基于數(shù)值模擬的TB9鈦合金VAR熔煉工藝優(yōu)化

引言

TB9鈦合金是一種亞穩(wěn)β鈦合金，其名義成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，具有良好的室溫塑性、冷加工性，被廣泛應用于飛機用彈簧和緊固件[1?5]。TB9鈦合金常見的熔煉方法有真空自耗電弧熔煉（VAR），電子束冷床熔煉（EBCHM），等離子冷床熔煉（PACHM）等，其中真空自耗電弧熔煉（VAR）是應用最多和最成熟的熔煉方法[6?10]。

VAR熔煉的目的是生產(chǎn)致密、無缺陷、成分均勻、具有所要求的化學成分、尺寸和晶粒結(jié)構(gòu)的鑄錠[11?14]。TB9鈦合金VAR熔煉過程中有時會出現(xiàn)化學元素分布不均勻，偏析的現(xiàn)象，從而造成鑄錠后續(xù)加工產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等缺陷。因此，需要優(yōu)化TB9鈦合金VAR熔煉工藝，解決元素偏析嚴重的問題。

將鈦合金VAR熔煉與數(shù)值模擬相結(jié)合，降低試錯成本，提升研發(fā)效率，優(yōu)化鈦合金熔煉工藝，對提高鈦合金鑄錠質(zhì)量具有重要意義[15?16]。付航濤等[17]采用MeltFlow-VAR軟件對TC4鈦合金在VAR熔煉過程中不同相對密度及不同直徑掉渣、掉塊等夾雜物的運動及分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，不同相對密度及不同直徑的夾雜物在鑄錠熔煉中運動及分布規(guī)律存在明顯差異。文豪等[18]利用MeltFlow-VAR軟件對TC2鈦合金在VAR熔煉過程中的熔煉電流、穩(wěn)弧電流交變時間等熔煉工藝參數(shù)進行模擬。結(jié)果表明，適當減少熔煉電流、延長穩(wěn)弧電流交變時間可使TC2鈦合金鑄錠中Al、Mn元素分布均勻；趙小花等[19]通過Melt-Flow-VAR軟件對不同混料方式的鈦合金鑄錠成分進行了模擬，結(jié)果表明，鈦合金原料混料壓塊后化學成分不均勻，三次熔煉后成分差異逐漸減少。

筆者以TB9鈦合金熔煉為研究對象，利用MeltFlow-VAR仿真模擬軟件對某廠TB9鈦合金VAR一次熔煉過程進行模擬，考察熔煉電流大小和穩(wěn)弧類型對熔煉過程的影響。分別采用該廠原工藝和優(yōu)化后的工藝參數(shù)對TB9鈦合金三次VAR熔煉進行全流程模擬，探究TB9鑄錠元素宏觀偏析是否在多次熔煉過程中存在“遺傳”，為鈦合金VAR熔煉工藝制定與優(yōu)化提供技術(shù)指導和理論依據(jù)。

1、模擬方法和條件

采用MeltFlow-VAR軟件建模并計算，模型為軸對稱數(shù)學模型，運用有限體積法進行模擬，可對電磁、流體、傳熱、凝固及元素偏析現(xiàn)象進行精確而高效地預測，利用其模擬VAR熔煉過程，可以優(yōu)化工藝、節(jié)約試錯時間和成本，獲得高質(zhì)量鈦合金鑄錠。

通過VAR熔煉制備TB9鈦合金鑄錠，TB9鑄錠所要求的化學成分范圍值和MeltFlow-VAR軟件計算的輸入值如表1所示。

對某廠TB9鈦合金三次熔煉的實際工藝進行數(shù)值模擬。對TB9鈦合金第一次熔煉過程中不同熔煉電流及穩(wěn)弧電流直流/交流進行了模擬計算，如表2所示。同時在最佳的一次熔煉工藝上，使用第二和第三次原工藝進行數(shù)值模擬，如表3所示。

TB9鈦合金的物性參數(shù)如表4所示。

2、模擬結(jié)果與討論

2.1TB9鈦合金原工藝數(shù)值模擬

在實際VAR熔煉過程中，為保證TB9鈦合金鑄錠成分均勻性和減少夾雜物通常需要三次熔煉。第一次熔煉時，將海綿鈦和中間合金壓制而成的電極熔煉成一次錠；第二次熔煉時，將一次錠底部和頭部顛倒作為二次熔煉的電極，將電極熔化形成二次錠；第三次熔煉時，將二次錠底部和頭部顛倒作為三次熔煉的電極，制備三次錠。TB9鈦合金在三次熔煉過程中使用的銅坩堝直徑不斷增大，形成的鑄錠直徑也相應增大。使用MeltFlow-VAR模擬TB9鈦合金在某廠原工藝下的三次熔煉，鑄錠中Al、Cr、Mo、O、V、Zr元素分布如圖1所示。由圖1可知，三次熔煉過程中鑄錠的Al、Mo、O元素從芯部到邊部逐漸增多，Cr、V、Zr元素從芯部到邊部逐漸減少；一次錠和二次錠在熔煉時沒有補縮，冒口大而深，三次錠經(jīng)過補縮后冒口小而淺；二次錠比一次錠元素分布均勻，但二次錠中各元素極差仍然較大，三次錠比二次錠元素分布更均勻，其各個元素偏析范圍分別是：[Al]=3.74%～3.81%、[Cr]=5.85%～6.16%、[Mo]=3.65%～4.21%、[O]=0.0862%～0.0916%、[V]=7.98%～8.04%、[Zr]=3.98%～4.11%。

