新型半連續熔煉工藝解決大規格鈦合金鑄錠制備難題及精密鑄造構件質量評價——突破傳統真空感應熔煉單錠尺寸受限的技術瓶頸，自主優化TA17鈦合金半連續加料感應熔煉與拉錠成型工藝

水冷坩堝真空感應熔煉技術是一種將分瓣式水冷坩堝置于交變電磁場中，通過電磁感應產生渦流熱使金屬熔化，并借助電磁力使熔體與坩堝壁保持軟接觸或非接觸狀態的先進熔煉方法。該技術能夠有效避免高溫下坩堝材料對熔體的污染，同時通過感應加熱與電磁攪拌作用，使熔池溫度分布均勻，實現合金成分的精確控制，因而被視為當前材料制備領域中最具應用前景的技術之一[1-5]。 

水冷坩堝真空感應熔煉技術的應用已拓展至眾多先進材料領域，包括高溫合金、金屬間化合物、高純濺射靶材、難熔金屬與合金、氧化物陶瓷、寶石晶體、放射性材料及高純多晶硅等。然而，受限于該技術本身存在的能耗高與冷卻難題，目前所熔煉的鈦合金單錠質量仍低于100 kg，尚無法滿足航空航天及艦船等領域對大規格、高均質鈦合金鑄錠的需求[6-7]。

針對鈦合金真空自耗電弧爐熔煉工藝存在的流程 長、成本高、鑄錠均質性差、雜質含量高以及現有水 冷銅坩堝感應熔煉單錠規格小的技術難題[8-11]，項目團隊開發了一種適用于鈦合金的半連續真空感應熔煉裝置以及大規格鈦合金鑄錠的熔煉工藝，同時將制備的大規格TA17鈦合金鑄錠用于熔模精密鑄造，并對所澆鑄的鑄件及拉伸試樣進行成分、組織及性能的評價，以探討鈦合金半連續感應熔煉+熔模精密鑄造工藝的可行性。

1、實驗

1.1實驗材料

選取海綿鈦、鋁釩合金配制TA17鈦合金原料，其中Al元素含量為4.025%，V元素含量為2.80%，余量為Ti。鋁釩合金用鋁箔包裹，所配制的單個合金包質量為4kg。

熔模型殼采用多層復合結構，面層使用氧化釔基耐火材料，背層采用莫來石。表1為制備型殼的材料參數[12-13]

表1 制備型殼的材料參數[12-13]

Table 1 Material parameters for preparing type shells

1.2實驗方法

采用半連續真空感應熔煉方法(如圖1所示)制備?280mm的大規格TA17鈦合金鑄錠，其工藝原理:

在不破壞熔煉腔室真空的條件下，持續將合金料加入水冷銅坩堝中;②通過線圈感應熔煉熔化水冷銅坩堝內的合金;③通過拉錠裝置將熔化后的合金下拉至結晶器，凝固成錠;④重復上述動作，從而實現大規格高品質鈦合金錠的制備。具體實施流程如下:①將?278mmx300mm的TA17鈦合金錠作為引錠頭，與間歇拉錠裝置相連后關閉爐腔;②將拉錠裝置上移，使引錠頭上升至坩堝熔煉區域;③抽真空，使爐腔真空度<0.9Pa;④開啟半連續感應熔煉爐電源加熱，功率按照100 kW/min的速度升高至設定的750 kW;⑤待引錠頭熔化后,開始合金包的添加及熔煉,最終得到280mm200mm的TA17鈦合金鑄錠。表2為熔煉工藝參數。

表2 半連續感應熔煉TA17鈦合金鑄錠的工藝參數

Table 2 Process parameters for semi-continuous induction melting of TA17 titanium alloy ingot

用數控車床去除TA17鈦合金鑄錠表面氧化皮，采用熔模精密鑄造的方法成形鈦合金筒體鑄件。表3為熔模精密鑄造的主要工藝參數。為便于測量鑄件的室溫拉伸性能，采用相同工藝參數鑄造拉伸試樣，其中，拉伸試樣直徑為6mm，標距長度為24mm。

表3 熔模精密鑄造主要工藝參數

Table 3 Main process parameters of precision casting experiment

TA17鈦合金鑄件澆注完成后，在凝殼爐中保溫30min，出爐后在型殼中緩冷至200℃以下脫殼。對脫殼后的TA17鈦合金鑄錠進行熱等靜壓及退火處理,具體工藝參數見表4。

表4 TA17鈦合金鑄件熱等靜壓及退火處理工藝參數

Table 4 Hot isostatic pressing and annealing treatment process parameters for TA17 titanium alloy casting

