TC2鈦合金中Mn元素揮發規律的分析研究

1、概述

TC2鈦合金是一種低強度、高塑性的近α型鈦合金，含有4%的α相穩定元素Al和1.5%的β相穩定元素Mn。該合金在室溫平衡狀態下由α相和少量β相組成，β相的含量一般為2%～4%[1]。TC2鈦合金起源于前蘇聯研制的O14鈦合金，我國于20世紀60年代初期開始研制，后命名為TC2。該合金的(α+β)/β轉變溫度為(940±20)℃，具有良好的熱穩定性、焊接性能及工藝塑性，長期工作溫度可達350℃，短時使用溫度為750℃，室溫抗拉強度≥685MPa。目前廣泛用于制造飛機結構和航空發動機的各種板材沖壓成形零件及蒙皮。

合金成分的精確控制是獲得性能優良合金的先決條件之一，而合金成分的變化主要在于熔煉過程中易揮發組元的揮發。在高溫條件下，熔體中一些主要組成元素在真空條件下的揮發會造成熔煉后合金成分偏離指定成分范圍，對合金的組織性能產生影響[2]。由于TC2合金中含有1.5%的Mn元素，其在真空狀態下熔煉時容易揮發，所以TC2合金熔煉時和其他含Mn元素的鈦合金一樣，盡量在充氬狀態下進行自耗熔煉。如果沒有充氬進行真空自耗熔煉，必須掌握不同熔煉次數后Mn的揮發情況，在電極壓制時需考慮在一定程度上提高配入點，確保最終鑄錠的化學成分不偏離指定的成分范圍。

本文主要對TC2一次真空自耗熔煉和二次真空自耗熔煉后Mn元素的揮發損耗進行了研究和檢測分析，分析結果可以為工業化生產TC2的Mn成分配入范圍提供較大的參考價值。

2、試驗過程

2.1工藝流程

工藝流程為:原材料準備、配料→壓制電極和爐外焊接→一次真空自耗→頭尾精整、鑄錠外圓局部取樣→二次真空自耗→精整、鑄錠外圓頭尾和頭尾橫截面取樣→化學成分檢測分析。

2.2電極壓制和焊接

將海綿鈦、Al絲和金屬Mn按照配入比例進行均勻混合后倒入一定形狀的模具中，用1000t以下的油壓機壓制成φ40mm的電極棒(質量為1.25kg)，共需壓制4支電極，以便后續一次真空自耗制成2支一次錠。壓制的電極實物如圖1所示。

將上述壓制的電極兩兩焊接后分別進行2組一次真空自耗熔煉，焊接的電極如圖2所示，輔助電極為純鈦。

2.3一次真空自耗熔煉

將焊接好的TC2電極在小型真空自耗爐里進行φ80mm一次錠冶煉，熔煉過程中根據TC2的材料特點控制電流、電壓等關鍵工藝參數。一次錠的熔煉過程持續10min，然后隨爐冷卻40～60min后再出爐。一次錠的實物如圖3所示，在一次錠的靠中部外圓(如圖4所示)進行取樣，分析一次錠中Mn元素的揮發程度。

2.4二次真空自耗熔煉

φ120mmTC2二次成品錠是將2支一次錠在爐內焊接后進行真空自耗而成。熔煉電流和電壓同樣是二次真空自耗工藝的關鍵控制參數，確保鑄錠成分均勻性和表面質量，TC2二次成品錠的實物如圖5所示。

3、結果與分析

3.1φ80mm一次錠中Mn元素的揮發結果

對φ80mm一次錠外圓表面進行局部取樣，并對Mn元素進行成分分析，分析方法采用GB/T4698.21標準，分析儀器為ICP-AES光譜儀。分析結果表明:Mn的質量分數為2.35%，和配入點2.5%的含量(質量分數)相比，損耗為6%。表明經過一次真空自耗后，TC2中的Mn元素揮發不嚴重，與其他合金元素(如Al、V、Mo等)類似，損耗均在正常范圍內。

