供稿|呂華江，曹瑞,2，葉紅川,2，俞有根，甘利芳，阿熱達(dá)克˙阿力瑪斯

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

在利用真空自耗電弧爐(VAR)熔煉鈦及鈦合金鑄錠時(shí)，因VAR熔煉本身特點(diǎn)，鑄錠規(guī)格大型化后會(huì)出現(xiàn)合金元素控制困難、宏觀偏析等問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。通過(guò)對(duì)成品直徑為1040 mm的TA2鑄錠中Fe元素、TA10鑄錠中Ni元素成分進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究攪拌磁場(chǎng)對(duì)元素宏觀偏析的影響。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變?nèi)蹮挄r(shí)的電磁攪拌方式，探究攪拌磁場(chǎng)對(duì)Fe、Ni元素宏觀偏析的影響。結(jié)果表明兩次熔煉都使用交流攪拌磁場(chǎng)的鑄錠其偏析程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一次直流攪拌、二次交流攪拌的鑄錠，頭底Fe元素偏析率降低到6.25%。頭底Ni元素偏析率降低到6.41%。經(jīng)過(guò)分析，主要原因是因?yàn)閿嚢璐艌?chǎng)會(huì)影響熔池深度及金屬凝固時(shí)的結(jié)晶，減弱Fe、Ni元素在鈦熔液里凝固時(shí)因溶質(zhì)再分配造成的結(jié)晶濃度偏差。

隨著我國(guó)在海洋工程、航空航天、電力、化工等領(lǐng)域用鈦量的增長(zhǎng)，以及大型鍛件需求的逐漸增多，鑄錠大型化成為行業(yè)的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄錠大型化后，生產(chǎn)中用相同原料生產(chǎn)成品φ720 mm和φ1040 mm 鈦及鈦合金鑄錠，前者的加工成本費(fèi)用約為后者的2倍，后者的成材率也比前者高1.0%～2.5%。所以為了滿足用戶的需求和提高鈦材成品率、降低成本，鑄錠大型化有著實(shí)際使用和降低成本的雙重需求[1]。但是鑄錠大型化后，尤其是合金鑄錠大型化后，由于熔煉時(shí)間加長(zhǎng)、熔池液相體積增加、液相存在時(shí)間加長(zhǎng)，遂造成合金成分控制困難，易偏析元素宏觀偏析嚴(yán)重等問(wèn)題，對(duì)鑄錠的質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

鑄錠宏觀偏析是指在鑄錠中存在的不同部位合金元素含量波動(dòng)范圍大、成規(guī)律分布、局部含量超標(biāo)的現(xiàn)象，又稱區(qū)域偏析,嚴(yán)重影響鑄錠的組織和性能，且難以通過(guò)鍛造、熱處理等后續(xù)工藝消除。宏觀偏析會(huì)導(dǎo)致由鑄錠不同部位軋制或鍛造出來(lái)的鈦材在機(jī)械性能和物理性能上產(chǎn)生很大的差異，甚至出現(xiàn)各向異性，降低金屬收得率，影響鈦材制品的有效利用和使用壽命。特別是大型鈦合金鑄錠，宏觀偏析導(dǎo)致整體利用率低，造成極大損失。所以控制鑄錠宏觀偏析是鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)之一。在真空自耗電弧爐(VAR)熔煉生產(chǎn)中，穩(wěn)弧線圈電磁攪拌是常用的改善宏觀偏析的方法之一。

在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，使用真空自耗電弧爐生產(chǎn)大規(guī)格鑄錠時(shí)，通過(guò)改變?nèi)蹮掃^(guò)程中的穩(wěn)弧磁場(chǎng)攪拌方式，對(duì)其成品鑄錠成分宏觀偏析改善明顯。設(shè)計(jì)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析攪拌磁場(chǎng)對(duì)成品規(guī)格φ1040 mm TA2鑄錠中Fe元素、TA10鑄錠中Ni元素的宏觀偏析的影響。

