1、概述

钛合金产品的偏析景象可分为显微偏析和宏观偏析。显微偏析是由枝/胞晶干心部与枝/胞晶间成分上的差距引起，蕴含晶内偏析和晶界偏析［1］;宏观偏析是固相无限互溶的合金在三维空间产生枝晶成长时，引起液体流动的动力所导致的，蕴含正偏析、负偏析和比沉偏析。偏析可使钛合金产品出现难熔金属同化、间隙元素偏析及畸状态的α相称组织缺点情况，从而对其使用寿命和各项机能产生严沉的影响，是造成钛合金资料失效的重要原因之一。

TA19钛合金是美国于20世纪60年代后期研发的一种高温钛合金，名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si，推荐使用温度高达560℃，合用于新型喷气发起机，重要用处是燃气涡轮发起机部件，如压气机盘、叶片、机匣等。其合金成分中除通常配入的Al元素表，还含有中性元素Sn和Zr，β不变元素Mo及弥散强化元素Si，该资料的合金化水平较高，因而，预防偏析缺点、保障成吩旖均性是TA19钛合金产品造作过程中工艺质量节造的沉中之沉。

冶炼过程工艺节造对钛合金最终产品的成吩旖均性起决定性作用，本文通过对比TA19钛合金铸锭分歧部位成分含量，钻研了成分散布的机理，分析了冶炼工艺对于成分散布的影响。

2、试验步骤

TA19钛合金铸锭选取真空自耗的方式进行冶炼造作，为满足军工产品的要求，通常选取三次VAＲ熔炼，本文试验与现批量出产所选取的造作工艺路线一致。冶炼步骤为:将海绵钛和中央合金压造成φ300mm的电极，焊接后冶炼两支一次锭，再将两支一次锭焊接后冶炼φ500mm的二次锭，最后调头按3种分歧的工艺参数实现φ700mm三次制品铸锭的造作，冶炼工艺规划如表1所示。

本文试验的取样步骤为:在制品锭的头部(即熔炼时，铸锭离结晶器底板最远的地位)和尾部(即熔炼时，铸锭离结晶器底板最近的地位)沿长度方向别离切取50mm厚的试样片，并对切刀缝的地位进行横截面13点取样(如图1所示，其中1#为铸锭横截面中心区域，2#、12#、22#、32#为铸锭横截面1/3半径区域，3#、13#、23#、33#为铸锭横截面2/3半径区域，4#、14#、24#、34#为铸锭边缘区域)，进行Al、Sn、Zr、Si、Mo等主量元素的分析。若发现存在偏析景象，则再次切取试样片进行成分分析。

3、试验了局

凭据上述取样步骤，铸锭头部和尾部的50mm试样片的成分分析了局如图2所示，铸锭头部和尾部的Si、Mo、Sn元素散布相对均匀且含量在尺度指标领域之内，而在铸锭头部横截面的中心和1/3半径区域存在Zr正偏析，Al负偏析的景象，且超出尺度指标领域。TA19合金化学成分指标见表2。

由于发现成吩飓析，依照要求，在3种规划的铸锭上沿长度方向距头部100mm和150mm的地位再别离切取2片试样，并在切刀缝处按图1的方式检测横截面中心和1/3半径区域的Zr和Al的质量分数，取样检测地位如图3所示。

图4比力了距铸锭头部门歧长度地位的Al和Zr元素质量分数的散布情况，距离头部区域越远，Al含量逐步升高，负偏析情况改善，且长度≥100mm后达到尺度指标要求，在横截面1/3半径地位成分散布更为均匀;Zr元素的散布与Al呈相反的趋向，距离头部越远，Zr含量逐步降低，但铸锭头部切除150mm后仍存在部门区域的正偏析景象。从试验了局可知，越靠近铸锭头部，Al和Zr元素的偏析水平越严沉。