1.3測試方法

1.3.1鑄錠成分

從半連續感應熔煉方法制備的Φ280mmTA17鈦合金鑄錠上取樣，取樣位置如圖2所示，包括單錠區域(單次加料合金內部區域)和銜接界面(兩次加料的界面銜接區域)。采用電感耦合等離子體發射光譜儀及惰性氣體熔融分析儀進行化學成分分析。

1.3.2鑄件成分及性能檢測

如圖3所示，在鑄件頂部(1#)、中部(2#)及底部(3#)取樣進行化學成分分析及顯微組織觀察。對所澆鑄的拉伸試樣進行室溫拉伸性能表征。

2、結果與分析

2.1鑄錠成分

為系統評估半連續感應熔煉TA17鈦合金鑄錠的化學成分均勻性，考察了單錠區域與銜接界面的元素分布特征。圖4為TA17鈦合金鑄錠單錠區域和銜接界面不同位置的Al、V元素含量分布。從圖4可知，單錠區域Al元素含量在3.96%~3.98%的窄幅區間波動(極差0.02%)，表現出優異的徑向均勻性;而在銜接界面，Al元素含量分布范圍稍寬，為3.99%~4.04%(極差0.05%)。單錠區域Al元素均勻性優于銜接界面，這與間歇加料導致的熔體擾動有關。單錠區域和銜接界面的Al元素含量從鑄錠中心向邊部呈現出略微升高的趨勢，而銜接界面的Al元素含量整體略高于單錠區域，這主要是由于加料過程中銜接界面的熔體溫度相對較低，導致Al元素的燒損較少。單錠區域V元素含量分布范圍為2.7%~2.8%(極差0.10%)，銜接界面為2.71%~2.78%(極差0.07%)。單錠區域和銜接界面的V元素含量均從鑄錠中心向邊部呈逐漸減少的趨勢。這一現象的主要原因是鈦合金熔體中心溫度較高，而V元素在鈦合金熔體中的溶解度隨溫度升高而增大，因此中心區域的V元素含量相對較高。

圖5為TA17鈦合金鑄錠縱剖面從中心到邊部不同位置的Al、V元素含量分布。從圖5可知，整個鑄錠Al、V元素含量的最大偏差分別為0.10%和0.08%。雖然半連續感應熔煉鑄錠中Al、V元素表現出較好的均質性，但存在較為明顯的偏析規律。Al元素含量從鑄錠邊部向中心呈現出遞減趨勢，邊部表現為正偏析，中心表現為負偏析。與Al元素相反，V元素含量從鑄錠邊部向心部呈遞增趨勢，形成這一現象的原因是由于V元素為難揮發元素，在熔煉過程中無明顯燒損情況。除此之外，隨著溫度的升高，V元素在鈦液中的溶解度增大，由于熔體心部溫度相對較高，因此V元素在鑄錠心部表現為正偏析，邊部表現為負偏析。

圖6為TA17鈦合金鑄錠單錠區域和銜接界面O、N元素含量分布。從圖6可知，鑄錠中間隙元素O、N含量均被控制在較低水平，O元素含量穩定在0.125%~0.135%的狹窄區間內，且鑄錠單錠區域及銜接區域軸向與徑向分布均表現出高度一致性，未出現明顯的區域性偏聚。N元素含量在0.006%~0.008%的極低范圍內。這一結果充分印證了高真空熔煉環境與電磁攪拌工藝對雜質元素的高效協同控制作用:高真空為氣體雜質的脫除提供了強大的熱力學驅動力，而電磁攪拌則通過強化熔體傳質，顯著提升了脫氣動力學過程。

綜上表明，本研究采用半連續感應熔煉工藝制備的TA17鈦合金鑄錠主元素(Al、V)和間隙元素(O、N)分布均較為均勻，且間隙元素含量較低。因此，半連續感應熔煉工藝能夠有效制備高均質、低雜質含量鈦合金鑄錠。

2.2筒體鑄件成分

2.2.1主元素

將TA17鈦合金鑄錠用于熔模精密鑄造，所制備的筒體鑄件不同部位Al、V元素含量見圖7。從圖7可知，簡體鑄件的Al元素含量分布范圍為(3.95±0.03)%，V元素含量分布范圍為(2.80±0.02)%。相較于原始鑄錠成分(Al4.02%，V2.80%)，筒體鑄件的主元素燒損率極低，其中Al元素平均燒損率為1.7%，V元素無明顯燒損。這一優異表現歸因于真空自耗電弧凝殼爐重熔過程的高真空環境(真空度<0.9Pa)與快速熔化特性，有效抑制了Al、V等易氧化元素的燒損。

