Ti80铸锭合金元素成分均匀性的研究

伯希钢

钛铌系钛合金具有优异的生物相容性和高温稳定性，在外科植入物、航空紧固件和航空用高温钛合金等方面得到了高度的重视和愈来愈广泛的应用。由于铌为高熔点、高密度元素，钛铌系合金铸锭制备中为保证铌的化学成分均匀性，铌通常以中间合金形式加入，再经两次VAR熔炼＋一次真空自耗凝壳炉熔炼制得。合金元素的加入量及各合金元素的配比是提高合金元素分布均匀性的重要方法。

实验采用两次VAR熔炼＋一次真空自耗凝壳炉熔炼对六组配比混合原料进行熔炼，分别制得Φ220mm钛合金铸锭，并对铸锭取样，进行化学成分分析，从而比较不同配方对钛合金铸锭均匀性的影响。
实验以0级海绵钛，高纯Al豆，中间合金粒Al-Nb（0.5～3mm），AlMo（0.5～5mm），AlSi，海绵Zr，Fe，TiO2为原料。配料组成见表1。
表1 合金的配料组成

编号	原料组成/（wt%）
a	Ti-4.5Al-4Nb-3Zr-0.1Mo-0.35Fe-0.01Si-0.12C
b	Ti-5Al-3.7Nb-2.7Zr-0.3Mo-0.3Fe-0.05Si-0.08C
c	Ti-5.5Al-3.3Nb-2.3Zr-0.6Mo-0.24Fe-0.1Si-0.06C
d	Ti-6Al-2.8Nb-1.9Zr-1Mo-0.18Fe-0.15Si-0.04C
e	Ti-6.5Al-2.4Nb-1.5Zr-1.5Mo-0.12Fe-0.2Si-0.02C
f	Ti-7Al-2Nb-1Zr-2Mo-0.05Fe-0.25Si-0.01C

采用原料压制电极→焊接电极→VAR熔炼一次铸锭→真空自耗凝壳炉熔炼二次铸锭→VAR熔炼三次铸锭→铸锭取样→用化学分析方法分析各部位元素的含量，计算平均值和极差值，并比较其均匀性。利用线切割机从铸锭上切割取样，经打磨、抛光、腐蚀液腐蚀后，借助金相显微镜观察合金的显微组织。
分析结果发现：a～f六组配比制备的铸锭成分含量平均值均达到目标值，铸锭化学成分平均值与目标值的差值均较小，特别是Nb、Mo等高熔点元素的组分的成分平均值与目标成分含量相差小于0.2%。a～f六组配方的铸锭中各合金元素化学成分的极差值均较小，特别是Nb、Mo等难熔金属元素含量的极差值均小于0.1，d配方铸锭中金属元素含量的极差值均较高。
一次熔炼中由于温度不够高，合金中难熔的Nd、Mo等元素不能完全溶解，经二次熔炼使金属在高温液体中滞留时间延长，从而使其完全溶解，提高了铸锭成分的均匀性。Zr、Fe、Si等合金化元素的引入提高了各元素间的反应活性，使元素间能在较低温度下进行合金化反应。
显微组织观察：合金主要由亮色颗粒和暗色基体组成，亮色的合金颗粒均匀分布在暗色钛基体中，亮色和暗色颗粒均不存在明显团聚。
    研究结果：利用两次VAR熔炼和一次真空自耗凝壳炉熔炼制备Ti80铸锭，六种配比所得合金铸锭中元素含量均匀性较高，亮色合金元素均匀分布在暗色基体中。不同部位元素含量平均值与目标成分差值小于0.2，各合金元素的极差值均小于0.2。