基于田口方法的钛合金熔炼稳弧磁场工艺参数优化研究

针对TC4合金铸锭中Fe元素头、底差异性较大的问题，采用田口试验方法，对钛合金熔炼稳弧磁场工艺参数进行优化设计，研究稳弧磁场的电流大小和交变时间对TC4合金中杂质元素Fe成分均匀性的影响。根据试验结果，通过信噪比和方差分析，发现稳弧交变时间对TC4铸锭单锭Fe含量极差值的影响程度较为显著。选用试验设计确定的最优工艺参数组合进行试验验证，所生产的TC4铸锭单锭中，Fe含量极差值由原来平均0.04%降至0.01%。通过对钛合金熔炼稳弧磁场工艺参数进行优化，提高了TC4铸锭的成分均匀性。     

采用数值模拟方法分析影响VAR熔炼钛合金铸锭表面质量的因素

采用数值模拟方法分析影响铸锭表面质量的因素,借此达到提高铸锭成品率的目的。通过Melt Flow软件对VAR熔炼过程的温度场进行分析,将高温液相与坩埚接触长度与表面质量建立联系。分析得出,从工艺角度考虑,熔炼电流、稳弧电流以及稳弧周期这3个因素对铸锭表面质量有影响,结合实验验证表明,采用较大的熔炼电流、大稳弧电流以及短稳弧周期有利于铸锭表面质量提高,提高成品率。     

TC4ELI钛合金的电子束冷床熔炼技术

采用EBCHR-3150KW大功率电子束冷床熔炼炉，研究了以“TA1纯钛残料+海绵钛+中间合金”通过一次EB熔炼TC4ELI钛合金扁锭的生产工艺，分析了熔炼工艺参数对铸锭化学成分的影响，并对工艺可行性进行了分析，研究了不同热处理制度对板材组织性能的影响。结果表明：TC4ELI钛合金EB熔炼过程中Al元素的实际挥发率达到15%～18%,通过控制原材料制备使其达到宏观均匀、控制成分配比，制定合理的工艺要求，完全可以生产出符合国标GB/T 3620.1-2016要求的TC4ELI钛合金EB扁锭。     

VAR熔炼纯锆铸锭表面质量控制研究

以实际生产中遇到的纯锆铸锭表面夹层、结疤及冷隔缺陷为出发点,通过数值模拟和工业生产实验相结合的研究方法,确定了较佳的纯锆铸锭真空自耗电弧熔炼(VAR)工艺,明显改善了铸锭的表面质量。研究发现：各熔炼参数主要通过影响熔池形状和坩埚壁附近的熔体温度对铸锭表面质量产生影响;增大熔炼电流可以同时改善熔池到边情况和增加坩埚壁附近熔体的温度;增大稳弧电流和稳弧周期可以促进高温熔体向坩埚壁的运动,使熔池更加饱满,从而提高纯锆铸锭的表面质量。     

基于Mile算法的大型TC4钛合金扁锭连铸模拟分析

电子束冷床炉熔炼是生产钛及钛合金铸锭的主要方法,利用该方法能够生产出高低密度夹杂少、组织成分均匀的高品质钛合金铸锭,而工艺参数是决定铸锭质量的主要因素。本研究利用铸造模拟专用软件PROCAST对电子束冷床炉熔炼大型TC4钛合金扁锭的连铸凝固过程进行数值模拟,研究了不同工艺条件下铸锭的温度场分布特征、初生枝晶半径、二次枝晶臂间距等,最终确定出本模拟工艺条件下,电子束冷床炉熔炼TC4钛合金扁锭的最佳工艺参数为熔炼速度250 kg/h,铸造速度20 mm/min,浇注温度1 700℃。     

钛合金电极块混料均匀性对铸锭成分的影响

采用数值模拟和实验结合的方法,通过MeltFlow VAR软件对铸锭成分进行模拟预测,并对不同混料方式下电极块的化学成分开展实测分析,研究不同原材料混料分布情况下铸锭经过3次真空自耗电弧熔炼后的成分分布。结果表明,从工程化制备角度考虑,钛合金原材料经混料压制成电极块后,其化学成分分布并非完全均匀。熔炼过程中电极沿纵向顺序熔化,一次锭的成分受电极块成分不均匀分布的影响明显,经过2次和3次熔炼后,成分差异逐渐减少。因此,采用名义配比设置电极成分边界,可用于工程化钛合金制备过程中铸锭成分均匀性的模拟预测。     

熔炼方式对TC17钛合金铸锭化学成分及棒材组织均匀性的影响研究

对比分析一次电子束冷床炉熔炼(EBCHM)加一次真空自耗电弧炉熔炼(VAR)和三次真空自耗电弧炉熔炼生产的φ820 mm TC17钛合金铸锭的化学成分均匀性,以及由这两种铸锭经相同工艺锻造得到的棒材的组织均匀性。结果表明,通过原材料控制和工艺参数设计,两种熔炼方式均可生产出化学成分均匀、杂质含量可控的大规格TC17钛合金铸锭,且EBCHM+VAR工艺在残钛回收方面具有优势;两种工艺得到的铸锭,经相同的锻造工艺可获得组织均匀的棒材,为航空转动件提供材料支撑。     