2.2.2間隙元素

圖8為筒體鑄件不同部位的O、N元素含量。從圖8可知，筒體鑄件中O元素含量為(0.14±0.05)%，N元素含量為(0.007±0.001)%。與原始鑄錠相比，筒體鑄件中O元素含量略有升高，主要是由于熔模鑄造過程中，高溫鈦液不可避免地會與面層型殼(Y2O3)發生微量界面反應。盡管如此，間隙元素O、N含量均滿足TA17鈦合金熔模鑄件的技術標準(通常要求O<0.20%，N<0.05%)。

2.3筒體鑄件組織

圖9為TA17鈦合金筒體鑄件不同部位的微觀組織。從圖9可以看出，筒體鑄件微觀組織為典型的網籃組織，包含α相和轉變β相。通過圖像分析軟件統計了鑄件a片層集束尺寸，其中3#區域(鑄件底部)a片層集束平均尺寸為(185±25)μm，1#區域(鑄件頂部)為(175±20)μm，不同部位間的最大偏差不超過12%，表明a片層集束尺寸分布均勻;a片層寬度在1.5~2.2μm之間，平均值為(1.8±0.3)μm;β晶粒尺寸為(220±35)μm，尺寸偏差在±8%以內。統計結果表明，從筒體鑄件的厚大部位到薄壁部位，a片層寬度變化平緩，未出現明顯的組織梯度，且各部位的a片層集束尺寸、a片層寬度和β晶粒尺寸均保持良好的一致性，表明制備的鑄件具有優異的微觀組織均勻性。這種均勻的組織特征主要歸因于兩方面:一是半連續感應熔煉鑄錠本身具有高度均勻的初始組織;二是優化的熔模鑄造工藝可確保鑄件各部位經歷相近的凝固冷卻過程。

2.4簡體鑄件力學性能

圖10為熔模精密鑄造TA17鈦合金試樣的室溫拉伸應力-應變曲線。從圖10可知，熔模精密鑄造試樣的拉伸性能優良且穩定，強塑性匹配良好，抗拉強度為(740±15)MPa，屈服強度為(685±20)MPa，斷后伸長率為(10.5±2)%，強度指標的標準偏差在合理范圍內，塑性指標優異。

鑄件的組織與力學性能有著密切的內在關聯，其強度主要受a片層寬度和β晶粒尺寸的協同作用控制，適中的a片層寬度通過界面強化機制為材料提供良好的強度基礎，而均勻的β晶粒分布則可確保強度的穩定性。TA17鈦合金鑄件斷后伸長率達到10.5%，表明其具有優異的塑性變形能力，主要得益于合理的a片層集束尺寸為位錯運動提供了充足的滑移空間，同時在變形過程中能夠有效延緩裂紋的萌生和擴展。

TA17鈦合金鑄件在拉伸測試中表現出良好的性能穩定性，主要得益于兩個關鍵因素的協同保障:首先，半連續感應熔煉工藝制備的鑄錠本身具有高度均勻的初始組織和化學成分分布，為后續精密鑄造提供了可靠的原料基礎;其次，優化的熔模鑄造工藝參數確保鑄件各部位經歷了相近的凝固冷卻歷程，從而獲得了協調一致的微觀組織結構。

3、結論

(1)半連續真空感應熔煉工藝制備的大規格TA17鈦合金鑄錠，其主元素Al和V沿鑄錠徑向分布均勻，最大偏差分別僅為0.10%和0.08%;間隙元素O和N含量均控制在低水平范圍內(其中，O為0.125%~0.135%，N為0.006%~0.008%)，且分布一致。高真空環境與電磁攪拌的協同作用有效提升了熔體雜質控制能力和均質化程度。

(2)基于上述TA17鈦合金鑄錠制備的熔模精密鑄件保持了良好的成分穩定性，主元素Al含量為(3.95±0.03)%，燒損率僅為1.7%;V元素含量穩定在(2.80±0.02)%，無明顯燒損。間隙元素O、N含量分別為(0.14±0.05)%和(0.007±0.001)%。

(3)TA17鈦合金鑄件各部位組織均勻，a片層寬度在1.5~2.2μm范圍內，β晶粒尺寸為(220±35)μm。

(4)TA17鈦合金鑄件室溫拉伸性能優良且穩定，抗拉強度為(740±15)MPa，屈服強度為(685±20)MPa，斷后伸長率為(10.5±2)%。良好的強塑性匹配源于均勻的微觀組織結構，適中的a片層寬度通過界面強化機制為材料提供了良好的強度基礎，而合理的a片層集束尺寸為位錯運動提供了充足的滑移空間，同時在變形過程中能有效延緩裂紋的萌生和擴展。

(5)半連續真空感應熔煉與熔模精密鑄造相結合的工藝路線，能夠穩定制備組織均勻、成分可控、性能達標的高品質TA17鈦合金鑄件。

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（注，原文標題：TA17鈦合金錠半連續感應熔煉及熔模精密鑄造工藝可行性研究_顏紅兵）