實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用原材料為粒度0.83～25.4mm的鎂法生產(chǎn)海綿鈦，氧添加劑使用銳鈦型TiO2粉末，鐵元素添加劑使用Q195鐵釘，以及NiMo30中間合金，生產(chǎn)成分為T(mén)i-0.070Fe-0.090O的TA2鑄錠和成分為T(mén)i-0.70Ni-0.30Mo的TA10鑄錠，經(jīng)過(guò)兩次真空自耗電弧爐熔煉成規(guī)格φ1040 mm的成品鑄錠。鑄錠生產(chǎn)的工藝流程：海綿鈦+中間合金添加劑→混料→壓制電極塊→焊接→一次熔煉→平頭→二次成品熔煉→扒皮取樣。

取30支TA2鑄錠為第一組，采用相同原料和設(shè)備以及熔煉工藝。1～15號(hào)鑄錠穩(wěn)弧工藝采用傳統(tǒng)的一次熔煉直流攪拌，二次熔煉交流攪拌的方式；16～30號(hào)鑄錠穩(wěn)弧工藝采用一次熔煉、二次熔煉均為交流攪拌的工藝。

取30支TA10鑄錠為第二組，采用相同原料和設(shè)備以及熔煉工藝。1～15號(hào)鑄錠穩(wěn)弧工藝采用傳統(tǒng)的一次熔煉直流攪拌，二次熔煉交流攪拌的方式；16～30號(hào)鑄錠穩(wěn)弧工藝采用一次熔煉、二次熔煉均為交流攪拌的工藝。

特別需要指出的是，真空自耗電弧爐的交流攪拌不是給穩(wěn)弧線圈通交流電，而是通過(guò)每8 s改變直流電的方向，從而產(chǎn)生類似交流的作用。

對(duì)所有鑄錠按照?qǐng)D1成品鑄錠取樣位置示意圖進(jìn)行取樣，第一組鑄錠檢測(cè)頭底鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，第二組鑄錠檢測(cè)頭底Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。統(tǒng)計(jì)元素偏析程度：底部元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去頭部元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再取絕對(duì)值，可以直觀反應(yīng)頭底元素含量偏差情況；偏析率：頭底元素偏析程度與頭部元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值，再取絕對(duì)值，可以直觀反映頭底元素含量的偏析程度情況。

圖1 成品鑄錠取樣部位示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2數(shù)據(jù)可看出，在改善穩(wěn)弧工藝前，TA2鑄錠中的鐵元素偏析嚴(yán)重，鑄錠頭底鐵元素偏析程度最大360×10-6，偏析率最高50%，穩(wěn)弧工藝調(diào)整后鑄錠頭底鐵元素含量偏析程度最大50×10-6，頭底偏析率最高6.25%，鐵元素宏觀偏析情況明顯改善。

圖2 穩(wěn)弧工藝對(duì)TA2鑄錠中Fe元素宏觀偏析的影響

由圖3可看出，在改善穩(wěn)弧工藝前，TA10鑄錠中的鎳元素偏析嚴(yán)重，鑄錠頭底鎳元素含量偏析程度最大2750×10-6，頭底偏析率最高44.28%，穩(wěn)弧工藝調(diào)整后鑄錠頭底鎳元素含量偏析程度最大420×10-6，頭底偏析率最高6.41%，鎳元素宏觀偏析情況明顯改善。