Ti6242钛合金电子束冷床熔炼(EB)技术

利用3 150 kW型电子束冷床熔炼(EB)炉制备Ti6242钛合金大规格扁锭,采用Langmuir定律建立了Ti6242钛合金EB熔炼过程熔体中各元素饱和蒸气压及挥发规律的数学模型,分析了熔炼工艺参数与铸锭化学成分均匀性之间的关系。结果表明:Ti6242钛合金EB炉熔炼过程中Al、Sn元素挥发严重,实际挥发率分别为12.27%和7.86%,与挥发模型吻合度较高(理论挥发率分别为11.68%和9.825%)。3 150 kW型电子束冷床熔炼(EB)炉的最佳熔炼速度为1.28×10~(-4) m/s(即700 kg/h),在此工艺下铸锭化学成分均匀性良好,完全符合国标GB/T 3620.1—2007的要求。Ti6242钛合金EB铸锭的低倍组织为等轴晶组织,明显不同于VAR铸锭。利用EB炉一次熔炼制备的Ti6242钛合金扁锭可用于直接轧制成形Ti6242钛合金板材,圆锭可用于制备高品质、大规格棒材,实现钛合金的低成本、短流程制备。     

真空自耗电弧熔炼过程中搅拌线圈参数对TC17铸锭成分和组织影响的数值模拟与实验验证

采用MeltFlow VAR软件建立了真空自耗电弧熔炼（VAR）过程中温度、电磁、流动和溶质场的耦合模型,通过数值模拟与实验验证的方法研究了搅拌电流和周期对TC17钛合金铸锭成分和组织的影响规律。结果表明,铸锭中心的Cr元素浓度从底部逐渐升高,在铸锭头部100 mm范围内出现激增,与铸锭边缘和1/2半径处表现出不同的趋势。施加搅拌磁场,有利于铸锭心部Cr元素的降低和1/2直径处等轴晶区域宽度的减小。增加搅拌线圈电流或延长搅拌磁场的周期,可以降低铸锭心部Cr元素含量并减小1/2直径处等轴晶区域宽度。这主要是因为搅拌磁场引起的角速度,加剧了熔池内湍流的速度。采用工程化规格的TC17铸锭实物解剖可知,铸锭下部柱状晶生长方向发生扰动的位置与Cr含量上升的位置相对应,均与该位置搅拌磁场的作用相关。数值模拟结果与实验数据吻合较好。     

VAR熔炼补缩工艺对TC11钛合金铸锭质量的影响

将真空自耗电弧熔炼（VAR）补缩过程分为起始期、降温期和烘烤期,并结合各阶段特点研究了补缩工艺对TC11钛合金铸锭冒口深度、头部化学成分及平均晶粒尺寸的影响。结果表明：熔炼电流增大,铸锭冒口深度、头部成分偏差及平均晶粒尺寸均增大;随着降温持续时间的延长,冒口深度减小,且二者存在一定的线性关系;随着烘烤持续时间的延长,冒口深度减小,但会导致头部成分偏差及平均晶粒尺寸增大。VAR熔炼补缩前采用较小熔炼电流,延长降温期时间,控制烘烤持续时间,可获得冒口深度小、成分均匀、晶粒尺寸较佳的TC11钛合金铸锭。     

大规格TC4铸锭真空自耗电弧熔炼控制方式对比

为了选择合适的真空自耗电弧熔炼控制方式,在生产规格为准820mm的TC4钛合金铸锭时,采用了电流控制和熔速控制两种不同的熔炼控制方式。对比分析了两种控制方式对熔炼参数的变化、铸锭化学成分、表面质量以及成材率的影响。结果表明:两种控制方式下铸锭化学成分分布均匀性相当,但熔速控制方式下正常熔炼阶段实际熔速的波动小,且铸锭的表面质量良好和成材率高。在实际生产中熔速可选用电流控制下电流B(21～28kA)所对应的熔速。     

电子束冷床熔炼工艺参数对TC4钛合金Al元素挥发的影响

研究不同熔炼工艺参数对电子束冷床熔炼TC4钛合金过程中Al元素挥发的影响规律.结果表明:原料为真空自耗电弧(VAR)一次锭时,二次铸锭经电子束冷床熔炼获得;在轴向上,从铸锭的顶部至底部,Al元素的含量呈下降的趋势,并且随着熔炼速度的降低,其下降趋势更为明显;在径向上,铸锭的元素分布均匀.熔速为100 kg/h时,铸锭成分控制效果最佳,最接近TC4合金的名义成分.初始原料为电极块(添加单质Al)时,Al元素在原料熔化阶段发生较严重的挥发,且挥发量随着原料中单质Al含量的增加而增加.研究凝壳发现,从原料熔化侧至钛液流出侧,凝壳中Al元素的含量逐渐减少.     

