基于MeltFlow-VAR的TC2鈦合金鑄錠熔煉工藝研究

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Ti-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)加工材的組織上會出現(xiàn)明顯的亮斑、亮條缺陷，見圖1。而亮斑、亮條處的塑性較差，在鈦材加工時會產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等缺陷。因此，如何解決TC2鈦合金鑄錠熔煉過程中Mn元素分布不均勻問題，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象，利用MeItFlow-VAR仿真模擬軟件從熔煉工藝參數(shù)方面對TC2鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉（VAR）過程進(jìn)行模擬，研究分析熔煉工藝參數(shù)對鑄錠化學(xué)成分均勻性的影響；同時根據(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Φ720mm規(guī)格的TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉（VAR）過程進(jìn)行模擬，通過對模擬結(jié)果的分析研究，制定出相對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

在鑄錠熔煉過程中，合金元素的偏析程度是評價鑄錠質(zhì)量的重要內(nèi)容之一。偏析是在合金凝固過程中形成的。根據(jù)合金凝固過程的溶質(zhì)再分配原理，液態(tài)金屬的凝固過程發(fā)生在一定溫度范圍內(nèi)，而合金在不同時刻凝固的固體成分是不同的，且固態(tài)擴(kuò)散越差，固相不均勻性變越大，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，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。一般來說，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，鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)的凝固是從底部開始，隨著熔煉過程的進(jìn)行，逐漸向上的凝固過程，屬于順序凝固。因此按溶質(zhì)再分配理論，會產(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，在熔煉過程中呈現(xiàn)較強(qiáng)的正偏析性傾向，會不可避免地使Mn元素在樹枝狀晶界或晶枝之間富集而造成嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，在鈦材加工時會產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等缺陷。

真空自耗電弧熔煉（VAR）過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熔煉過程的關(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厔荨哪M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，當(dāng)冷卻速度恒定，單位時間輸入的總能量減少（即降低熔煉電流）時，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Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉過程進(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，且分布相對更加均勻。這說明熔煉電流減?。摧斎氲目偰芰繙p少）時，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)弧交變時間對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，若電弧受到周圍磁場的干擾，將發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，可能會造成結(jié)晶器燒穿的危險。為了使真空自耗電弧爐在工作時，電弧收斂和能量集中，避免發(fā)生電弧偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通常利用外加磁場來穩(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、消除固有磁場不對稱造成的影響等作用。在鈦合金成品鑄錠熔煉過程中，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)以及對熔池攪拌更強(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的交變時間（T1＜T2），對Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同穩(wěn)弧交變時間下Mn元素分布

圖5 不同穩(wěn)弧交變時間下模擬鑄錠組織

對比圖4（a）與（b）可以看出，延長穩(wěn)弧電流的交變時間，對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間過短導(dǎo)致對熔池攪拌不充分，限制了Mn元素的均勻分布；而適當(dāng)延長穩(wěn)弧電流交變時間，對熔池產(chǎn)生明顯的攪拌作用，改善了Mn元素的合金化條件。同時，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。對比圖5（a）與（b）可以看出，延長穩(wěn)弧電流的交變時間，適當(dāng)?shù)睦梅€(wěn)弧電流對熔池進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁纱偈硅T錠凝固時結(jié)晶核心增多，阻礙一次晶長大，使鑄錠晶粒得到細(xì)化。

通過MeltFlow-VAR仿真模擬軟件對Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金成品鑄錠真空自耗電弧熔煉過程進(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)延長穩(wěn)弧電流交變時間的方法，改善TC2鈦合金鑄錠中Mn元素的偏析程度。同時，通過對真空自耗電弧熔煉過程的仿真模擬，能夠有效地預(yù)測熔煉工藝參數(shù)對鑄錠質(zhì)量的影響，并借此指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程，節(jié)省人力物力財力。

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級海綿鈦，以電解錳、鋁豆作為添加劑。

3.2 工藝過程

圖6 工藝過程

3.3 熔煉過程

根據(jù)上述對仿真模擬結(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，熔煉過程平穩(wěn)，均未發(fā)生異常。

3.4 成品鑄錠取樣及分析

對本次生產(chǎn)的四個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，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)分別是四個鑄錠的縱向化學(xué)成分分析結(jié)果，從圖中可以看出，四個鑄錠中Al、Mn元素的化學(xué)成分波動較小，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%，說明不同鑄錠的生產(chǎn)過程穩(wěn)定，化學(xué)成分波動較小，熔煉工藝參數(shù)的選擇合適。

圖8 4個鑄錠的縱向化學(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)成分波動和極差較小，說明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)，經(jīng)檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)亮斑、亮條等組織缺陷。這說明通過對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TC2鈦合金的熔煉過程進(jìn)有效模擬。

（2）利用MeltFlow-VAR模擬仿真軟件對Φ720mm規(guī)格TC2鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉（VAR）過程進(jìn)行模擬研究，分析得出熔池深度隨著熔煉電流降低而減小；且適當(dāng)延長穩(wěn)弧電流交變時間，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)弧電流交變時間等熔煉工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，控制過程有效，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。