鑄錠擴徑對TC4 鍛坯成分的均勻性及波動性的影響

孫夢桐， 蒲超博， 郭金榜， 強剛剛， 趙曉鵬

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鑄錠的擴徑或大型化始終繞不開 “均質化”問題[1-2]，錠型直徑的增大勢必會影響后續鍛造、軋制、拉拔、擠壓等加工產品的成分、組織、性能的均勻性及穩定性，因此對于大錠型的相關研究較多[3-6]。劉麗等[7]探討了TC4-0.15B 鈦合金鑄錠的主要化學成分的不均勻性由Al、Ti、V 依次遞增；張娜等[8]發現大規格TC4 鑄錠成分沿橫截面的波動性較小。隨著成品板材規格的增大，對應鍛坯及鑄錠的單重級別也提高，相應與之配套的制備工藝、設備能力、及技術難題均呈指數關系激增。因此，對大規格、高級別鑄錠的組織及成分的均勻性的研究是非常有必要的。杜玉俊等[9]通過優化熔煉工藝可生產出12t 級超大規格Ti80 鑄錠，其對應的主元素成分極差可達3 000 μg/g，成分的均勻性接近于5t 級別的鑄錠；史瑩瑩等[10]以擴徑1 050 mm 的TA15鑄錠為研究對象，沿其長度方向進行13 點成分測量。

以往關于鑄錠擴徑后成分均質化研究的工作重點是放在鑄錠上，即在大規格圓柱狀鑄錠上采用橫截面13 點測量的方法加以驗證成分的均勻性和穩定性[10]。實際上若生產諸如棒材、管材、環材、絲材等柱狀類加工產品，該研究工作確實具有很好的指導意義。但對板材來說，受板坯規格及軋機特性的影響，相較于對大規格鑄錠采用橫截面的13 點成分測量法，對其鍛坯的成分均勻性研究反而對板材的軋制及其性能控制更具有參考價值。

TC4 屬于α+β 兩相合金，其化學成分主要包括：Al、V、Fe、O、N 等。為擴大TC4 產能而設計鑄錠大型化，以期能夠增加設備生產能力、提高產能。考慮到鑄錠尺寸的變化勢必會影響后續加工工藝中合金成分的均勻性和穩定性情況，所以擴徑鑄錠不能只考慮最大截面厚度方向上的變化過程，而應綜合考慮鑄錠擴徑后對應鍛坯沿其長度方向 （頭部-上部-中部-下部-底部）及寬度方向 （邊部（左）-W/4-中心-W/4-邊部（右））的整個成分變化特征及趨勢（注：為保證后續作圖的一致性，以下將“邊部（左）”簡稱為“邊左”，“邊部（右）”簡稱為“邊右”；鍛坯寬度用W 表示，在1/4 及3/4 處的寬度位置用W/4 表示）。

1 實驗工藝

以寶鈦集團生產的TC4 鈦合金作為研究對象。按照實驗要求，選擇5 個批次的擴徑鑄錠（編號分別為A#、B#、C#、D#、E#），其對應在頭部及底部的化學成分見表1 所示。TC4 鈦合金中Al、V、Fe、O、N 的預期目標值依次為6.00%～6.70%、3.80%～4.50%、0.13%～0.23%、0.15%～0.20%、≤0.03%。在5 個擴徑鑄錠鍛造后的鍛坯上，分別檢測不同位置及不同方向的成分，通過交叉對比其分布均勻性及波動性，明確影響成分分布的主次關系，從而完成TC4 擴徑鑄錠鍛造后的鍛坯化學成分均勻性及波動性研究。

表1 鑄錠化學成分及預期目標要求 （質量分數/%）Tab.1 Chemical composition and expected target requirements of cast ingot （mass fraction/%）

1.1 實驗設計

根據工藝實驗要求，為方便后續交叉比較和分析，以TC4 擴徑鑄錠鍛造后的位置形態（未下料）為基準，明確鍛坯長度方向（L）、厚度方向（ST）、寬度方向（T），以此構成空間三維坐標系，詳細見圖1。

圖1 取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling

5 個批次TC4 擴徑鑄錠經鍛造、刨銑后，沿鍛坯長度方向（L），分別在：頭部、上部、中部、下部、底部，鋸切規格大致為20 mm×250 mm×950 mm 片樣（見圖1b 中的加粗黑色大方框），后在各個片樣上沿寬度方向（T），分別在：邊左、W/4、中心、W/4、邊右，切取試樣（見圖1c 中的加粗黑色小方框）以進行化學成分分析。