3.2φ120mm二次成品錠中Mn元素的揮發結果

對φ120mm二次成品錠的頭尾橫截面取樣(如圖6所示)，進行Mn元素的成分分析，橫截面上各部位的Mn元素分析結果如圖7所示。

從TC2二次成品鑄錠的頭尾橫截面中Mn元素的成分分析結果來看:經過二次真空自耗后，頭部外圓中的Mn元素(平均質量分數為1.215%)與一次鑄錠外圓中的Mn元素(質量分數為2.35%)相比，揮發損耗為48.30%;鑄錠從中心到邊緣的Mn含量基本上沒有變化，比較均勻，而非其他文獻所說的鑄錠表層的含錳量可高達中心部位的15倍[3]。

尾部外圓Mn元素(平均質量分數為1.385%)與一次鑄錠外圓Mn元素(質量分數為2.35%)相比，揮發損耗在41.06%，鑄錠從中心到邊緣的Mn含量有下降趨勢，從平均值(1/2半徑處的質量分數為1.568%，外圓處的質量分數為1.385%)來看，下降了0.183個百分點。

上述TC2頭尾橫截面的Mn元素成分均勻性檢測結果表明:在非充氬狀態下，經過二次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發比較嚴重，這是因為在真空狀態下熔煉時，壓力遠遠超過了Mn元素的飽和蒸氣壓。TC2鈦合金熔體為三元合金體系，組元Ti、Al和Mn的摩爾分數分別為91.8%、6.9%和1.3%。純組元的飽和蒸氣壓可以用式(1)計算[4]:

式中:P0i為純組元i的飽和蒸氣壓，Pa;T為熔體溫度，K;A、B、C、D為熱力學常數，可在文獻[4]中查到，從而可以得出不同溫度下純組元Ti、Al和Mn的飽和蒸氣壓的計算公式，具體見式(2)～(4):

根據上述計算公式可計算得出不同溫度下純組元Ti、Al和Mn的飽和蒸氣壓，如圖8所示。

據文獻資料[5]，從熱力學來看，當熔體溫度T一定時，合金熔體中元素的蒸氣壓Pi受其摩爾濃度及各元素之間的相互作用影響，揮發程度與該元素的飽和蒸氣壓P0i有著密切的關系，見式(5)。

式中:Pi為合金熔體中組元i的飽和蒸氣壓;γi為組元i在合金熔體中的活度系數;xi為組元i的摩爾分數;P0i為純組元i的飽和蒸氣壓。將公式(2)～(4)分別代入公式(5)，可計算得出不同溫度下Ti、Al和Mn三種元素在真空自耗熔煉時的揮發速度，如圖9所示。

4、結論

(1)本文中TC2鈦合金在非充氬狀態時一次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發損耗不大，可控制在6%左右。

(2)本文中TC2鈦合金在非充氬狀態時進行二次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發損耗較大，達到了40%～50%。在無充氬條件下進行熔煉時需在電極制備階段考慮提高Mn元素的配入比例。

(3)為了提高二次熔煉后TC2鈦合金鑄錠尾部的Mn元素成分均勻性，建議增加一次真空自耗熔煉，即成品為三次真空自耗熔煉鑄錠。

(4)為減少真空自耗熔煉時的Mn元素揮發損耗，建議二次真空自耗時進行充氬保護。

參考文獻

[1]《中國航空材料手冊》編委會.中國航空材料手冊[M].北京:中國標準出版社，2002:562．

[2]劉貴仲，蘇彥慶，郭景杰，等.Ti-13Al-29Nb-2.5Mo合金ISM熔煉過程中多組元揮發損失[J].稀有金屬材料與工程，2003，32(2):108－112．

[3]《稀有金屬材料加工手冊》編寫組.稀有金屬材料加工手冊[M].北京:冶金工業出版社，1984:404．

[4]梁英教，車蔭昌.無機熱力學數據手冊[M].沈陽:東北大學出版社，1993:432－434．

[5]鄭亞波，陳戰乾，陳峰，等.VAＲ熔煉TC2鈦合金[J].中國鈦業，2016(2):12－18．