引言

TB9钛合金是一种亚稳β钛合金，其名义成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，拥有优良的室温塑性、冷加工性，被宽泛利用于飞机用弹簧和紧固件[1?5]。。TB9钛合金常见的熔炼步骤有真空自耗电弧熔炼（VAR），电子束冷床熔炼（EBCHM），等离子冷床熔炼（PACHM）等，其中真空自耗电弧熔炼（VAR）是利用最多和最成熟的熔炼步骤[6?10]。。

VAR熔炼的主张是出产致密、无缺点、成分均匀、拥有所要求的化学成分、尺寸和晶粒结构的铸锭[11?14]。。TB9钛合金VAR熔炼过程中有时会出现化学元素散布不均匀，偏析的景象，从而造成铸锭后续加工产生内部裂纹等缺点。。因而，必要优化TB9钛合金VAR熔炼工艺，解决元素偏析严重的问题。。

将钛合金VAR熔炼与数值仿拍照结合，降低试错成本，提升研发效能，优化钛合金熔炼工艺，对提高钛合金铸锭质量拥有重要意思[15?16]。。付航涛等[17]选取MeltFlow-VAR软件对TC4钛合金在VAR熔炼过程中分歧相对密度及分歧直径掉渣、掉块等同化物的活动及散布法规进行了数值仿照，了局批注，分歧相对密度及分歧直径的同化物在铸锭熔炼中活动及散布法规存在显著差距。。文豪等[18]利用MeltFlow-VAR软件对TC2钛合金在VAR熔炼过程中的熔炼电流、稳弧电流交变功夫等熔炼工艺参数进行仿照。。了局批注，适当削减熔炼电流、耽搁稳弧电流交变功夫可使TC2钛合金铸锭中Al、Mn元素散布均匀；；；赵小花等[19]通过Melt-Flow-VAR软件对分歧混料方式的钛合金铸锭成分进行了仿照，了局批注，钛合金原料混料压块后化学成分不均匀，三次熔炼后成分差距逐步削减。。

笔者以TB9钛合金熔炼为钻研对象，利用MeltFlow-VAR仿真仿照软件对某厂TB9钛合金VAR一次熔炼过程进行仿照，调查熔炼电流巨细和稳弧类型对熔炼过程的影响。。别离选取该厂原工艺和优化后的工艺参数对TB9钛合金三次VAR熔炼进行全流程仿照，探索TB9铸锭元素宏观偏析是否在屡次熔炼过程中存在“遗传”，为钛合金VAR熔炼工艺制订与优化提供技术领导和理论凭据。。

1、仿照步骤和前提

选取MeltFlow-VAR软件建模并推算，模型为轴对称数学模型，使用有限体积法进行仿照，可对电磁、流体、传热、凝固及元素偏析景象进行精确而高效地预测，利用其仿照VAR熔炼过程，能够优化工艺、节约试错功夫和成本，获得高质量钛合金铸锭。。

通过VAR熔炼制备TB9钛合金铸锭，TB9铸锭所要求的化学成分领域值和MeltFlow-VAR软件推算的输入值如表1所示。。

对某厂TB9钛合金三次熔炼的现实工艺进行数值仿照。。对TB9钛合金第一次熔炼过程中分歧熔炼电流及稳弧电流直流/互换进行了仿照推算，如表2所示。。同时在最佳的一次熔炼工艺上，使用第二和第三次原工艺进行数值仿照，如表3所示。。

TB9钛合金的物性参数如表4所示。。

2、仿照了局与会商

2.1TB9钛合金原工艺数值仿照

在现实VAR熔炼过程中，为保障TB9钛合金铸锭成分均匀性和削减同化物通常必要三次熔炼。。第一次熔炼时，将海绵钛和中央合金压抑而成的电极熔炼成一次锭；；；第二次熔炼时，将一次锭底部和头部颠倒作为二次熔炼的电极，将电极溶解形成二次锭；；；第三次熔炼时，将二次锭底部和头部颠倒作为三次熔炼的电极，制备三次锭。。TB9钛合金在三次熔炼过程中使用的铜坩埚直径不休增大，形成的铸锭直径也相应增大。。使用MeltFlow-VAR仿照TB9钛合金在某厂原工艺下的三次熔炼，铸锭中Al、Cr、Mo、O、V、Zr元素散布如图1所示。。由图1可知，三次熔炼过程中铸锭的Al、Mo、O元素从芯部到边部逐步增多，Cr、V、Zr元素从芯部到边部逐步削减；；；一次锭和二次锭在熔炼时没有补缩，冒口大而深，三次锭经过补缩后冒口小而浅；；；二次锭比一次锭元素散布均匀，但二次锭中各元素极差依然较大，三次锭比二次锭元素散布更均匀，其各个元素偏析领域别离是：：[Al]=3.74%～3.81%、[Cr]=5.85%～6.16%、[Mo]=3.65%～4.21%、[O]=0.0862%～0.0916%、[V]=7.98%～8.04%、[Zr]=3.98%～4.11%。。