1.2 實驗過程

相應批次的擴徑鑄錠經鍛造、刨銑后，利用水切割在對應位置處取片樣。根據化學成分的檢測條件要求：TC4 中待檢成分是金屬類元素（Al、V、Fe）的，需在刨床上切取屑樣；TC4 中待檢成分是非金屬類元素（O、N）的，需在剪床上切取塊樣。按照鍛坯片樣批次順序及位置，用GB/T 4698 標準進行化學成分（Al、V、Fe、O、N）檢測（注：元素Ti 為TC4 的金屬基體元素，在合金成分中往往以“余量”報出，所以此處不對其展開分析探究）。

2 實驗結果

TC4 的主要化學成分除Ti 外還有：Al、V、Fe、O、N。分別繪制除Ti 外的元素在不同位置沿不同方向處的成分曲線圖（注：元素N 檢測出質量分數幾乎均≤0.01%，均符合預期目標，未繪制曲線圖）。

2.1 鑄錠擴徑對鍛坯中Al 分布均勻性的影響

TC4 中的Al 屬于α 穩定化元素，具有顯著的固溶強化作用。當鈦合金中Al 的質量分數在7.00%以下時，相應鈦合金強度與Al 質量分數成正比關系，且塑性無明顯降低。

繪制5 個批次的鍛坯沿寬度方向及長度方向的Al 質量分數分布趨勢圖，詳見圖2。觀察圖2 發現：（a）5 個批次的鍛坯對應Al 質量分數整體分布在6.00%～6.50%，完全符合該元素的預期目標；（b） 對比Al 分布均勻程度及波動趨勢發現，沿鍛坯寬度方向的要比沿鍛坯長度方向的好。

圖2 Al 成分分布圖Fig.2 The distribution of Al

2.2 鑄錠擴徑對鍛坯中V 分布均勻性的影響

TC4 中的V 是β 同晶型元素，同樣具有顯著的固溶強化作用，在提高鈦合金強度的同時，能保持良好的塑性。

繪制5 個批次的鍛坯沿寬度方向及長度方向的V 質量分數分布趨勢圖，詳見圖3。觀察圖3 發現：（a）5 個批次的鍛坯對應V 質量分數整體分布在3.95%～4.25%，完全符合該元素的預期目標；（b）沿鍛坯寬度方向及長度方向的V 分布均勻程度都遠不如Al 的均勻、穩定，尤其是沿鍛坯長度方向的V 質量分數波動幅度較大。

2.3 鑄錠擴徑對鍛坯中Fe 分布均勻性的影響

TC4 中的Fe 穩定β 相的能力強，但易與Ti 發生慢共析反應，造成高溫條件下組織不穩定、蠕變抗力低等，因此需要同時添加β 同晶型元素來抑制該反應（例如V）。

繪制5 個批次的鍛坯沿寬度方向及長度方向的Fe 質量分數分布趨勢圖，詳見圖4。觀察圖4 發現：（a）5 個批次的鍛坯對應Fe 質量分數整體分布在0.15%～0.23%，完全符合該元素的預期目標；（b）除批次E#外，沿鍛坯寬度方向及長度方向的Fe 分布均勻程度明顯優于Al 的（尤其是批次A#及C#）；（c）不同于Al 及V 的分布整體位于預期目標的中上部，Fe（除E#）的分布則整體位于預期目標的中下部[11]。

圖4 Fe 成分分布圖Fig.4 The distribution of Fe

2.4 鑄錠擴徑對鍛坯中O 分布均勻性的影響

TC4 中的O 屬于間隙型雜質元素，容易使鈦合金的晶格發生畸變，阻礙位錯運動，導致其強度提高、塑性降低。

繪制5 個批次的鍛坯沿寬度方向及長度方向的O 質量分數分布趨勢圖，詳見圖5。觀察發現：（a）5 個批次的鍛坯對應O 整體分布在0.16%～0.22%，不完全符合該元素的預期目標，其中批次A#及B#的鍛坯在部分位置處的O 超過或略持平于預期目標上限；（b）沿鍛坯寬度方向及長度方向的O 分布均勻程度介于Al、V 分布均勻程度之間。對照相應編號的鑄錠在頭、尾的成分 （表1）發現，批次A#及B#在鍛坯頭部對應的O 質量分數已高達0.19%，幾乎持平預期目標的上限（0.20%）。考慮到人員、設備、材料、工藝等方面的容錯率，批次A#及B#中O 在頭部質量分數超標不完全是取樣、送樣、檢測等原因所致，還與其熔鑄、鍛造時的成分控制密切相關[12-14]。

