Ti2AlNb合金鑄錠化學成分均勻性熔煉工藝研究

宋麗平，徐廣勝，宋振繼，羅懷曉

(1.陜西工業職業技術學院 材料工程學院，陜西 咸陽 712000；2.秦川機床工具集團股份公司，陜西 寶雞 721009 )

航空航天領域最突出的問題就是發動機的問題，其中發動機的材料一直制約著當代航空航天領域的發展速度。由于發動機的工作環境惡劣，故要求材料在高溫下具有較高的強度、比強度、抗氧化性、彈性模量、蠕變抗力、抗疲勞性等綜合力學性能。20 世紀 90 年代，為了滿足航空航天發動機對高溫輕質材料的要求，Ti2AlNb基合金成為研究熱點，優異的性能使其在航空航天領域成為具有廣闊應用前景的新材料。該合金不僅具有較高的比強度、比剛度，并且高溫蠕變抗力好、斷裂韌性高、抗氧化性好、熱膨脹系數低等諸多優點，可用于渦輪盤、機匣等零部件，使結構件重量減輕30%左右，成為能在650～750 ℃長時間或更高溫度短時間使用的極具潛力的合金體系。

針對新一代航空發動機關鍵零部件材料技術儲備需求， 通過添加與Ti物理性質相近的Al-Nb中間合金，采用真空自耗電弧爐爐內氣氛可控技術，制備出合金化學精確可控的Ti2AlNb 合金鑄錠。本文分析了Ti2AlNb合金鑄錠Al、Nb化學成分分布規律，研究碳、氮、氫、氧等雜質含量與鑄錠熔煉工藝關系，突破Ti2AlNb鑄錠合金元素精確可控熔煉技術、化學成分均勻性控制技術、鑄錠高純凈度控制技術等關鍵技術，掌握高純高均勻Ti2AlNb合金鑄錠制備工藝，為新一代航空發動機提供技術支撐。

1 實驗方法

1.1 原 料

本實驗選用原材料為1級小顆粒海綿鈦(0.83～12.7 mm)、鋁箔、1.5 mm鈮板及高品位的Al-Nb中間合金，按Ti-10Al-40Nb名義成分配料。

1.2 試驗過程

制備鑄錠的工藝流程為：配料及混料→壓制電極塊→焊接電極→熔煉一次鑄錠→熔煉二次鑄錠→熔煉三次鑄錠→扒皮、鋸冒口，其工藝圖如圖1所示。

圖1 合金鑄錠熔煉工藝流程

高純凈合金鑄錠是獲得高質量航空盤、環結構件的保證。合金鑄錠中的雜質元素和氣體O、N夾雜引起的冶金缺陷導致合金元素偏析，大大降低合金件的服役性能。因此嚴格控制氣體、夾雜物及有害元素的含量，是獲得高質量鑄錠滿足技術要求的前提。Ti2AlNb合金的力學性能和可鍛性要求提高，對合金鑄錠成分準確度和穩定性要求也相應提高。試驗主要采用傳統工藝、改進與優化熔煉工藝方案，研究三種工藝下，鑄錠中主要Al、Nb合金元素與碳、氮、氫、氧等雜質含量的均勻性、穩定性，以達到精確控制鑄錠元素精確控制目的。

傳統工藝的鑄錠制備，是在配料混料時，按目標成分在海綿鈦中添加鋁箔及1.5 mm純鈮板條，壓制電極后按照工藝圖1進行三次熔煉后制備出Ti2AlNb合金鑄錠。

改進傳統工藝鑄錠制備，改進工藝采用熔點和密度均與鈦相相近的Al-Nb中間合金，替代現行鑄錠制備工藝中添加鋁箔、純鈮金屬的方法，以提高Ti2AlNb合金中的Nb元素的均勻分布，精確控制其含量。按照工藝圖1進行三次熔煉后制備出Ti2AlNb合金鑄錠。

優化工藝方案，是在改進工藝的基礎上，針對Al元素熔點低、飽和蒸汽壓低、熔融狀態揮發大的問題，進行真空自耗電弧爐改造。在滿足高真空的情況下，改造為充氬可控氣氛爐，具有10-1～10-3Pa連續可調，研究在不同氬氣壓力條件下Al元素的揮發規律；同時，對冷卻水的溫度進行控制，具備冷卻水從4～40 ℃水溫可調，實現在不同冷卻速度下進行真空或充氬功能，研究冷卻場對熔融狀態下Al元素揮發的影響。探索一種適合Ti2AlNb合金錠熔煉過程中Al元素精確控制的方法，達到Ti2AlNb合金鑄錠合金元素精確可控的目的。

2 結果與討論

三種不同工藝制備的Ti2AlNb合金鑄錠，其成規格為Φ160 mm×150 mm的圓柱形鑄錠。采用車削加工為Φ152 mm×140 mm的樣品，然后采用車削方法取樣，具體取樣方式見圖2。在圖2距離頭部4 0mm處取屑樣500 g，樣品標號為a；在距離底部30 mm處取屑樣500 g，樣品標號為b。另外，在距離底部40 mm處c位置切取尺寸為Φ152 mm×15mm的試樣，在切割面同一圓周上取直徑Φ12 mm的5個樣品，如圖3所示。樣品標號分別為1#、2#、3#、4#及5#，取屑樣5～10 g進行化學成分及碳、氮、氫、氧測定。化學成分采用電感耦合等離子發射光譜儀iCAP7000進行測定，碳、氮、氫、氧采用氧氮分析儀TC-600、氫分析儀RH-600、碳硫分析儀CS-600和等設備進行測定，用以分析研究Ti2AlNb合金鑄錠化學成分均勻性及穩定性。

