钛合金具有高比强度、耐蚀性能好、高温性能优异等特点，广泛应用于航空航天、汽车船舶、生物医药等领域[1-3]。TC6 钛合金是典型的α+β 型高温合金，由于其良好的热稳定性和高温力学性能，常用于制备发动机的零部件，如紧固件、叶片等[4-6]。真空自耗电弧熔炼是工业界普遍采用制备钛合金的方法之一，TC6 合金的合金元素较多，其中Cr、Mo 元素易产生偏析[7-8]。为了控制TC6 合金元素偏析的现象，调控熔炼工艺、选择合适的原料是常见的手段。
合理的熔炼工艺能有效减少合金铸锭中缺陷和偏析的产生。钛合金铸锭中一般存在3 种缺陷：非金属/金属夹杂(氧化物、碳化物、钨、钼等)、合金元素偏析(间隙元素氧、氮、碳以及富铝、富钛偏析)以及β斑缺陷(铁、钼等β 稳定元素的微区偏析)[9-10]。其中β斑的存在会显著降低材料的塑性和低周疲劳性能。对于β 斑的成分和形成机制学术界尚未达成共识，当前基本可以确定β 斑的形成来源于合金铸锭，但是铸锭中通常无法直接观察到β 斑，常规的探伤手段也无法检测到β 斑的存在。一般经过后续热加工处理后，合金低倍组织中即可观察到β 斑[11]。
TC6 合金的成分和组织均匀性问题成为了目前学术界关注的焦点。李佳佳等[12]研究认为熔炼过程中采用浅熔池的方式可有效减少β 斑的出现。王哲等[13]发现在β 相变点以下50 ℃锻造后，TC6 合金棒材表层强度高于心部并且表层的α 相含量更高，随着退火温度的提高，合金的强度逐渐降低。冷却条件是影响TC6 合金偏析情况的重要因素，减少坩埚壁厚，增加冷却速度可以一定程度上减少Cr元素的偏析[14]。研究表明，β 斑在TB6 合金中也会存在，且异常区域中Fe 元素明显富集。含有β 斑的试样抗拉强度更高但塑性较差[15]。因此提高TC6 合金成分组织的均匀性，减少β 斑的析出是非常必要的。本文结合实际生产，对比不同原材料、不同熔炼工艺对TC6 合金成分均匀性的影响，并对合金中出现的β 斑进行了分析，通过控制原料、控制熔炼次数、调整熔炼过程工艺参数等手段解决β 斑出现的问题。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
通过3 t 级真空自耗电弧炉熔炼制备ϕ640 mm 的TC6 合金铸锭(名义成分为Ti-6.3Al-2.5Mo-1.65Cr-0.5Fe-0.3Si，质量分数，%，下同)，合金选用原料情况如表1 所示。称量所用的全部原料，加入混料机，混合均匀后通过4 000 t 自耗电极压力机压制电极块，在真空等离子焊箱内组焊电极。采用3 t 真空自耗电弧炉进行熔炼，铸锭选用的熔炼参数见表2，锻造及热处理工艺见表3。
表1 TC6 合金铸锭选用原料
Tab.1 Raw materials for the TC6 alloy
No.Alloying element MoFeSiAlCrTi 1#Al-60MoIronAl-10SiAluminium shotChromiumTitanium sponge 2#Al-60MoAl-60FeAl-10SiAluminium shotAl-70CrTitanium sponge 3#Al-60MoAl-60FeAl-10SiAluminium shotAl-70CrTitanium sponge
表2 TC6 合金熔炼工艺
Tab.2 Melting process for the TC6 alloy
No.Electricity/kAVoltage/VArc stabilizing currentNumber of smelting 1#15～2529～399 A/30 sTwice 2#15～2529～399 A/30 sThree times 3#15～2529～3915 A/30 sThree times
表3 TC6 合金锻造及热处理工艺
Tab.3 Forging and heat treatment process for the TC6 alloy
Production processHeat treatment systemProcessing step Billet forging1 200 ℃One upsetting and pulling Forging30～40 ℃above the phase transition pointTwo upsetting and drawing Forging40～50 ℃above the phase transition pointFour upsetting and drawing Forging50 ℃above the phase transition pointForming Heat treatmentIsothermal annealing 870 ℃/2 h,furnace cooling to 650 ℃,holding for 2 h,air cooling
1.2 实验方法