熔池深度和状态直接影响铸锭的结晶情况，从而影响铸锭的品质。。在VAR熔炼过程中，熔池越宽（即越饱满），批注熔池到边部情况越好，越有利于提升铸锭的理论质量。。同时，为得到较好的内部质量，但愿得到“扁平状”熔池，即熔池不能太深。。但通常情况下，“饱满”熔池和“扁平状”熔池不能兼得，只能尽可能平衡以同时获得较好的铸锭理论及内部质量。。图2是MeltFlow-VAR仿照TB9钛合金在某厂原工艺下熔炼的熔池状态。。由图2可知，起弧阶段，第一、二和三次熔炼的熔池均呈扁平状，熔池还未真正形成；；；在不变熔炼阶段，随着电弧传热的急剧堆集，熔池描摹由浅平状向深“V”型过渡，熔池体积增大，第一次熔炼的熔池比第二、三次熔炼更深。。第一和二次熔炼没有补缩阶段，第三次熔炼进入补缩阶段后，熔池扁平而饱满，这有利于获得成分均匀和组织致密的高质量TB9钛合金铸锭。。

2.2TB9钛合金分歧工艺第一次熔炼的数值仿照

某厂在上述原工艺下VAR熔炼TB9钛合金铸锭，不成预防线会存在偏析和同化等缺点，为了改善这些缺点，使用MeltFlow-VAR仿照TB9钛合金分歧工艺下的第一次熔炼，寻找最优了局，优化原TB9钛合金铸锭的VAR熔炼工艺，以期获得更高质量的TB9钛合金铸锭。。

图3是MeltFlow-VAR仿照TB9钛合金分歧工艺下第一次熔炼的Al、Cr、Mo、O、V、Zr元素散布。。工艺1和原工艺比力可知，削减正常熔炼阶段的电流，TB9钛合金铸锭顶部的芯部区域各元素偏析加重；；；工艺2和原工艺比力可知，增长正常熔炼阶段的电流能够肯定水平减轻TB9钛合金铸锭径向各元素偏析，但铸锭顶部的芯部各元素偏析有肯定水平加重；；；工艺3和原工艺比力可知，将稳弧电流从直流改为互换并且削减正常熔炼阶段的电流后，TB9钛合金铸锭径向各元素偏析得到极大改善，铸锭顶部的芯部区域各元素偏析面积增大，但偏析水平削减；；；工艺4和原工艺比力可知，将稳弧电流从直流改为互换，使TB9钛合金铸锭径向各元素偏析极大减轻，提高了铸锭元素散布均匀性；；；工艺5和原工艺比力可知，将稳弧电流从直流改为互换，并且增长正常熔炼阶段的电流后，铸锭径向元素偏析削减，元素散布更均匀。。

总之，稳弧电流从直流改为互换更有利于获得成分均匀的铸锭，稳弧电流使用互换电减轻了径向宏观偏析，降低了轴向元素贫化水平，提高了铸锭元素散布均匀性。。削减正常熔炼阶段的电流会使铸锭顶部的芯部区域各元素偏析加重，增长正常熔炼阶段的电流能够肯定水平减轻铸锭径向各元素偏析。。

图4是MeltFlow-VAR仿照TB9钛合金分歧工艺下第一次熔炼的抛杂蹊径示意。。从图4可知，从工艺1、原工艺到工艺2和从工艺3、工艺4到工艺5，均是随着电流的增长，去除铸锭中比密度为0.95的同化物成效变好；；；对比工艺1和工艺3、原工艺和工艺4、工艺2和工艺5可知，稳弧电流从直流改为互换拥有更好的抛杂成效。。工艺5中的同化物被推向铸锭边部和顶部，有利于熔炼实现后铸锭扒皮去除低密度同化物。。综上所述，工艺5抛杂成效最佳，而去除杂质也是钛合金第一次熔炼的重要主张。。

