引言

高温钛合金是一类设计使用温度在400℃以上的钛合金，Ti60作为航空航天发起机涡轮叶盘叶片用的高温钛合金，长功夫的工作温度达到600℃[1]，目前有多种商标的高温钛合金用于航空航天发起机，例如有英国的IMI834、、美国的Ti1100、、俄罗斯的BT18[2?5]，以及我国西北有色金属钻研院开发的Ti600[6]、、中国科学院金属钻研所与宝钛集团有限公司开发的Ti60高温钛合金。

Ti60高温钛合金是一种多种微量合金元素组成的近α型钛合金，此种合金在Ti-Al-Sn-Zr-Si近α系统中，增长了少量的Ta、、Mo和Nb三种高熔点的β型不变元素，通过与α型不变元素Al、、Sn、、Zr之间合理适当的搭配与协同作用，使得合金得到了充分的固溶强化，又能够获得金属间化合物和硅化物的弥散强化，使得合金有较高的高温强度以及高温抗氧化性，此外还有肯定的同晶型β不变元素，因而它拥有优良的工艺机能和热不变性，是一种复合强化的高温钛合金，拥有较高的综合力学机能。

目前Ti60已经进入到了工业化试验的阶段，由于其中含有多种合金元素，合金元素的含量达到15.5%，并且含有多种高熔点和低熔点的合金元素。所以在铸锭熔炼的过程中，若是由于选择的中央合金以及工艺参数选择不当，很容易出现铸锭的成分散布不均匀，杂质元素含量过高，偏析同化等景象，因而节制好熔炼工艺参数，得到合金元素均匀化、、

无偏析、、无同化的高瓢荼瘕锭是熔炼的关键。针对以上制备技术难点，笔者选用相宜的中央合金、、以及0A级军工小粒海绵钛，经过成分的配比以及均匀混料，设置最优的熔炼工艺参数，选取真空自耗电弧熔炼技术，经三次熔炼制备出合金成分均匀、、杂质元素节制优良、、无偏析、、无缺点的Ti60高温钛合金铸锭。

1、、试验

1.1原料

这次试验由于对铸锭的杂质成分以及缺点节制严格，所以选用杂质含量相对较低的0A级军工小粒海绵钛，粒度领域在3～12.7mm。人为分拣按国标GB/T2524?2019执行。

拔取铝钼合金、、铝铌合金、、钛钽合金、、铝硅合金、、铝锡合金作为中央合金增长，粒度为1～6mm，其中O<0.1%，N<0.01%，Fe<0.1%，海绵锆：粒度0.83～25.4mm，其中O<0.1%，N<0.01%，Fe<0.1%；；铝豆：粒度8～13mm，纯度≥99.7%。

1.2工艺路线

Ti60高温钛合金出产选取的工艺流程如图1所示。

1.3取样步骤

通过三次熔炼得到的铸锭，头尾切片后取样分析成分，制品铸锭头尾切片10～15mm作为成分样品分析。头尾采取9点取样法分析成分（见图2），共计18个成分样，用ICP法检验各试样成分（Al、、Sn、、Ta、、Si、、Mo、、Nb、、Zr、、C、、H、、O、、N）。

2、、了局分析与会商

2.1铸锭理论

经过3次真空自耗电弧炉熔炼制备，得到?310mm的Ti60高温钛合金铸锭，如图3所示，从图3能够看出，铸锭理论质量优良，干净度较高，没有任何的冷隔、、同化等缺点。从熔炼过程中能够看出熔池比力不变，金属液体的流动性较好，熔滴速度较为相宜，熔滴扩散充分并且与坩埚齐全接触。在冷却的过程中没有出现同化、、浮泛等缺点。

2.2铸锭成分分析

将三次熔炼后得到的Ti60铸锭，取头尾切片进行成分分析，切片厚度为10～15mm，选取9点取样法，共计18个样品。

用ICP检验铸锭合金元素Al、、Sn、、Ta、、Si、、Mo、、Nb、、Zr以及C的成分以及杂质元素H、、O、、N的含量，分析了局如表1所示。

由表1可知，Ti60铸锭的元素成分节制的比力均匀，齐全达到了行业有关尺度要求，其中Nb、、Mo、、Ta、、C等高熔点元素能够节制在很均匀的领域内，C元素由于增长略微超量，导致某些点含量超标，但总体误差不超过0.03%。Sn元素散布比力均匀，Si与Zr头尾部成分比力均匀，但因配入量与烧损有关，与指标成分有些误差，但总体误差不超过0.06%。

