熔煉工藝參數(shù)對Ti6Al4V-0.15B鈦合金主成分均勻性的影響研究

劉 麗，康丹丹，王高見

（四川西冶新材料股份有限公司，四川 成都 611700）

1 前言

鈦合金因其具有非常優(yōu)越的物理化學性能，如高比強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，被認為是在航空航天、軍事、汽車和生物醫(yī)學領域中應用的重要高強度結構和功能材料[1]。一直以來，Ti-6Al-4V(以下簡稱TC4)是所有鈦合金中用于發(fā)動機和機身應用最普遍的材料。作者開發(fā)的Ti6Al4V-0.15B鈦合金絲材用于TC4的焊接及電弧增材制造，能夠獲得晶粒細化、綜合性能優(yōu)異的熔體金屬。

真空自耗電弧熔煉(VAR)方法是鈦及鈦合金熔煉的主要方法[2-3]，本文使用該方法制備Ti6Al4V-0.15B鈦合金絲材坯料。坯料成分的均勻性直接關乎絲材成分均勻性，決定著絲材焊接熔體成分均勻性及焊接過程的穩(wěn)定性，同時還會影響坯料拉拔制絲的生產連續(xù)性[4]。因此掌握熔煉工藝參數(shù)對Ti6Al4V-0.15B鈦合金坯料成分均勻性的影響規(guī)律對工程化生產過程中精準控制坯料成分及均勻性的重要依據(jù)及理論基礎。

2 實驗方案

2.1 原料及設備選擇

選用基礎實驗材料海綿鈦、B2O3、AlV中間合金[5]，真空熔煉設備選用沈陽科學儀器股份有限公司的真空電弧熔煉爐，通過混料系統(tǒng)使得以上原材料充分混合，由油壓機的壓制壓力讓混合原料壓制出良好的電極塊，之后對電極塊進行真空自耗電弧熔煉成為Ti6Al4V-0.15B鈦合金鑄錠，其預計化學成分如表1所示。

表1 材料的化學成分（Wt%）

2.2 研究方案設計

影響坯料熔煉的工藝參數(shù)主要有：熔煉前真空度P、充氬壓力P1、熔煉電流I、熔煉時間t、磁攪拌電流Ic、磁攪拌時間tc、熔煉次數(shù)n等[6-7]，由于工藝參數(shù)比較多，為簡化實驗研究內容，本文將其中的熔煉前真空度P，充氬壓力P1、磁攪拌電流Ic三個因素根據(jù)經驗取固定值，其他關鍵工藝參數(shù)作為本文研究對象。基于此，設計四因素三水平L9（34）的正交實驗方案[8]，如表2。

表2 真空電弧熔煉L9（34）實驗方案

3 真空電弧熔煉工藝參數(shù)對鈦合金鑄錠成分均勻性的影響

3.1 鈦合金鑄錠成分均勻性結果

通過SEM+EDS點掃+面掃進行分析元素分布均勻性，主要對于鈦合金的鑄錠的Al、Ti、V的含量進行成分含量檢測，鑄錠成分均勻性測定區(qū)域示意圖如圖1所示，鑄錠成分均勻性測定結果如表3所示。

圖1 鈦合金成分均勻性取樣位置示意圖

表3 鑄錠各區(qū)域成分測定結果（%）

T i-0 6全成分 6．5 8 9．4 9 4．0 1區(qū)域1成分 6．6 3 8 9．5 3．8 7區(qū)域2 成分 6．5 6 8 8．9 3 4．5 1區(qū)域3 成分 6．4 1 8 9．6 5 3．9 4區(qū)域4 成分 6．4 4 8 9．2 4 4．3 1 T i-0 7全成分 6．4 8 9．1 4 4．4 6區(qū)域1 成分 6．4 8 8 9．3 7 4．1 5區(qū)域2 成分 6．5 9 8 9．3 4．1 1區(qū)域3 成分 6．3 5 8 9．3 5 4．2 9區(qū)域4 成分 6．3 8 8 9．1 4 4．4 8 T i-0 8全成分 6．4 8 8 9．2 5 4．2 8區(qū)域1 成分 6．3 6 8 9．6 6 3．9 8區(qū)域2 成分 6．3 2 8 9．3 4．3 8區(qū)域3 成分 6．4 2 8 9．1 4 4．4 4區(qū)域4成分 6．4 6 8 9．3 1 4．2 4 T i-0 9全成分 6．6 2 8 9．2 9 4．0 9區(qū)域1成分 6．5 8 9．0 3 4．4 7區(qū)域2成分 6．5 4 8 9．3 6 4．1區(qū)域3 成分 6．5 6 8 9．6 2 3．8 2區(qū)域4 成分 6．5 8 9．3 1 4．1 9