熔池深度和形狀直接影響鑄錠的結(jié)晶情況，從而影響鑄錠的品質(zhì)。在VAR熔煉過程中，熔池越寬（即越飽滿），表明熔池到邊部情況越好，越有利于提升鑄錠的表面質(zhì)量。同時，為得到較好的內(nèi)部質(zhì)量，希望得到“扁平狀”熔池，即熔池不能太深。但通常情況下，“飽滿”熔池和“扁平狀”熔池不能兼得，只能盡可能平衡以同時獲得較好的鑄錠表面及內(nèi)部質(zhì)量。圖2是MeltFlow-VAR模擬TB9鈦合金在某廠原工藝下熔煉的熔池形狀。由圖2可知，起弧階段，第一、二和三次熔煉的熔池均呈扁平狀，熔池還未真正形成；在穩(wěn)定熔煉階段，隨著電弧傳熱的快速積累，熔池形貌由淺平狀向深“V”型過渡，熔池體積增大，第一次熔煉的熔池比第二、三次熔煉更深。第一和二次熔煉沒有補縮階段，第三次熔煉進入補縮階段后，熔池扁平而飽滿，這有利于獲得成分均勻和組織致密的高質(zhì)量TB9鈦合金鑄錠。

2.2TB9鈦合金不同工藝第一次熔煉的數(shù)值模擬

某廠在上述原工藝下VAR熔煉TB9鈦合金鑄錠，不可避免地會存在偏析和夾雜等缺陷，為了改善這些缺陷，使用MeltFlow-VAR模擬TB9鈦合金不同工藝下的第一次熔煉，尋找最優(yōu)結(jié)果，優(yōu)化原TB9鈦合金鑄錠的VAR熔煉工藝，以期獲得更高質(zhì)量的TB9鈦合金鑄錠。

圖3是MeltFlow-VAR模擬TB9鈦合金不同工藝下第一次熔煉的Al、Cr、Mo、O、V、Zr元素分布。工藝1和原工藝比較可知，減少正常熔煉階段的電流，TB9鈦合金鑄錠頂部的芯部區(qū)域各元素偏析加重；工藝2和原工藝比較可知，增加正常熔煉階段的電流可以一定程度減輕TB9鈦合金鑄錠徑向各元素偏析，但鑄錠頂部的芯部各元素偏析有一定程度加重；工藝3和原工藝比較可知，將穩(wěn)弧電流從直流改為交流并且減少正常熔煉階段的電流后，TB9鈦合金鑄錠徑向各元素偏析得到極大改善，鑄錠頂部的芯部區(qū)域各元素偏析面積增大，但偏析程度減少；工藝4和原工藝比較可知，將穩(wěn)弧電流從直流改為交流，使TB9鈦合金鑄錠徑向各元素偏析極大減輕，提高了鑄錠元素分布均勻性；工藝5和原工藝比較可知，將穩(wěn)弧電流從直流改為交流，并且增加正常熔煉階段的電流后，鑄錠徑向元素偏析減少，元素分布更均勻。

總之，穩(wěn)弧電流從直流改為交流更有利于獲得成分均勻的鑄錠，穩(wěn)弧電流使用交流電減輕了徑向宏觀偏析，降低了軸向元素貧化程度，提高了鑄錠元素分布均勻性。減少正常熔煉階段的電流會使鑄錠頂部的芯部區(qū)域各元素偏析加重，增加正常熔煉階段的電流可以一定程度減輕鑄錠徑向各元素偏析。

圖4是MeltFlow-VAR模擬TB9鈦合金不同工藝下第一次熔煉的拋雜路徑示意。從圖4可知，從工藝1、原工藝到工藝2和從工藝3、工藝4到工藝5，均是隨著電流的增加，去除鑄錠中比密度為0.95的夾雜物效果變好；對比工藝1和工藝3、原工藝和工藝4、工藝2和工藝5可知，穩(wěn)弧電流從直流改為交流具有更好的拋雜效果。工藝5中的夾雜物被推向鑄錠邊部和頂部，有利于熔煉結(jié)束后鑄錠扒皮去除低密度夾雜物。綜上所述，工藝5拋雜效果最佳，而去除雜質(zhì)也是鈦合金第一次熔煉的主要目的。