圖3 穩(wěn)弧工藝對(duì)TA10 鑄錠中Ni元素宏觀偏析的影響

原因分析

電磁攪拌自1917年提出以來(lái)，最早被應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)，前期主要應(yīng)用在電弧爐煉鋼上，后被廣泛應(yīng)用于感應(yīng)熔煉爐、鋼包精煉爐、連鑄機(jī)等設(shè)備上。隨著鈦產(chǎn)業(yè)的興起和真空電弧熔煉技術(shù)的發(fā)展，電磁攪拌被應(yīng)用于真空自耗電弧爐設(shè)備上[2-5]。在VAR熔煉過(guò)程中，穩(wěn)弧攪拌系統(tǒng)的作用是當(dāng)穩(wěn)弧線圈中通以直流電時(shí)，電弧周圍就產(chǎn)生上下的縱向磁場(chǎng)，如圖4所示，當(dāng)電弧中的帶電離子或者電子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向有一夾角時(shí)，會(huì)使其受磁場(chǎng)力的作用順著磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)電子或離子若從電弧中向外擴(kuò)散總受到磁場(chǎng)的限制迫使它圍著電弧中心線旋轉(zhuǎn)，熔池也隨之旋轉(zhuǎn)。由于線圈產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)能起到橫向壓縮電弧的作用并使電弧圍繞自身中心線旋轉(zhuǎn)，電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象以及自耗電極向坩堝壁直接放電現(xiàn)象等會(huì)受到縱向磁場(chǎng)的阻止作用，因此這種線圈也被稱為穩(wěn)弧線圈[6]。

圖4 VAR熔煉時(shí)電流和磁場(chǎng)對(duì)熔池的影響[7]

真空自耗熔煉鑄錠產(chǎn)生宏觀偏析的原因是凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配，造成溶質(zhì)再分配的根本原因是熔液中溶質(zhì)與溶劑、溶質(zhì)與溶質(zhì)之間由于摩爾體積、電子密度、電負(fù)性等的差異造成元素之前的相互作用，相互作用會(huì)影響溶質(zhì)的活度系數(shù)，從而改變?nèi)苜|(zhì)的活度，最終影響溶質(zhì)在熔液中的化學(xué)勢(shì)。而凝固過(guò)程中系統(tǒng)自發(fā)的追求固相與液相的化學(xué)勢(shì)平衡，從而提高或降低溶質(zhì)的液相濃度，最終影響凝固過(guò)程中的溶質(zhì)平衡分配系數(shù)[8]。如Fe元素與Ni元素，它們?cè)阝伻垡阂合嘀杏捎谙嗷プ饔玫挠绊懀浠疃认禂?shù)均小于1，凝固過(guò)程中液相為平衡與固相相同的化學(xué)勢(shì)，系統(tǒng)必須自發(fā)的提高液相中Fe元素與Ni元素的活度，從而造成了Fe元素與Ni元素向液相進(jìn)行了從低濃度向高濃度遷移的“上坡擴(kuò)散”現(xiàn)象，導(dǎo)致其平衡分配常數(shù)k0小于1，產(chǎn)生正偏析。

熔液凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配影響了成品鑄錠的成分均勻性，使成品鑄錠易產(chǎn)生宏觀偏析。根據(jù)研究，真空自耗爐熔煉凝固過(guò)程中，體系可分為固相區(qū)、固-液兩相區(qū)、液相區(qū)，溶質(zhì)再分配就發(fā)生在固液兩相區(qū)的固-液邊界層上。真空自耗爐生產(chǎn)過(guò)程，由于電磁攪拌使熔液產(chǎn)生對(duì)流，熔液存在對(duì)流的凝固過(guò)程，通?？梢杂檬?1)來(lái)描述其有效溶質(zhì)分配系數(shù)[8]

式中，KE為溶質(zhì)有效分配系數(shù)；為固-液界面上固相溶質(zhì)濃度，mol/L；C0為合金成分濃度，mol/L；K0為溶質(zhì)理論分配系數(shù)；v為凝固速度，mol/(cm3·s)；為邊界層厚度，cm；DL為液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，mol/(cm2·s)。