合金铸锭成分检测统一按照国标GB/T 4698《海绵钛、钛及钛合金化学分析方法》的规定进行。分别对TC6 合金铸锭头部、中部、尾部的锭身取样进行成分检测，取样位置如图1 所示。时效态合金组织观察采用心部样品，采用JEOLJSM 7001F 型扫描电子显微镜(SEM)观察合金显微组织及β 斑形貌特点，并通过能谱仪(EDS)分析β 斑的元素组成。
图1 TC6 合金成分检测取样位置
Fig.1 Sampling position of the composition test for the TC6 alloy
2 实验结果及讨论
2.1 铸锭成分均匀性
图2 是真空自耗电弧熔炼后制备的3 t 级TC6合金铸锭，铸锭表面质量良好，无明显缺陷，经过扒皮、锯切冒口后成品率达到94%以上。
图2 TC6 合金铸锭：(a)1#；(b)2#；(c)3#Fig.2 TC6 alloy ingots:(a)1#;(b)2#;(c)3#
表4 是不同熔炼工艺制备的TC6 合金铸锭头部、中部、尾部成分分析检测结果统计。1#合金成分波动较大，2#、3# 合金化学成分分布较为均匀，其中Al、Cr、Fe 元素含量波动较大，Mo、Si 元素存在轻微波动。1#合金中铸锭上部Al 元素含量较低为6.09%，铸锭下部Al 元素含量为6.4%，标准差为15.50%。Cr元素含量范围为1.59%～1.66%，标准差为5.57%。Fe元素含量范围为0.46%～0.57%，标准差为5.51%。2#合金Al 元素含量波动较大，铸锭上部Al 元素含量为6.06%，铸锭下部Al 元素含量为6.32%，标准差为13.45%，Al 元素均匀性有一定改善。Cr 元素含量范围为1.62%～1.64%，标准差为1.00%，Fe 元素含量为0.45%～0.53%，标准差为4.16%。3#合金整体均匀性最好，Al 元素均匀性提高，含量范围为6.20%～6.27%，标准差为3.79%。Cr、Fe 元素含量范围分别为1.63%～1.66%和0.49%～0.53%。
表4 . 3 t 级铸锭头部、中部、尾部成分分析
Tab.4 Composition analysis of the head, middle and bottom of 3 t grade alloys (mass fraction/%)
No.PositionAlMoCrFeSi Nominal component6.302.501.650.500.30 1#2#3#Top6.092.611.620.570.33 Middle6.242.651.660.460.28 Bottom6.402.711.550.520.28 Standard deviation/%15.505.035.575.512.89 Top6.062.551.630.530.33 Middle6.252.531.640.470.32 Bottom6.322.581.620.450.29 Standard deviation/%13.452.521.004.162.08 Top6.202.431.660.530.28 Middle6.262.481.640.510.28 Bottom6.272.491.630.490.27 Standard deviation/%3.793.211.532.000.58
图3 是1# 合金上、中、下部不同取点位置各个元素含量的统计结果。合金下部Al 元素含量偏高，为6.31%～6.50%，标准差为6.99%，极差为0.19%。合金上部和中部Al 元素含量范围分别为6.01%～6.24%和6.11%～6.34%，标准差分别为6.60%和6.48%，极差为0.23%。Cr 元素存在偏析情况，合金中部Cr元素含量较高，为1.61%～1.77%，标准差为4.74%；合金上、下部Cr 元素含量范围为1.55%～1.67%和1.56%～1.61%，标准差为4.31%和1.83%。1#合金中部1～4 号位置Cr 元素含量波动较大，这是因为1#合金熔炼过程中熔炼次数较少、稳弧电流较低(9 A/30 s)，熔体未能充分搅拌均匀，导致高比重、高熔炼的Cr 元素局部偏析，合金整体均匀性较差。合金中部Fe 元素含量较低为0.44%～0.48%，合金上、下部Fe元素含量为0.55%～0.62%和0.48%～0.55%。Si、Mo元素均匀性较好，合金上、中、下部的Si 元素含量极差小于0.05%，Fe 元素含量极差小于0.17%。
图3 1# 铸锭元素分布：(a)Al;(b)Cr;(c)Fe;(d)Mo;(e)Si
Fig.3 Elemental distributions in 1#ingot:(a)Al;(b)Cr;(c)Fe;(d)Mo;(e)Si
图4 是2# 合金上、中、下部不同取点位置各个元素含量的统计结果。合金上部Al 元素含量偏低为5.96%～6.32%，标准差为15.20%，极差0.51%；合金中、下部Al 元素含量为6.18%～6.28%和6.25%～6.34%，标准差为3.50%和3.73%，极差为0.12%和0.15%。合金上部的1～4 号位置Al 元素含量低于合金中、下部的1～4 号位置Al 元素含量。Cr 元素含量分布均匀，合金上、中、下部的Cr 元素含量极差为0.1%、0.03%和0.07%。Fe、Mo、Si 元素成分均匀，没有明显的偏析现象。