3个铸锭选取了3种冶炼规划:规划1熔速最高，水冷流量最低，即凝固速度最低;规划2熔速最低，凝固速度与规划1一致;规划3熔速与规划1一致，水冷流量最高，即凝固速度最高。对比3种规划的Zr元素散布情况(如图5所示)能够发现，冶炼工艺的分歧将导致偏析水平的分歧，具体阐发为:在头部切除150mm的金属量后，规划1的横截面中心至1/3半径区域和规划3的横截面中心区域仍存在偏析景象，但规划2已解除;在头部切除100mm的金属量后，规划1和规划2的横截面中心至1/3半径区域仍存在偏析景象，而规划3在1/3半径区域的偏析已解除，仅横截面中心存在缺点。总结以上试验了局可知，熔速越高，在铸锭高度方向的偏析深度越大;凝固速度越低，在铸锭圆周方向偏析领域越大。

4、分析会商

凭据溶解电流和电压的变动，钛合金熔炼可分为起弧、稳弧和收弧3个阶段。熔炼起头后首先进入起弧阶段，此过程中电流和电压逐步增长，且熔池较浅，随着熔液的增长，熔池不休加深。同时，由于冷却水的作用，金属液在结晶器壁底部和边部起头凝固，在靠近结晶器壁的左近形成表表细晶区，而内侧会逐步向铸锭心部成长出粗柱状晶。

随着熔炼的进行，电流和电压将达到峰值并进入稳弧阶段，此时熔速最大，熔池不变。在此过程中，对于尺寸较大的铸锭，因其高度的增长，熔池底部与结晶器底部板的距离越来越远，冷却作用越来越减弱，从而使得靠近铸锭底部柱状晶起头转造成等轴晶，而在侧面柱状晶靠近铸锭中心的结尾，等轴晶起头形核并成长。

收弧阶段的起头标志取溶解过程进入尾声，电流和电压将持续降低，熔池深度逐步变浅且表表温度降落。此阶段等轴晶持续在两侧柱状晶的结尾左近形核成长。同时由于此时熔池温度较低，凝固过程等轴晶形核率升高，使得晶粒持续维持较幼尺寸［2］。当铸锭齐全凝固后，熔池区域会在铸锭头部出现倒三角状，其中心部无法得到金属液补充的区域形成缩孔，缩孔周围为等轴晶。

至此铸锭各区域晶粒组织变动已全数实现，因各阶段的熔速和凝固状态分歧，铸锭表表、中心及头部区域形成了多种分歧的组织描摹。

图6为TA19钛合金经3次VAＲ熔炼实现的φ700mm铸锭的纵向低倍组织Ｄ芄环⑾，铸锭纵向组织由表表细晶、向铸锭中心成长的柱状晶及心部等轴晶3种典型描摹组成，与上述熔炼过程分析相符。在各类组织中均无显著的“β斑”和高密度同化等冶金缺点，因而，能够判定本次试验中产生的Zr和Al元素偏析不是由于中央合金未熔或异物熔入而造成的同化性成分缺点，而是偏析类凝固缺点［3］，因而可通过对元素个性的分析来钻研偏析产生的机理和熔炼工艺参数对偏析水平的影响。

4.1元素偏析机理分析

TA19钛合金铸锭熔炼过程中的固溶体合金结晶为异分结晶，其特点是凝固过程中固相与液相的成分分歧，且异分结晶溶质原子会在两相之间沉新分配。选取分配系数K来暗示溶质原子的沉新分配水平，其推算公式如式(1)所示:

K=w(元素)_β/w(元素)L(1)

式中:w(元素)_β和w(元素)L别离为元素在固相和液相中的质量分数，当w(元素)L＞w(元素)_β时，K＜1，批注该元素在液相的含量高于固相;反之，若K＞1，则注明元素在固相中的含量高于液相。|K－1|越大，则液相线和固相线之间的水平距离也越大，溶质原子沉新分配水平越强烈，偏析水平越高。

表3中列出了分歧种钛合金中合金元素的K值［4］。分析TA19钛合金(即表中Ti-6242)的各合金元素分配系数能够发现，元素Al、Sn和Mo的|K－1|值较幼，别离为0.02、0.08和0.09，批注这3种元素在该合金中偏析水平很低，其中Al元素的偏析情况与试验了局不相符，这注明Al元素的负偏析不是由于溶质原子沉新分配引起的;而Zr元素的|K－1|值为0.28，是元素Al、Sn和Mo的3～14倍，因而偏析偏差更为显著，与试验了局相符。