圖5是MeltFlow-VAR模擬TB9鈦合金不同工藝下第一次熔煉的熔池深度與時間的關(guān)系；圖6是MeltFlow-VAR模擬TB9鈦合金不同工藝下第一次熔煉的熔池體積與時間的關(guān)系。從工藝1、原工藝與工藝2和工藝3、工藝4與工藝5對比可知，穩(wěn)弧電流不論為直流或交流，隨著熔煉電流的增加，熔池深度加深；對比工藝1和工藝3、原工藝和工藝4、工藝2和工藝5可知，穩(wěn)弧電流從直流改為交流，熔池深度從深變淺，熔池深度從約0.85m變?yōu)榧s0.675m。從圖6可知，穩(wěn)弧電流從直流改為交流后，熔池體積含量從多變少。TB9鈦合金鑄錠在熔煉時，希望得到“扁平狀”熔池，即熔池不能太深，圖5和圖6表明，穩(wěn)弧電流從直流改為交流后，有利于獲得“扁平狀”熔池，從而獲得質(zhì)量更高的鑄錠。

熔煉電流的增加使熔池深度加深，這加重了鑄錠元素偏析，但大的熔煉電流有利于拋雜。穩(wěn)弧電流從直流改為交流后，熔池深度從深變淺，熔池體積含量從多變少，這有利于改善鑄錠的元素偏析。鈦合金第一次熔煉的目的是去除夾雜物，綜合考慮，TB9鈦合金VAR熔煉的最佳工藝是穩(wěn)弧電流為交流電，較大的熔煉電流，即工藝5。

2.3TB9鈦合金不同的一次熔煉工藝對最終鑄錠的影響

TB9鈦合金一般需要重復熔煉三次，上述計算結(jié)果表明工藝5是最佳一次熔煉工藝，第一次熔煉使用工藝5，第二和三次熔煉使用原工藝進行模擬，模擬結(jié)果與第一、二和三次熔煉都使用原工藝的模擬結(jié)果進行比較，探究一次TB9鑄錠中的元素偏析是否在二次和三次熔煉過程中存在傳遞，模擬結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，原工藝和工藝5中上和下的矩形框大小一樣，原工藝與工藝5的上矩形框比較，Al元素芯部含量為3.76%的區(qū)域減少，3.79%的區(qū)域增加，Cr元素芯部含量為6.37%和6.27%的區(qū)域均減少，6.16%和6.06%的區(qū)域均增加，Mo元素芯部含量為3.84%的區(qū)域減少，3.93%的區(qū)域增加，O元素芯部含量為0.088%的區(qū)域減少，0.0889%的區(qū)域增加，V元素芯部含量為8.04%的區(qū)域減少，8.02%的區(qū)域增加，Zr元素芯部含量為4.07%的區(qū)域減少，4.04%的區(qū)域增加；原工藝相對工藝5的下部矩形框比較，Al、Cr、Mo、O、V、Zr元素在芯部位置3.79%、6.16%、3.93%、0.0889%、8.02%、4.04%區(qū)域均增大。

上述計算結(jié)果表明，宏觀偏析在多次熔煉過程中存在傳遞，成分更均勻的一次錠經(jīng)過相同的二次和三次熔煉后更能獲得成分均勻的最終鑄錠。郭杰等[20]研究表明前次鑄錠的徑向成分不均勻會由于對流作用而基本消除，對下一次熔煉鑄錠的宏觀偏析無影響，而前次鑄錠的軸向成分不均勻會傳遞給下一次熔煉的鑄錠，這一傳遞對下次鑄錠底部影響最顯著。在鑄錠頂部，當熔池較深時，熔池內(nèi)強烈的對流使得前次鑄錠末端與中前端熔化的液相充分混合，從而削弱前次鑄錠軸向成分差異的影響。

3、結(jié)論

使用MeltFlow-VAR仿真模擬軟件對某廠TB9鈦合金三次VAR全流程熔煉進行了模擬，考察了熔煉電流大小和穩(wěn)弧類型對TB9鈦合金第一次熔煉過程的影響，比較了一次熔煉分別采用該廠原工藝和優(yōu)化后的工藝參數(shù)對最終TB9鈦合金鑄錠的影響。得出以下結(jié)論：

1）TB9鈦合金鑄錠經(jīng)過三次VAR熔煉后鑄錠化學成分均勻且達標。

2）增加熔煉電流使熔池深度加深，加重了鑄錠元素偏析，但大的熔煉電流有利于拋雜，穩(wěn)弧電流從直流改為交流后，熔池深度從深變淺，熔池體積含量從多變少，這有利于改善鑄錠的元素偏析，考慮到第一次熔煉拋雜的目的，較大的熔煉電流和穩(wěn)弧電流為交流電是最佳工藝，即工藝5。

3）在TB9鈦合金VAR熔煉過程中，宏觀偏析在多次熔煉過程中存在“遺傳”，成分更均勻的一次錠經(jīng)過相同的二次和三次熔煉后更能獲得成分均勻的最終鑄錠。

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