由式(1)可以看出當(dāng)凝固速度趨于0和對(duì)流、攪拌最大邊界層厚度趨于0的請(qǐng)況下，有效溶質(zhì)分配系數(shù)與理論溶質(zhì)系數(shù)相同。當(dāng)凝固速度無(wú)限大時(shí)，并且無(wú)對(duì)流只有擴(kuò)散的情況，有效溶質(zhì)分配系數(shù)等于1，無(wú)偏析產(chǎn)生。顯然這兩種情況與真空自耗爐鑄錠實(shí)際凝固情況不符。真空自耗爐熔煉凝固過(guò)程是存在對(duì)流且部分混合的情況，對(duì)于k0小于1的過(guò)程，其k0＜kE＜1。

直流攪拌條件下,所以雖然熔液有對(duì)流，但因?yàn)槠鋽嚢璺较蚝退俣群愣?，所以已?jīng)趨于平衡，不利于熔液對(duì)流。并且由于攪拌方向恒定，攪拌過(guò)程同方向會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量積累，導(dǎo)致熔池更深，液相存在時(shí)間長(zhǎng)，這就為溶質(zhì)的遷移過(guò)程提供了時(shí)間，凝固速度降低，從而無(wú)法抑制偏析的形成[9]。交流換向攪拌條件下，由于不斷換向，減少了同方向的動(dòng)量積累，從而降低熔池深度。換向攪拌加強(qiáng)熔液的對(duì)流，有利于液相成分和溫度的均勻。由于對(duì)流增加，對(duì)流所產(chǎn)生的剪切力作用下柱狀晶的尖端被不斷切斷打碎，從而抑制晶體的長(zhǎng)大，同時(shí)也增加了熔體中新晶核的數(shù)量，相同體積下晶核數(shù)量越多，晶粒越細(xì)，起到了細(xì)化晶粒的作用[10-11]。

工業(yè)生產(chǎn)中常用的細(xì)化晶粒的方法有增大冷卻強(qiáng)度、加強(qiáng)金屬液流動(dòng)、變質(zhì)處理等。電磁攪拌技術(shù)就是通過(guò)加強(qiáng)金屬液流動(dòng)來(lái)細(xì)化晶粒的，對(duì)流越強(qiáng)振幅越大，其細(xì)化晶粒的效果越明顯。直流攪拌的方向和大小較為單一，帶來(lái)的振幅改變小于交流攪拌，所以交流攪拌對(duì)于細(xì)化晶粒的效果明顯優(yōu)于直流攪拌。交流條件下熔池?cái)噭?dòng)方向不斷變化，對(duì)流增加，造成枝晶的不斷熔斷、游離，細(xì)化晶粒[12]。晶粒細(xì)化后，結(jié)晶所需要的形核功也隨之降低，使形核更容易，所以凝固速度加快。另外由于對(duì)流增加，使固-液界面更新頻繁，這使得固-液界面層厚度降低，從而使固-液界面的界面能降低，它是結(jié)晶形核相變的阻力，降低后使形核更加容易，凝固速度隨之增大。

在熔煉TA2和TA10過(guò)程中，其一次熔煉為直流攪拌，抑制偏析效果不明顯，造成鐵元素和鎳元素大量向液相富集，二次成品熔煉時(shí)掉頭熔煉，一次的頭部變?yōu)槎蔚牡撞?，二次熔煉為交流攪拌，極大的減弱了其鐵元素和鎳元素向液相富集的過(guò)程，所以最終表現(xiàn)的情況是成分含量底部分布大于頭部。

結(jié)論

一次熔煉攪拌磁場(chǎng)使用直流攪拌，二次穩(wěn)弧使用交流攪拌的鑄錠宏觀偏析大于兩次都使用交流攪拌的鑄錠。主要原因是一次熔煉采用交流穩(wěn)弧，加強(qiáng)熔液對(duì)流，降低熔池深度和液相存在時(shí)間，并且均勻液相成分和溫度，從而起到了加快凝固速度和細(xì)化晶粒作用，最終使鑄錠的宏觀偏析得到抑制。