真空自耗熔炼法制备大规格TA5-A铸锭

采用真空自耗熔炼方法制备了名义成分为Ti-4A1-0.005B的大规格TA5-A钛合金铸锭,并测试铸锭的化学成分及β转变温度,观察了铸锭的低倍金相组织.实验结果表明:真空自耗电弧熔炼制备的φ720 mm×2600mmTA5-A钛合金5t铸锭,其元素Al、B成分分布均匀,满足GJB944-90标准要求,且O、N、H气体间隙元素含量低,铸锭低倍组织无明显的气孔、偏析、金属或非金属夹杂等冶金缺陷,且铸锭表面质量良好,满足工业化生产要求.     

Ti60合金VAR熔炼过程熔体流动与宏观偏析的数值模拟研究

真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变;凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈;同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动;当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。     

VAR熔炼中搅拌磁场对元素宏观偏析的影响

在利用真空自耗电弧炉(VAR)熔炼钛及钛合金铸锭时,因VAR熔炼本身特点,铸锭规格大型化后会出现合金元素控制困难、宏观偏析等问题,对产品质量造成严重影响。通过对成品直径为1040 mm的TA2铸锭中Fe元素、TA10铸锭中Ni元素成分进行分析,设计实验探究搅拌磁场对元素宏观偏析的影响。实验通过改变熔炼时的电磁搅拌方式,探究搅拌磁场对Fe、Ni元素宏观偏析的影响。结果表明两次熔炼都使用交流搅拌磁场的铸锭其偏析程度远远小于一次直流搅拌、二次交流搅拌的铸锭,头底Fe元素偏析率降低到6.25%。头底Ni元素偏析率降低到6.41%。经过分析,主要原因是因为搅拌磁场会影响熔池深度及金属凝固时的结晶,减弱Fe、Ni元素在钛熔液里凝固时因溶质再分配造成的结晶浓度偏差。     

电子束冷床炉制备的TC4合金直轧工艺性能研究

应用电子束冷床炉熔炼制备了TC4钛合金扁锭,对其板材的直接轧制工艺进行了研究。结果表明:铸锭经换向轧制后获得了均匀的等轴组织,板材各项力学性能满足要求,性能稳定性优于传统工艺制备的板材。针对EB一次扁锭,最佳的成形工艺为直接轧制的短流程工艺,特别适用于制备大规格宽幅板材。     

影响大规格纯钛锭氧含量的因素探讨

在工业化生产条件下,根据VAR(真空熔炼)法生产特点及凝固偏析理论,研究并分析了φ850 mm纯钛锭氧元素均匀性的影响因素,并在工艺参数许可范围内设计了验证性试验.结果表明:通过熔炼速度、漏气率、预真空等关键因素的严格控制,可大幅度提高大规格纯钛铸锭中氧元素的均匀性.根据实验结果并结合实际生产,总结出了大规格纯钛锭氧元素均匀性的控制技术,使得生产出的φ850 mm纯钛锭头、中、尾氧含量的偏差控制在0.02％范围内.     

钛合金VAR熔炼过程中Al元素烧损差异分析

掌握钛合金熔炼过程中Al元素的烧损差异,有助于控制合金中Al元素含量。通过对TC4、TC18、TC19钛合金铸锭真空自耗电弧(VAR)熔炼过程分析,并根据熔炼过程中热力学及动力学原理推算,分析得出合金组元及含量会影响钛合金液相中Al元素的活度,从而影响Al(l)=Al(g)反应的进行,最终导致Al元素的烧损差异。通过对钛合金铸锭充氩熔炼与真空熔炼过程的分析,得出气相分压不同是造成不同熔炼环境中Al元素烧损差异的首要原因,并根据熔炼过程中热力学及动力学原理进行了验证。     

熔炼方式对Ti6242S钛合金棒材组织性能的影响

利用1350 kW型国产化的电子束冷床熔炼(EB)炉及真空自耗熔炼炉制备Ti6242S钛合金铸锭,并对制备的Ф200 mm棒材的微观组织及力学性能进行了对比分析。经EB一次熔炼铸锭的凝固组织均匀、细小,EB熔炼的特性造就了最终棒材力学性能的稳定性。(EB+VAR)棒材的微观组织及力学性能均优于EB棒材,这与VAR重熔的成分均匀化有直接的关系。应用EB炉制备工业化Ti6242S钛合金铸锭的工艺,完全能够满足航空发动机关键零部件的使用要求。     

大规格纯钛铸锭成分均匀性控制技术

通过借鉴小规格纯钛铸锭生产经验并依据VAR熔炼特点、凝固及偏析理论,结合工业性生产,优化了大规格纯钛铸锭成分控制及成分均匀性生产工艺参数,生产出大型优质纯钛铸锭.