H、、O、、N等杂质元素的节制复合预期成效。总体来讲，通过对中央合金、、海绵钛的选控以及熔炼工艺的节制，得到了成分均匀、、杂质元素节制在较高水准的Ti60铸锭。

由于Ti60高温钛合金中的合金元素种类以及含量较高，使用的中央合金含量高达15.5%，选取通例的配料方式压抑电极块，由于合金种类以及含量较高，很难进行均匀混料，无法保障原料均匀散布在每个电极块中。所以选取海绵钛与中央合金单块电极混料方式，每个电极块均匀混料10min，而后再进行电极块的压抑，压抑好的电极块放入干燥箱中

进行保留，以免吸入空气中的H、、O、、N等杂质元素。从了局来看，选取单块电极混料步骤，使原资料在电极块中均匀散布，从而保障铸锭成分均匀。

2.3中央合金的拔取

Ti60高温钛合金中含有较多高密度、、低密度、、高熔点、、低熔点合金元素，其中Nb、、Mo、、Ta元素的熔点较高，别离为2467、、2662℃和2996℃，密度为38.4、、10.22g/cm3和16.6g/cm3，C元素的熔点达到了3550℃，低熔点的Sn元素熔点为232℃，密度为7.31g/cm3，都与纯钛的熔点和密度相差较大，若是这些元素以单质元素增长，很容易造成低熔点元素在进入熔池之前就被消融，从而引起Sn元素的偏析散布不均匀，别的Nb、、Mo、、Ta、、C元素在熔炼的过程中由于熔点较高，很难被迅速的溶解，只能

通过单质的扩散作用进行熔炼，而熔池的凝固功夫极度有限，扩散不齐全，这样就很容易形成高熔点合金元素在铸锭中的偏析甚至掉块到铸锭中。导致铸锭成分偏析不均匀。

为相识除铸锭成分中由于各组元熔点、、密度成分出现的偏析，确保铸锭成分的均匀，中央合金的拔取是极度关键的。凭据钛合金中央合金的选择准则：

化学成分不变、、均匀、、粒度、、熔点、、密度都要与纯钛相近。所以本次试验所需的合金元素以中央合金的方式参与，其中Sn以AlSn50中央合金参与、、Nb以AlNb60中央合金参与、、Ta以TiTa15中央合金参与、、Mo以AlMo60中央合金参与、、Si以AlSi50中央合金参与，C选择纯度≥99.7%，粒度8～13mm的高纯碳粉。

2.4熔炼工艺参数的节制

在Ti60铸锭熔炼过程中由于增长的合金元素种类较多且含量较大，若是熔炼工艺参数节制不当，很容易出现铸锭的偏析、、成分不均匀，高、、低密度同化，影响铸锭质量，进而影清脆续加工。利用Met-Flow软件对Ti60高温钛合金的真空自耗熔炼过程进行了数值仿真，熔炼过程中的熔池状态和凝固过程中合金元素再分配的根基法规如图4所示。

分歧合金元素再熔炼的凝固过程中产生的溶质再分配情况是分歧的，从而在铸锭中形成的元素散布情况也是分歧的。

溶质分配系数K0>1的元素在非平衡凝固过程中会先凝固，因而在起弧端和理论的含量更高。相反，溶质分配系数K0<1的元素会在冷却过程中随着固溶度降低而富集在液相区，从而在铸锭冒口端和心部含量更高。所以选择最佳的熔炼工艺参数就是让K0值靠近1[7]。结合Ti60铸锭自身的个性，设置熔炼工艺参数季节制电流电压，使其拥有较高的溶解速度；；节制补缩高度，减小冒口高度；；高真空度，削减杂质元素进入；；较强的冷却速度，使得K0靠近1，从而保障铸锭质量维持在较高的水平。

从试验了局看，注明制订的工艺参数适当，能够保障铸锭的化学成分均匀、、无偏析。

3、、结论

1）海绵钛的选择以及配料、、混料、、压抑电极和熔炼工艺参数的优化是节制Ti60高温钛合金铸锭成分均匀性的关键。

2）选择相宜的中央合金和配料步骤，能够有效地节制熔点、、密度分歧的合金元素在铸锭中的均匀性，预防偏析、、缺点以及高、、低密度同化。

3）Ti60拥有很好的高温力学机能，质量较高的铸锭，能够更好地进行后续的加工工序。

参考文件

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