TC2鈦合金中Mn元素揮發(fā)規(guī)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(wěn)定元素Al和1.5%的β相穩(wěn)定元素Mn。該合金在室溫平衡狀態(tài)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(lián)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(zhuǎn)變溫度為(940±20)℃，具有良好的熱穩(wěn)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(jié)構(gòu)和航空發(fā)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(yōu)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(fā)組元的揮發(fā)。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(fā)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(chǎn)生影響[2]。由于TC2合金中含有1.5%的Mn元素，其在真空狀態(tài)下熔煉時容易揮發(fā)，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(tài)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(shù)后Mn的揮發(fā)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(fā)損耗進行了研究和檢測分析，分析結(jié)果可以為工業(yè)化生產(chǎn)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(zhì)量為1.25kg)，共需壓制4支電極，以便后續(xù)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(jù)TC2的材料特點控制電流、電壓等關鍵工藝參數(shù)。一次錠的熔煉過程持續(xù)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(fā)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(nèi)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(shù)，確保鑄錠成分均勻性和表面質(zhì)量，TC2二次成品錠的實物如圖5所示。

3、結(jié)果與分析

3.1φ80mm一次錠中Mn元素的揮發(fā)結(jié)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(jié)果表明:Mn的質(zhì)量分數(shù)為2.35%，和配入點2.5%的含量(質(zhì)量分數(shù))相比，損耗為6%。表明經(jīng)過一次真空自耗后，TC2中的Mn元素揮發(fā)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(nèi)。

3.2φ120mm二次成品錠中Mn元素的揮發(fā)結(jié)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(jié)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(jié)果來看:經(jīng)過二次真空自耗后，頭部外圓中的Mn元素(平均質(zhì)量分數(shù)為1.215%)與一次鑄錠外圓中的Mn元素(質(zhì)量分數(shù)為2.35%)相比，揮發(fā)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(zhì)量分數(shù)為1.385%)與一次鑄錠外圓Mn元素(質(zhì)量分數(shù)為2.35%)相比，揮發(fā)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(zhì)量分數(shù)為1.568%，外圓處的質(zhì)量分數(shù)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(jié)果表明:在非充氬狀態(tài)下，經(jīng)過二次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發(fā)比較嚴重，這是因為在真空狀態(tài)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(shù)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(shù)，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(jù)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(jù)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(fā)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(shù);xi為組元i的摩爾分數(shù);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(fā)速度，如圖9所示。

4、結(jié)論

(1)本文中TC2鈦合金在非充氬狀態(tài)時一次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發(fā)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(tài)時進行二次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發(fā)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(fā)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(fā)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(yè)出版社，1984:404．

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

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