等組織缺陷,加工材組織得到了改善。

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