圖2 取樣位置

圖3 C處取樣位置示意圖

2.1 傳統工藝三次錠均勻性試驗

傳統工藝三次錠a、b及1#、2#、3#、4#、5#試樣屑樣的化學成分含量測定如表1所示。

表1 取樣部位合金元素含量 %

按照傳統用以添加鋁箔、純鈮，由表1可見，鑄件上下面的主元素Al、Nb、Ti分布不均勻。w(Al)為7.57%～5.88%；w(Nb)為41.57%～46.27%；w(Ti)為47.45%～51.1%。雜質H、N、O的含量中C、H、O元素偏高，這是由于添加鋁箔、純鈮帶入雜質元素的升高。從表1中可以看出，C截面取樣的5#點Nb的含量較高，綜合分析頭部底部，及同一截面上的1#、2#、3#、4#及5#樣的化學成分波動較大，已經形成了Nb元素的偏析，且Al元素較目標值差別較大。分析其原因是由于Nb元素的密度、熔點和鈦元素相差太大，在真空熔融狀態下密度大的元素易于聚集在熔池下部，形成偏析，導致Nb元素的分布不均勻和Nb不熔塊。

2.2 改進工藝三次錠均勻性試驗

改進工藝是在壓制電極混料時添加AL-Nb中間合金，經三次真空熔煉后在制備錠a、b及1#、2#、3#、4#、5#試樣屑樣的化學成分含量測定如表2所示。

表2 取樣部位合金元素含量 %

由表2可見，鑄件上下面的主元素Al、Nb、Ti分布較傳統工藝已經有較大的改善，相對均勻。w(Al)為8.56%～8.05%；w(Nb)為40.27%～39.19%；w(Ti)為51.65%～52.76%。雜質H、N、O的含量相比傳統工藝均有下降，同一截面上的1#、2#、3#、4#及5#樣的化學成分波動也較小，未出現Nb元素的偏析現象。從表2分析，采用添加Al-Nb中間合金的Ti2AlNb合金鑄錠在真空電弧爐三次熔煉后，各元素的化學成分波動較小，但由于Al元素熔點低、飽和蒸汽壓低、熔融狀態揮發大，Al元素含量仍然未達到10%目標值。

2.3 優化工藝三次錠均勻性試驗

優化工藝是在添加Al-Nb中間合金的改進工藝的基礎上，采取真空熔煉爐加入氬氣充入，嚴控冷卻水溫溫度手段后進行三次熔煉鑄錠制備。取a、b及1#、2#、3#、4#、5#試樣屑樣的化學成分含量測定及均勻性如表3所示。

由表3可見，鑄件上下面的主元素Al、Nb、Ti分布均勻性有較大的提高。w(Al)為10.02%～10.2%；w(Nb)為38.89%～39.4%；w(Ti)為50.67%～51.4%。雜質C、H、N、O的含量相均有改善，波動較小。同一截面上的1#、2#、3#、4#及5#樣的化學成分波動也較小，未出現AL、Nb元素的偏析。尤其將熔煉爐改造為充氬可控氣氛爐，具有10-1～10-3Pa連續可調，同時，對冷卻水的溫度進行控制，具備冷卻水從4～40 ℃水溫可調，實現在不同冷卻速度下進行真空或充氬功能，冷卻場對熔融狀態下Al元素揮發較小，在避免Nb元素偏析的基礎上，嚴控工藝使Al元素達到了目標值10%。從而有效控制了AL元素的揮發，制備出了均勻性采用真空電弧爐三次熔煉后，各元素的化學成分波動較小，都在目標值范圍內。

表3 取樣部位合金元素含量 %

2.4 討 論

經三種不同工藝控制添加合金元素與熔煉過程技術制備出了與目標Ti-10Al-40Nb名義成分相近的鑄錠，分析比較3種工藝下鑄錠中部中心5#點位的數據(見表4)可知傳統工藝下，由于加入了高熔點合金純Nb板，中心點的Nb含量達到了46.27%，而加入的Al箔也由于熔煉控制不當，Al元素揮發較大，未達到預期，雜質元素超出或鄰近目標值上限，整體均勻性較差。改進工藝試驗因熔煉工藝作出較大調整，加入了高品位的Al-Nb中間合金，采樣結果有較大改善，其中雜質元素均達到目標值，但Al元素含量8.65 %仍較目標值(9.5%～10.5 %)有差距。最終在改進工藝的基礎上，采取充氬熔煉，加裝調整冷卻水溫，從而保證熔煉全過程可控，大大改善Al的高溫的揮發， Al元素含量從而達到了10.2 %，達到Ti2AlNb合金鑄錠合金元素精確可控的目的。

表4 三種工藝控制制備錠中心位置5#點部位合金元素含量比較 %

3 結 論

(1)采用傳統方式添加純鋁箔、鈮板混料工藝，三次熔煉的Ti2AlNb合金鑄錠橫截面中心易出現Nb元素的偏析，其他化學成分均勻性較差，鑄錠中C、N、H、O的雜質元素含量偏高。

(2)改進傳統工藝，添加AL-Nb中間合金混料工藝，三次熔煉的Ti2AlNb合金鑄錠化學成分相對均勻，C、N、H、O的雜質元素含量相對可控，但Al元素易出現揮發，不容易達到目標值。

(3)改進工藝基礎上，改造熔煉爐氬氣充入可控，對冷卻水水溫可調，實現降低Al元素揮發，制備出了AL、Nb元素均達到預期的Ti2AlNb合金鑄錠，其頭、底部截面及同一截面不同點的主元素Al、Nb、Ti分布均勻，成分波動較小。