图5是MeltFlow-VAR仿照TB9钛合金分歧工艺下第一次熔炼的熔池深度与功夫的关系；；；图6是MeltFlow-VAR仿照TB9钛合金分歧工艺下第一次熔炼的熔池体积与功夫的关系。。从工艺1、原工艺与工艺2和工艺3、工艺4与工艺5对比可知，稳弧电流不论为直流或互换，随着熔炼电流的增长，熔池深度加深；；；对比工艺1和工艺3、原工艺和工艺4、工艺2和工艺5可知，稳弧电流从直流改为互换，熔池深度从深变浅，熔池深度从约0.85m变为约0.675m。。从图6可知，稳弧电流从直流改为互换后，熔池体积含量从多变少。。TB9钛合金铸锭在熔炼时，但愿得到“扁平状”熔池，即熔池不能太深，图5和图6批注，稳弧电流从直流改为互换后，有利于获得“扁平状”熔池，从而获得质量更高的铸锭。。

熔炼电流的增长使熔池深度加深，这加重了铸锭元素偏析，但大的熔炼电流有利于抛杂。。稳弧电流从直流改为互换后，熔池深度从深变浅，熔池体积含量从多变少，这有利于改善铸锭的元素偏析。。钛合金第一次熔炼的主张是去除同化物，综合思考，TB9钛合金VAR熔炼的最佳工艺是稳弧电流为互换电，较大的熔炼电流，即工艺5。。

2.3TB9钛合金分歧的一次熔炼工艺对最终铸锭的影响

TB9钛合金通常必要反复熔炼三次，上述推算了局批注工艺5是最佳一次熔炼工艺，第一次熔炼使用工艺5，第二和三次熔炼使用原工艺进行仿照，仿照了局与第一、二和三次熔炼都使用原工艺的仿照了局进行比力，探索一次TB9铸锭中的元素偏析是否在二次和三次熔炼过程中存在传递，仿照了局如图7所示。。从图7可知，原工艺和工艺5中上和下的矩形框巨细一样，原工艺与工艺5的上矩形框比力，Al元素芯部含量为3.76%的区域削减，3.79%的区域增长，Cr元素芯部含量为6.37%和6.27%的区域均削减，6.16%和6.06%的区域均增长，Mo元素芯部含量为3.84%的区域削减，3.93%的区域增长，O元素芯部含量为0.088%的区域削减，0.0889%的区域增长，V元素芯部含量为8.04%的区域削减，8.02%的区域增长，Zr元素芯部含量为4.07%的区域削减，4.04%的区域增长；；；原工艺相对工艺5的下部矩形框比力，Al、Cr、Mo、O、V、Zr元素在芯部地位3.79%、6.16%、3.93%、0.0889%、8.02%、4.04%区域均增大。。

上述推算了局批注，宏观偏析在屡次熔炼过程中存在传递，成分更均匀的一次锭经过一样的二次和三次熔炼后更能获得成分均匀的最终铸锭。。郭杰等[20]钻研批注上次铸锭的径向成分不均匀会由于对流作用而根基解除，对下一次熔炼铸锭的宏观偏析无影响，而上次铸锭的轴向成分不均匀会传递给下一次熔炼的铸锭，这一传递对下次铸锭底部影响最显著。。在铸锭顶部，当熔池较深时，熔池内强烈的对流使得上次铸锭结尾与中前端溶解的液相充分混合，从而减弱上次铸锭轴向成分差距的影响。。

3、结论

使用MeltFlow-VAR仿真仿照软件对某厂TB9钛合金三次VAR全流程熔炼进行了仿照，调查了熔炼电流巨细和稳弧类型对TB9钛合金第一次熔炼过程的影响，比力了一次熔炼别离选取该厂原工艺和优化后的工艺参数对最终TB9钛合金铸锭的影响。。得出以下结论：：

1）TB9钛合金铸锭经过三次VAR熔炼后铸锭化学成分均匀且达标。。

2）增长熔炼电流使熔池深度加深，加重了铸锭元素偏析，但大的熔炼电流有利于抛杂，稳弧电流从直流改为互换后，熔池深度从深变浅，熔池体积含量从多变少，这有利于改善铸锭的元素偏析，思考到第一次熔炼抛杂的主张，较大的熔炼电流和稳弧电流为互换电是最佳工艺，即工艺5。。

3）在TB9钛合金VAR熔炼过程中，宏观偏析在屡次熔炼过程中存在“遗传”，成分更均匀的一次锭经过一样的二次和三次熔炼后更能获得成分均匀的最终铸锭。。

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