在进入收弧阶段后，位于铸锭头部的熔池区域将迅速凝固，使得液相中元素被瞬间固定于该地位。而Zr元素的K值＜1，注明其富集于液相中，这是该元素在铸锭头部呈显飓析的重要原因，且熔池区域越大，偏析领域越大。

Al属于易挥发元素，真空环境下熔体温度越高，挥发速度越快。在TA19钛合金铸锭的熔炼过程中，头部的熔池区域温度最高，使得Al元素产生烧损景象从而导致负偏析的产生。

4.2熔炼工艺参数对熔池的影响

凭据偏析机理，在熔炼末期，熔池状态的分歧导致了TA19钛合金铸锭的Zr元素偏析领域的分歧，而整个自耗过程是由工艺参数和表界环境节造的，因而可通过钻研分歧熔炼参数前提下的熔池变动，分析其对偏析水平的影响。

通过有限元的步骤仿照TA19钛合金铸锭的VAＲ冶炼过程，具体参数如表4所示，有限元模型如图7所示，其中熔速和水冷流量参数与试验一致，真空度、溶解温度和水温恒定并设定为梦想电磁搅拌状态。

图8为规划1的仿照了局，冶炼末期铸锭头部的熔池剖面出现倒三角状，这与铸锭实物低奔摹(如图6所示)一致。将规划1与规划2的仿照了局(图9)进行比力，规划2的熔池深度显著缩幼，凭据前文的机理分析，规划2的偏析深杜爪譬喻案1更浅，这与实物试验了局相符。图8(a)、图9(a)和图10(a)中分歧的色彩暗示分歧区域的温度;图8(b)、图9(b)和图10(b)中红色区域为液相区，灰色区域为固相区。

通过对仿照过程的钻研，发现规划1与规划2的熔池深度分歧的重要原因:随着熔炼的进行，熔池底部与结晶器底板的距离越来越远，使得水冷成效越来越差，凝固速度降低，而熔速提高，熔池底部荟萃的金属液越来越多，从而导致冶炼末期的熔池深度增长。

规划3的仿照前提设定为熔速与规划1一致，但水冷流量大大增长，从而提高水冷效能，仿照了局如图10所示。比力求10与图8能够发现，冶炼末期熔池的剖面宽杜仔了显著的减幼，这是由于在整个熔炼过程中结晶器的侧壁始终对金属液起着冷却作用，水冷成效越好，则熔池侧面的金属液凝固效能越高，熔池宽度越幼。凭据规划3的实物试验了局，其在铸锭圆周方向的偏析领域譬喻案1更幼，因而仿照了局与试验了局相符。

综上分析，熔速与水冷流量对熔池状态有较大的影响，可通过对工艺参数的节造有效改善元素偏析的水平，其法规为:熔速越低，在铸锭高度方向的熔池深度越浅;水冷流量越大，凝固速度越高，在铸锭圆周方向的熔池领域越窄。

5、结论

(1)Zr元素在铸锭头部产生正偏析的重要原因是溶质原子沉新分配水平强烈且富集于液相中，在冶炼末期，位于铸锭头部的熔池区域迅速凝固，使得液相中的Zr元素被瞬间固定于该地位。而Al元素在铸锭头部出现负偏析则是由于其属于易挥发元素，熔炼过程中，铸锭头部的熔池区域的温度最高，烧损情况最严沉。

(2)熔炼工艺参数对熔炼过程中的熔池状态起着至关沉要的作用，而熔池状态影响着铸锭的偏析水平。对比分析试验了局和有限元的仿照了局可知，熔速越低，熔池深度越浅，偏析深度越浅;水冷流量越大，熔池领域越窄，偏析领域越窄。

(3)通过观察铸锭的纵低倍组织能够发现，元素Zr和Al的偏析行为并非高密度同化和“β斑”景象，因而可通过对铸锭头部进行成分分析定位并切除，以解除偏析缺点。而优化熔速和水冷流量的工艺节造，则可有效削减切除金属量，提高成材率。

参考文件

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