VAR熔炼TC2钛合金

TC2合金名义化学成分为Ti-4Al-1.5Mn，是一种700MPa等级的α+β型钛合金，具有中等强度和较好塑性，与TC1、TA21同属于Ti-Al-Mn系合金。由于其具有较高的强度、良好的成型性和焊接性能，综合力学性能较好，在航空工业、宇航行业、化工工业、造船业等方面日益得到广泛的应用。

在TC2铸锭真空自耗熔炼过程中，铝、锰属于易挥发组元，在真空熔炼条件下大量挥发，除相当部分被真空机组抽出外，大部分在铸锭周边和顶部富集，尤其是Mn元素更为严重，铸锭表层的含锰量可高达中心部位的15倍，这会造成铸锭化学成分不均匀，产生严重锰偏析，影响产品的力学性能和质量。因此如何控制TC2合金熔炼过程中主组元挥发现象就显得尤为重要。

科研人员从热力学角度探讨TC2合金熔体中各组元的饱和蒸气压以及熔炼过程中各组元的挥发趋势，分析了TC2钛合金中各元素的分布特点，为TC2合金的VAR熔炼提供理论指导，并通过实验验证，生产出合格的TC2合金铸锭。

TC2合金中Al、Mn元素的熔点分别为660℃、1245℃，都与基体Ti的熔点差别较大。为了消除铸锭组织中出现的各组分的偏析，确保其组分的均匀化，中间合金的选择和制备至关重要。本实验Al、Mn组元采用二元中间合金的形式加入，并且对海绵钛及中间合金进行特殊处理后压制电极。

由于Al、Mn的蒸汽压比Ti的蒸汽压高很多，尤其是Mn元素，在熔炼过程中挥发损失太多，以至于较难控制。考虑实际生产的安全操作，本实验一次熔炼在真空中进行，目的是为了使化学成分均匀，有效降低合金元素挥发损失；二次熔炼在惰性气体保护气氛中进行，并适当增加合金元素的配入量。

从VAR熔炼特征来看，合金组元偏析的因素与熔池深度有关，而控制熔池深度最关键的参数为电极熔炼速度。本实验熔炼过程采用“恒熔速熔炼”。利用具备称重系统及自动控制系统的10吨真空自耗电弧炉，通过在线检测单位时间内熔化的合金重量，与设定目标值进行比较，再根据比较结果自动调整熔炼电流和电压以保证熔化速度与设定目标一致。除此之外，严格控制其它参数，如搅拌磁场、冷却强度、锭高比以及炉室压力等，使熔池形状尽量扁平，从而达到控制熔池深度及形状的目的。

按照以上控制措施试制了经两次熔炼规格为Φ700mm的TC2合金铸锭。试验结果表明：

（1）TC2铸锭中Al、Mn元素的饱和蒸汽压较高，在真空熔炼过程中易挥发，尤其是Mn元素，向铸锭表面富集。经一次VAR熔炼后，铸锭表层Mn含量约为名义含量的6～14倍。

（2）TC2合金在真空熔炼中，Mn元素的挥发损失约为Al元素挥发损失的2倍。

（3）经一次真空熔炼后的金属挥发物中大量富集Al、Mn元素，Mn含量约为配入量的24倍。

（4）经一次真空熔炼后，TC2合金存在严重的宏观偏析现象，经二次惰性气体保护熔炼可得到化学成分均匀的TC2合金铸锭。