圖5 O 成分分布圖Fig.5 The distribution of O

綜上所述，5 個批次的Al、V、Fe 這3 個元素均完全符合對應元素的預期目標，且大都居于預期目標的中部。沿鍛坯寬度方向及長度方向，4 種元素的成分分布均勻程度按照Fe、Al、O、V 的順序依次遞減。O 的分布則出現以批次A#及B#為例在鍛坯頭部超過預期目標上限的情況。

3 分析與討論

已有多位學者通過數值模擬論證了擴徑后柱狀類鑄錠在其動態凝固過程中，不同元素沿徑向和軸向的分布狀態及運動趨勢的差異性。參考其分析與相關結論，對擴徑鑄錠TC4 鍛坯的主要成分分布狀況進行更深一層的分析討論。

3.1 鍛坯的成分分布均勻性

對比圖2～圖5 發現：沿鍛坯寬度方向的成分分布均勻性要好于沿長度方向的。其中，沿鍛坯長度方向（頭部→底部），在同一部位所在截面上的不同位置（邊左→邊右）的成分偏差較小；而沿鍛坯寬度方向（邊左→邊右），在同一位置處所在截面上的不同部位（頭部→底部）的成分偏差略大。前者對應的鍛坯截面實際為前期擴徑鑄錠的徑向所在面，而后者對應的鍛坯截面實際為平行于前期擴徑鑄錠軸向的所在面。

3.1.1 鑄錠成分分布狀態的遺傳性

柱狀類鑄錠與其鍛造后的方形鍛坯在空間指向上存在一定位向關系：鑄錠的軸向與鍛坯的長度方向逐一對應，而鑄錠的徑向則與鍛坯的寬度方向逐一對應。鑄錠的成分分布特征會遺傳至鍛坯上，所以后期鍛坯成分的分布均勻性直接受前期鑄錠凝固時的成分狀態影響。

鈦合金凝固時，鑄錠不同部位（頭部、中部、底部）的冷卻條件、熔池形狀和深度都存在一定差異。在鑄錠頭部和底部處對應的熔池較淺且元素滯留時間短，所以其成分均勻性主要取決于合金元素的初始分布狀態。而在鑄錠中部處則屬于穩定熔煉階段，此處的熔池深度適宜，穩弧電流產生的磁場攪拌可促使元素均勻分布。所以處于鑄錠中部的成分均勻性要優于其頭部和底部[10,15]。

TC4 擴徑鑄錠中Al、V、Fe 為金屬元素，其分配系數均小于1，對應在鑄錠凝固過程中均呈現出正偏析傾向。鑄錠的邊部冷卻強度較大，其結晶方向基本指向鑄錠中心，而具有正偏析傾向的元素會在樹枝狀晶間不斷富集，再加上其分配系數偏離1 較遠，所以3 種合金元素會大量富集在鑄錠頭部和心部[15]。

雖然在熔鑄過程中，采取了大量減緩合金元素偏析的措施（增加熔煉次數、控制粒度大小、以合金形式加入、優化工藝參數），但是其偏析傾向不可能完全消除掉。再加上隨著鑄錠擴徑，不同元素的成分均勻性控制難度增加，易偏析元素的偏析風險進一步增大。這就導致合金元素沿鑄錠軸向的化學成分均勻性總是略低于沿徑向，而這種偏差會遺傳至與鑄錠存在一定位向對應關系的鍛坯上（寬度方向的優于長度方向的）。

3.1.2 鑄錠成分的運動狀態

鈦合金自下而上的凝固方式，導致合金元素會在鑄錠不同部位進行有規律的排布，從而產生分凝效應（元素偏析）[15]。而這種效應帶來的便是不同顆粒的運動狀態存在差異。受擴散距離長短的影響，熔鑄時同一質點沿徑向的運動幅度易于沿軸向的。此外，沿軸向運動還需考慮不同質點的下降速率。顆粒在熔煉過程中的下沉速率遵循公式：

式中：g為重力加速度；ρ1為顆粒密度（ρ1-Al為2.7 g·cm?3，ρ1-（Al-V）為4.2～4.5 g·cm?3，ρ1-Fe為7.8 g·cm?3），ρ2為液態密度；μ為粘滯系數，r為顆粒半徑[15]。在熔煉過程中顆粒半徑越大，對應其下沉速度加快，偏析越容易形成。因此導致沿徑向的元素偏析和富集幾率遠不及沿軸向。