本文采用相對平均偏差來反映成分均勻性，相對平均偏差計算公式，根據(jù)公式計算出各試驗各成分的相對平均偏差[9]，如表4。

表4 坯料成分相對平均偏差（%）

為反映各工藝參數(shù)對均勻性的影響，對上述相對平均偏差結果進行各因素均值并計算出極差，用，，分別表示第i列因素在第1，2，3水平時分別對應指標所有數(shù)值的平均值，則：=（同一水平試驗的指標之和）/3。極差是最好水平與最差水平之差，用Ri表示第i列因素對應指標的極差值[8-9]，則 ：，計算結果如表5。

表5 坯料成分相對平均偏差均值及極差（%）

3.2 各工藝參數(shù)對鈦合金鑄錠成分均勻性的影響分析

從上述成分相對平均偏差結果可知，各工藝參數(shù)下的V相對平均偏差最高，甚至超過了5%；Ti和Al的相對平均偏差均在1%以下，較低；可見V元素均勻性不好。從上述極差值可知，V的均勻性受工藝參數(shù)影響較大，其中熔煉電流影響最大；Ti、Al的均勻性受工藝參數(shù)影響不大，較為顯著的影響參數(shù)分別為熔煉電流、熔煉次數(shù)。為了直觀表達各因素對指標的影響，根據(jù)表5繪制鈦合金化學成分各元素隨因素水平變化時的曲線，如圖2所示。

圖2 各成分的偏差均值隨因素水平變化曲線

由圖2(a)可以觀察到：電磁熔煉時間、磁攪拌時間、熔煉次數(shù)對Al相對平均偏差的影響浮動較大，均隨著參數(shù)的提高不同程度的增加Al元素的不均勻程度；熔煉電流對Al相對平均偏差影響浮動不大。由圖2(b)可以觀察到：熔煉電流對Ti相對平均偏差影響浮動較大，但隨著熔煉電流提高呈現(xiàn)增加Ti元素不均勻程度的微弱趨勢，規(guī)律性不強。電磁熔煉時間、磁攪拌時間、熔煉次數(shù)對Ti相對平均偏差的影響浮動較小，幾乎不影響。由圖2(c)可以觀察到：熔煉電流、單次熔煉時間對V相對平均偏差影響浮動較大，但隨著熔煉電流、單次熔煉時間提高呈現(xiàn)增加V元素不均勻程度的微弱趨勢。磁攪拌時間、熔煉次數(shù)對Ti相對平均偏差的影響浮動較小，呈現(xiàn)能輕微降低V元素不均勻程度的規(guī)律。因此，冶煉生產中，應重點控制熔煉電流、單次熔煉時間對V元素不均勻程度的影響，為了提高V元素均勻性應適當降低熔煉電流、單次熔煉時間。

4 結論

（1）各工藝參數(shù)下的V元素成分不均勻性最高，Ti和Al元素的不均勻性很低；V元素的均勻性受工藝參數(shù)影響較大，其中熔煉電流影響最大；Ti、Al的均勻性受工藝參數(shù)影響不大，較為顯著的影響參數(shù)分別為熔煉電流、熔煉次數(shù)。

（2）冶煉生產中，應重點控制熔煉電流、單次熔煉時間對V元素不均勻程度的影響，為了提高V元素均勻性應適當降低熔煉電流、單次熔煉時間。