TC4合金成分及組織的研究

董 健，陳 吉， 王 丹，李先明

(1. 撫順特殊鋼股份有限公司， 遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學； 3. 東北師范大學)

鈦及鈦合金具有熔點高、密度小、比強度大、耐蝕性好、生物相容性好、超導、貯氫及形狀記憶等一系列重要特性，在航空、航天、艦船、兵器、核能、醫療、石油化工、真空制鹽、建筑和體育休閑等領域廣泛使用，被稱為“太空金屬”、“海洋金屬”、“全能金屬”、“智慧金屬”[1]。

目前，形成鈦及鈦合金體系的國家有美國、俄羅斯、日本和中國。近兩年，中國用鈦量約為40 000～50 000t，成為世界第一用鈦大國。但是，中國還不是鈦工業強國，主要是在航空、航天、醫療等高端領域不能滿足國民經濟發展的需求，自主創新能力不強，很多產品依賴進口。為了把中國建設成為世界鈦工業強國，要求鈦材料成分一致性好，組織均勻性好，純凈度高，高可靠性，長壽命，高的質量穩定性。為了達到這一目標，本文主要從TC4合金的成分、組織以及探傷水平進行研究。

1 實驗

1.1 實驗材料及設備

撫順特鋼生產的鈦合金TC4進行驗證，使用實驗材料：海綿鈦、鋁釩、鋁豆、二氧化鈦粉。

實驗設備：美國Consarc公司引進的混布料系統、天鍛的8 000t油壓機、美國Retech公司引進的真空等離子焊箱、德國ALD公司的2t、10t真空自耗爐、德國Siempelkamp公司的3150t快鍛機、奧地利GFM公司的1800t精鍛機、500慢速軋機。

1.2 實驗方案

通過上述實驗設備，制備20爐三次真空自耗錠Φ610mm，再通過快鍛、精鍛、軋制生產出Φ50mm軋棒，進行成分及氣體分析、組織觀察以及探傷檢測。

2 結果與分析

為了優化合金成分，精心挑選海綿鈦，使用小粒度(0.83～12.7mm)一級海綿鈦，要求雜質元素低。使用粒度范圍在0.5～4mm鋁釩合金、5～12mm鋁豆。20爐TC4合金成分及氣體分析結果如表1。

表1 TC4合金成分及氣體分析結果 /%

通過海綿鈦的品位、粒度的選擇，并經過磁選以及人工挑選，鋁釩合金、鋁豆同樣控制好品位和粒度；采用混布料系統，調整合適的混料轉速及轉動周數，確保混料均勻；采用8000t油壓機壓制電極，電極密度達到3.6g/cm3，電極致密，保證運輸、焊接、冶煉過程中質量穩定，不掉塊，從而保證成分均勻；采用真空等離子焊箱焊接，先抽真空，再充氬，保證焊接處無氧化，顏色為金屬色；采用真空自耗爐冶煉，真空度達到1Pa以下，通過電流、電壓、穩弧電流的匹配，鑄錠成分均勻、一致性好。20爐TC4合金成分w(Al)控制在5.90%～6.10%、w(V)控制在3.95%～4.15%、w(O)控制在0.0900%～0.1300%。通過3150t快鍛機反復鐓拔，1800t精鍛機開坯，500慢速軋機相變點以下30℃生產出Φ50mm成品，合理控制末火軋制變形量。

通過觀察20爐TC4合金Φ50mm熱處理后的顯微組織，均為等軸a組織，組織細小均勻，一致性好，滿足GB/T13810標準A3級。任選兩爐，顯微組織如圖1。

圖1 TC4合金熱處理后的顯微組織

對棒材進行水浸超聲波無損檢測，探傷結果顯示，整批棒材滿足Φ0.8平底孔，充分說明棒材

均勻一致性好。探傷水平是鈦合金組織均勻性的反映。

3 結語

(1)通過嚴格控制原材料、電極壓制過程、焊接工藝、冶煉工藝，可以保證TC4合金成分均勻性。

(2)通過嚴格控制加工工藝過程，TC4合金Φ50mm組織達到GB/T13810標準A3級以上，組織細小均勻。

[1]鄒武裝.鈦手冊[M].化學工業出版社.2012:1