受合金元素偏析及其運動狀態差異的影響，導致TC4 擴徑鑄錠中的合金元素沿軸向的分布均勻性不及沿徑向的。再加上鑄錠和鍛坯存在一定的位向關系，使得鑄錠的元素分布規律進而遺傳至鍛造后的鍛坯上，使其呈現出“沿長度方向的均勻性要劣于沿寬度方向”的特征。

雜質O 的分布及含量略微壓目標范圍上限。考慮是因為表1 中鑄錠O 的質量分數本身已居目標范圍上層，再加上取樣、檢測的差異及生產過程中的波動，可能會引起一定程度的增氧。

3.2 鍛坯的成分分布波動性

根據上述分析，可以得到擴徑TC4 鍛坯沿長度方向及寬度方向上的主要元素分布趨勢圖。為更好地討論主要元素的穩定程度，通過方差[16]計算獲得沿上述兩個方向對應主要元素的波動比，詳見圖6。

圖6 元素分布的波動性Fig.6 The volatility of the element distribution

對比發現：（1）4 種元素的波動比按照Al、V、Fe、O 的順序遞減，前兩者的波動率在同一數量級（10?2）且遠大于后兩者的（10?4）；（2）4 種元素沿寬度方向的波動比略小于沿長度方向的，即擴徑TC4 鍛坯的主要成分從邊部（左）至邊（右）的穩定性是略優于從頭部至底部的；（3）結合上述分析及批次A#～E#鑄錠的實際頭、尾成分測量值發現：不論是從寬度方向還是長度方向，O 的波動率都是最小的。

合金組元多元化與鑄錠規格擴大會加劇鑄錠的非均質性（成分和組織），為此鑄錠需要經過鍛造和熱加工以改善其狀況。在擴徑后的大規格TC4 鑄錠中，O 屬于間隙元素，由于其擴散系數較大，在后續鍛造和熱加工過程中可改善其非均質性，從而減緩成分分布的波動性； 但Al、V、Fe 均為置換元素，其在鍛造過程中呈現出與間隙元素相反的特征，導致沿鍛坯長度方向及寬度方向上3 種元素的波動性都要比O 元素大。Al 屬于α 穩定元素，V 屬于β 同晶元素，Fe 屬于慢速分解的β 共析元素，因合金化的作用程度由強及弱而導致3 種元素的波動性呈現出按照Al、V、Fe 遞減的變化規律[1]。

綜上所述，TC4 鑄錠擴徑后，分別沿鍛坯寬度方向及長度方向對比分析了其主要元素分布的均勻性和波動性，驗證了其主要元素的占比幾乎都完全符合相應成分的預期目標，從而表明TC4 鑄錠的擴徑（大錠型）對于其成分的影響較小，即鍛坯成分的均勻性較好，波動性較小。但是關于O 在鑄錠頭、底部的成分把控度還是必須要關注和調整的。

此次研究工作的目的主要是為后續板材軋制提供成分均質化程度高的板坯，從而保證成品板材的組織及性能符合相關標準要求。單從鑄錠橫截面的13 點成分分布趨勢上很難完整推斷出后續鍛坯的成分分布情況，為此對鍛坯的成分分布研究便尤為重要。而本實驗主要研究了擴徑鑄錠在完成鍛造后，對應鍛坯的成分分布情況。這項工作彌補了對鑄錠擴徑后的TC4 鍛坯成分分布研究的空白，為更好地控制板材的組織及性能奠定了有力的數據支撐。此外，也向擴徑鑄錠生產類似于方形截面的板材、箔材、帶材等加工產品提供了一種有效的成分分析方法。

4 結 論

（1） 擴徑TC4 鍛坯沿長度及寬度方向的主要成分分布均勻、波動性小，大體符合預期目標；

（2） 擴徑TC4 鍛坯沿兩個方向的成分均勻性存在一定規律：其主要元素的均勻性按照Fe、Al、O、V 的順序遞減，且沿鍛坯長度方向的均勻性不及沿鍛坯寬度方向；

（3） 擴徑TC4 鍛坯沿兩個方向的成分波動比存在一定規律：Al、V 在10?2數量級范圍內波動，而Fe、O 則在10?4數量級范圍內波動。其成分波動性沿鍛坯寬度方向的波動性略優于沿鍛坯的長度方向的。