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钛合金熔炼缺陷

来源:      2019-2-22 15:37:29      点击:

      评价钛及钛合金铸锭冶金质量的好坏,主要有以下几点:①化学成分均匀,各合金元素含量不仅达到标准要求,而且要稳定地控制在一个最佳的含量水平;②主要杂质(Fe,O等)含量控制在适当范围,其它杂质符合标准要求;③铸锭内部无杂质、偏析、气孔、裂纹、缩孔和疏松等冶金缺陷;④铸锭表面光滑,无冷隔、折皱等表面缺陷,头部缩孔切除量小,铸锭成品率高;⑤合理的形状和精确的尺寸,适合压力加工的要求,否则会增加工艺废品,降低成品率。其中与熔炼工艺相关的冶金缺陷主要是第③点和第④点,即成分偏析和表面质量。钛合金中的偏析主要包括α偏析和β偏析两大类。在熔化过程中,铸锭自下而上地在结晶器中连续凝固增高,冷却条件、熔池形状和深度等均不是一成不变的,合金元素在凝固结晶时的分配系数各异,这样,不可避免地使合金元素或化合物在树枝状晶间畜集而形成偏析。偏析程度与原料质量、粒度、合金元素在电极中的分布和分配系数、凝固速率、熔炼时的掉块、熔池深浅、液相的自然和受迫运动、扩散、晶粒尺寸及晶体形成的方式等诸多因素有关,还与具体操作工艺如熔炼速度、磁场搅拌等有关。

      1、宏观偏析

      尽管VAR熔炼钛合金的铸锭偏析问题与熔炼钢和超合金的偏析问题非常相似,但钛合金仍具有其独特的地方。近α合金和纯钛具有非常小的固液相区间,其凝固模式类似于纯金属。只有β合金和近β合金的凝固模式具有枝晶界面。另外,钛合金凝固时以固溶β晶粒的形式析出,一般不出现一次析出沉淀相。

      α合金、近α合金和CPTi的凝固前沿为平面状,凝固过程中只有出现宏观偏析的可能性,在大截面的铸锭中,注意控制Al和微量元素0,Fe,Cu的宏观偏析。Al含量偏析主要是由补缩阶段熔炼速度降低引起的Al挥发损失增加造成的。

      β合金和近β合金的凝固前沿为枝晶状,有可能出现一次枝晶间的微观偏析。这种合金不易出现宏观偏析,但可能出现β斑或环状偏析。β斑是β稳定元素较多的区域。环状偏析的形成原因为,在枝晶凝固前沿存在微量的溶质富集,当熔炼速度或功率变化时,凝固平衡被破坏而引起溶质含量变化,同时引起凝固界面中溶质含量变化。这种成分变化一般很小,低于10%溶质含量。因此,环状偏析的宽度也很小,一般低于100-300um。

      2、微观偏析

      α偏析又可分为Ⅰ型偏析和Ⅱ型偏析。很早以前,人们在使用钛材时就注意到材料中有一些徽小的α相富集区,这些区域硬度比基体硬度高很多,对这些区域进行分析发现,N,O,C含量较高,人们称这类缺陷为I型缺陷或硬α缺陷。它是由N,O等a稳定元素局部富集且与钛形成氮化物和氧化物而引起的。这类化合物的特征是硬而脆。α偏析严重损害材料的疲劳强度和塑性,是飞机发动机等用材致命性的缺陷。N,O,C的主要来源是海绵钛及添入的废料,或者是在制作自耗电极过程中,焊接带入。其预防措施主要是严格控制海绵钛质量,提高自耗电极焊接过程的真空度和清洁度。

      Ⅱ型缺陷是Al等α稳定元素局部富集而引起的。主要发生在铸锭上部,表现为局部的Al含量升高,人们又称这类缺陷为软α缺陷。这类缺陷的硬度通常与基体硬度相差无几,具有延伸性,不会因加工带来裂纹,且较小的缺陷不会对力学性能产生影响。Ⅱ类缺陷不是由于凝固偏析形成的,用传统的凝固理论不能圆满地解释Ⅱ类偏析。认为是由于铸锭中缩孔和空洞而引起的。由于在热的钛合金铸锭中形成缩孔,在空洞内部有少量的空气,且空洞中的气体压力十分低。在这种情况下,铝(或任何在高温下具有相对高的挥发性的合金化元素)迅速从很热空洞金属表面蒸发进入空洞,当达到露点时,蒸气冷凝或同时在空洞较冷的表面处冷凝。这样,空洞的某些表面可能形成铝、锡或其它易蒸发元素的富集,而有些表面有可能形成这些元素的贫化。其预防措施是延长补缩时间,但这样又会增加这些元素的挥发损失,尤其是当铸锭直径较大时。为了解决上述矛盾,可以采取在补缩位置增加元素含量以补偿挥发损失或适当地减少补缩时间等方法。

      3、微观偏析

      Β稳定元素含量较高的α+β两相钛合金、β合金和近β合金容易形成β偏析,其主要表现形式就是所谓的β斑,即β稳定元素局部富集区。β斑的形成原因为,在凝固过程中,在柱状晶前沿出现等轴品,这些等轴晶簇沉淀在液态熔池底部,由于溶质元素的平衡分配系数不同,等轴晶簇间的液态熔池中的溶质元素含量出现偏析,并被保存下来所至。减少β斑的方法,可从以下三个方面考虑:其一,减小铸锭的尺寸,使其迅速凝固;其二,把易于引起β斑点元素的含量降低,控制在近于标准的下限水平;其三,只要其他条件允许,可降低熔炼速度,尽量减小熔池深度。

      4、合金元素贫化偏析

      合金元素贫化偏析又称为亮偏析,主要表现形式为基体中合金元素的贫化。分析认为,这类偏析的原因主要与原料粒度过大、熔炼过程不正常掉块以及焊接和熔炼时起弧料使用不当有关。熔炼工艺参数以及电磁搅拌仅起一个辅助作用。对这类偏析,一般采取增加电极机械强度、一个一次铸锭熔化一个成品铸锭、增加熔炼次数等措施,同时加强工艺监督,稳定工艺制度。