引言

高温钛合金是一类设计使用温度在400℃以上迪胙合金，Ti60作为航空航天发起机涡轮叶盘叶片用的高温钛合金，长功夫的工作温度达到600℃，目前有多种商标的高温钛合金用于航空航天发起机, 例如有英国的IMI834、美国的Ti1100、俄罗斯的 以及我国西北有色金属钻研院开发的Ti600[6]、中国科学院金属钻研所与宝钛集团有限公司开发的Ti60高温钛合金。

Ti60高温钛合金是一种多种微量合金元素组 成的近α型钛合金，此种合金在Ti-Al-Sn-Zr-Si近α系统中，增长了少量的Ta、Mo和Nb二种局溶点 的β型不变元素,通过与α型不变元素Al、Sn、Zr 之间合理适当的搭配与协同作用，使得合金得到了 充分的固溶强化，又能够获得金属间化合物和硅化物的弥散强化，使得合金有较高的高温强度以及高 温抗氧化性，此表还有肯定的同晶型β不变元素，因 此它拥有优良的工艺机能和热不变性，是一种复合 强化的高温钛合金，拥有较高的综合力学机能。

目前Ti60已经进人到了工业化试验的阶段，因 为其中含有多种合金元素，合金元素的含量达到15.5%,并且含有多种高熔点和低熔点的合金元素。 所以在铸锭熔炼的过程中，若是由于选择的中央合 金以及工艺参数选择不当，很容易出现铸锭的成分 散布不均匀，杂质元素含量过高，偏析同化等景象， 因而节造好熔炼工艺参数，得到合金元素均匀化、 无偏析、无同化的驹彀荼瘕淀是溶炼的关键。针对以上造备技术难点，笔者选用相宜的中央合金、以 及0 A级军工幼粒海绵钛，经过成分的配比以及均 匀混料，设置最优的熔炼工艺参数，选取真空自耗电 弧熔炼技术，经三次熔炼造备出合金成吩旖均、杂质元素节造优良、无偏析、无缺点的Ti60高温钛合金铸锭。

1、试验

1.1原料

这次试验由于对铸锭的杂质成分以及缺点节造 严格，所以选用杂质含量相对较低的0 A级军工幼 粒海绵钛，粒度领域在3 ~ 12.7mm，人为分拣按国标 GB/T 2524-2019 执行。

拔取铝钼合金、铝铌合金、钛钽合金、铝硅合 金、招锡合金作为中央合金增长，粒度为1 ~ 6 mm， 其中 〇<0.1%, N<0.01%，Fe<0.1%，海绵锆：粒度 0.83 ~ 25.4 mm，其中 〇<0.1%，N<0.01%，Fe<0.1%; 铝逗:粒度8?13 mm，纯度>99.7%。

1.2工艺路线

Ti60高温钛合金出产选取的工艺流程如图1所示。

1.3取样步骤

通过三次熔炼得到的铸锭，头尾切片后取样分 析成分，制品铸徒头尾切片10 ~ 15 mm作为成分样 品分析。头尾采取9点取样法分析成分(见图2)， 共计18个成分样，用ICP法检验各试样成分(A1、 Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr、C、H、0、N)。

2、了局分析与会商

2.1铸锭表表

经过3次真空自耗电弧炉熔炼造备，得到 φ310mm的Ti60高温钛合金铸键，如图3所7K，从图3能够看出，铸锭表表质量优良，干净度较高，没 有任何的冷隔、同化等缺点。从熔炼过程中能够看 出熔池比力不变，金属液体的流动性较好，擦滴速度 较为相宜,熔滴扩散充分并且与坩埚齐全接触。在 冷却的过程中没有出现同化、浮泛等缺点。

2.2铸锭成分分析

将三次溶炼后得到的Ti60铸锭，取头尾切片进 行成分分析，切片厚度为10 ~ 15mm,选取9点取样法，共计18个样品。

用ICP检验铸键合金元素Al、Sn、Ta、Si、Mo、Nb、Zr以及C的成分以及杂质元素H、0、N的含 量，分析了局如表1所示。

由表1可知，Ti60铸锭的元素成分节造的比力均匀，齐全达到了行业有关尺度要求，其中Nb、Mo、 Ta、C等高熔点元素能够节造在很均匀的领域内, C元素由于增长略微超量，导致某些点含量超标，但 总体误差不超过0.03%。Sn元素散布比力均匀，Si 与Zr头尾部成分比力均勻，但因配入量与烧损有关， 与指标成分有些误差，但总体误差不超过0.06%。 H、0、N等杂质元素的节造复合预期成效。总体来 讲，通过对中央合金、海绵钛的选控以及熔炼工艺 的节造，得到了成吩旖均、杂质元素节造在较高水 准的Ti60铸锭。

由于Ti60高温钛合金中的合金元素种类以及 含量较高，使用的中央合金含量高达15.5%，选取常 规的配料方式压造电极块，由于合金种类以及含量 较高，很难进行均匀混料，无法保障原料均匀散布在 每个电极块中。所以选取海绵钛与中央合金单块电 极混料方式，每个电极块均匀混料10 min,而后再 进行电极块的压造，压造好的电极块放人干燥箱中 进行保留，以免吸入空气中的H、0、N等杂质元素。 从了局来看，选取单块电极混料步骤，使原资料在电 极块中均匀散布，从而保障铸锭成吩旖均。

2.3中央合金的拔取

Ti60高温钛合金中含有较多高密度、低密度、 高熔点、低熔点合金元素，其中Nb、Mo、Ta元素的 熔点较高，别离为2467、2 662℃和2996℃，密度 为 38.4、10.22 g/cm³ 和 16.6 g/cm³, C 元素的熔点达 到了 3550℃，低熔点的Sn元素熔点为232℃，密 度为7.31 g/cm³,都与纯钛的熔点和密度相差较大， 若是这些元素以单质元素增长，很容易造成低熔点 元素在进入熔池之前就被消融，从而引起Sn元素 的偏析散布不均匀，另表Nb、Mo、Ta、C元素在熔 炼的过程中由于熔点较高，很难被迅速的溶解，只能 通过单质的扩散作用进行熔炼，而熔池的凝固功夫 极度有限，扩散不齐全，这样就很容易形成高熔点合金元素在铸锭中的偏析甚至掉块到铸锭中。导致铸 锭成吩飓析不均匀。

为相识除铸锭成分中由于各组元溶点、密度因 素出现的偏析，确保铸锭成分的均匀，中央合金的选 取是极度关键的。凭据钛合金中央合金的选择准则: 化学成分不变、均勻、粒度、熔点、密度都要与纯钛 相近。所以本次试验所需的合金元素以中央合金的 方式参与，其中Sn以AlSn50中央合金参与、Nb 以AlNb60中央合金参与、Ta以TiTal5中央合金 加人、Mo以A1Mo60中央合金加人、Si以AlSi50 中央合金加人，C选择纯度>99.7%，粒度8~ 13 mm的高纯碳粉。

2.4熔炼工艺参数的节造

在Ti60铸锭熔炼过程中由于增长的合金元素 种类较多且含量较大，若是熔炼工艺参数节造不当, 很容易出现铸锭的偏析、成分不均匀，高、低密度夹 杂，影响铸锭质量，进而影清脆续加工。利用Met- Flow软件对Ti60高温钛合金的真空自耗熔炼过程 进行了数值仿真，熔炼过程中的熔池状态和凝固过 程中合金元素再分配的根基法规如图4所示。

分歧合金元素再溶炼的凝固过程中产生的溶质 再分配情况是分歧的，从而在铸锭中形成的元素分 布情况也是分歧的。

溶质分配系数K₀>1的元素在非平衡凝固过程 中会先凝固，因而在起弧端和表表的含量更高。相 反,溶质分配系数K₀<1的元素会在冷却过程中随着固溶度降低而富集在液相区，从而在铸锭冒口端和 心部含量更高。所以选择最佳的熔炼工艺参数就是 让K₀靠近1。结合Ti60铸锭自身的个性，设置 溶炼工艺参数季节造电流电压，使其拥有较高的熔解速度;节造补缩高度，减幼冒口高度;高真空度,减 少杂质元素进入;较强的冷却速度，使得K₀靠近1, 从而保障铸锭质量维持在较高的水平。

从试验了局看，注明造订的工艺参数适当，能够 保障铸锭的化学成吩旖均、无偏析。

3、结论

1) 海绵钛的选择以及配料、混料、压造电极和 熔炼工艺参数的优化是节造Ti60高温钛合金铸键 成吩旖均性的关键。

2) 选择相宜的中央合金和配料步骤，能够有效 地节造熔点、密度分歧的合金元素在铸锭中的均匀 性，预防偏析、缺点以及高、低密度同化。

3) Ti60拥有很好的高温力学机能，质量较高的 铸锭，能够更好地进行后续的加工工序。

参考文件

[1 ] Wang Qingjiang, Liu Jianrong, Yang Rui. Present situation and prospect of high temperature titanium alloys[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34： 1-25.(王清江,刘建容，杨锐.高温钛合金的近况与远景[J].航空资料学报，2014, 34: 1-25.)

[2 ] Wei Shouyong, Shi Weimin, Wang Dingchun, et al. Microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloy (Ti60) at 600 Tl[J]. Chinese Journal ofNonferrous Metals, 2010, 20(S1 )： 801-806.(魏寿庸，石卫民，王鼎春，等.600 t时高温钛合金(Ti60)的组织与力学机能[J].中国有色金属学报，2010, 20(S1): 801-806.)

[3 ] Li Chenggong, Aerospace materials[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2002: 83.(李成功.航空航天资料[M].北京：国防工业出版社，2002: 83.)

[4 ] Sun Feng, Li Jinshan, Kou Hongchao, et al. Ti60 titanium alloy a phase dissolution kinetics and solid solution microstructure characteristics]^]. Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010, 20(si): 437—441.(孙峰，李金山，寇宏超，等.Ti60钛合金a相溶化动力学及固溶组织特点[J]?中国有色金属学报,2010,20(sl): 437-4.）

[5 ] Wei Shouyong, He Yu, Wang Qingjiang, et al. Development of high temperature titanium alloys for aeroengines in Russia[J]. Aircraft Engine, 2005, 31( 1 )： 52-58.(魏寿庸，何瑜，王清江，等.俄航空发起机用高温钛合金发展综述m.航空发起机，2005, 31(1): 52-58.)

[6 ] Hong Quan, Zhang Zhenqi, Yang Guanjun. Hot working process, microstructure and properties of Ti600 alloy[J]. Journal of Metals, 2002, 38(zl): 135-137.(洪权，张振祺，杨冠军.Ti600合金的热机械加工工艺与组织机能[J].金属学报,2002, 38(zl): 135-137.)

[7 ] Li Xianjun. Control technology of chemical composition uniformity of large-scale pure titanium ingot[J]. Titanium Industry Progress, 2002, 19(3)： 27-29.(个献军.大规格纯钛铸锭化学成吩旖均性节造技术[J].钛工业进展，2002, 19(3): 27-29.)