图4 2# 铸锭元素分布：(a)Al;(b)Cr;(c)Fe;(d)Mo;(e)Si
Fig.4 Elemental distributions in 2#ingot:(a)Al;(b)Cr;(c)Fe;(d)Mo;(e)Si
图5 是3#合金上、中、下部不同取点位置各个元素含量的统计结果。3#合金成分均匀性好，各个元素无明显偏析现象。合金上、中、下部的Al 元素含量极差为0.1%、0.08%和0.05%，标准差为3.80%、2.75%和1.93%；Cr 元素含量极差均为0.04%，标准差为1.42%、1.33%和1.49%。合金中Fe、Mo、Si 元素含量极差均小于0.1%，Fe、Mo、Si 元素成分均匀性好。
图5 3# 铸锭元素分布：(a)Al;(b)Cr;(c)Fe;(d)Mo;(e)Si
Fig.5 Elemental distributions in 3#ingot:(a)Al;(b)Cr;(c)Fe;(d)Mo;(e)Si
钛合金熔炼一般选用真空自耗电弧熔炼的方式，而熔炼工艺参数(熔炼电压、熔炼电流、熔速、稳弧电流、冷却时间等)的选取直接影响铸锭化学成分和组织的均匀性[16-18]。实验设计了3 种熔炼工艺方案对合金进行真空自耗电弧熔炼，其中1# 铸锭选用纯金属作为原材料进行合金熔炼，且熔炼次数为2 次；2# 和3# 铸锭选用二元中间合金作为原材料进行熔炼并增加一次熔炼次数。根据实验结果可知，与1# 铸锭相比，2# 和3# 铸锭的化学成分和组织更加均匀，可归因于选用二元中间合金和增加熔炼次数。其中，二元中间合金的加入能够有效增加各种合金元素在电极中分布的均匀性，避免了在熔炼过程中局部合金元素富集而造成铸锭局部化学成分偏析现象。此外，2#与3#铸锭相比，3#铸锭化学成分和组织更加均匀归因于其熔炼过程中选取的稳弧电流对铸锭整体均匀性控制更优。除此之外，3 个铸锭的整体均匀性均为中部成分和组织均匀性最好，这是因为熔炼初期水冷铜坩埚底部作用和熔炼末期补缩工艺的影响，导致熔炼过程中熔池较浅，合金元素滞留时间较短，化学成分分布相对不均匀，而熔炼中期熔池深度适中，加之稳弧电流搅拌作用，使得铸锭中部化学成分更加均匀。
2.2 TC6 合金中β 斑的成分及形貌特点
图6 是TC6 合金经过锻造、热处理后棒材的微观组织照片。合金显微组织为两相区加工产生的组织，无完整的原始β 晶界；在转变的β 基体上存在等轴α 组织。1# 合金中发现存在β 斑，β 斑相比于基体组织α 相大大减少，边缘处存在过渡区域。2#、3#合金中未发现β 斑。
图6 TC6 合金金相照片：(a,b)1#;(c)2#;(d)3#
Fig.6 OM images of the TC6 alloys:(a,b)1#;(c)2#;(d)3#
图7 是1#合金基体和β 斑的SEM 照片，表5 是相应的EDS 能谱分析结果。可以发现，β 斑中Si 元素含量相比于基体组织提高了0.35.%，Cr 元素含量提高了0.58%，Fe 元素含量提高了0.58%，而Mo 元素降低了0.44%。这与Chen 等[19]的研究是一致的。慢共析元素Cr、Fe 在熔炼过程中不易扩散，容易导致局部元素富集。β 元素的富集使得β 转变温度降低。
图7 1# 合金SEM 照片：(a)基体；(b)β 斑
Fig.7 SEM images of 1#alloy:(a)matrix structure;(b)β fleck
表5 图7中不同区域EDS分析结果
Tab.5 EDS analysis results for different regions in Fig.7 (mass fraction/%)
RegionElement Matrix β fleck SpectrumAlSiTiCrFeMo Spectrum 15.630.3588.422.450.662.49 Spectrum 25.450.3288.762.330.732.41 Spectrum 35.620.3488.312.570.992.51 Average5.570.3488.502.450.792.47 Spectrum 15.200.7786.893.351.712.10 Spectrum 25.770.5686.863.381.571.86 Spectrum 35.370.7287.702.751.292.16 Spectrum 45.840.6987.912.660.892.00 Average5.550.6987.343.031.372.03
真空自耗电极熔炼过程中，熔池受到熔体自身产生的浮力，熔炼电流产生的洛伦兹力及通过稳弧电流产生的洛伦兹力的共同影响。其中，当稳弧电流较大时，该参数是主要的影响因素[20]。施加稳弧电流后，炉体内形成竖直向上的磁场，对金属熔体产生环轴向力，从而对熔体进行搅拌。稳定电流的搅拌作用让熔体的温度分布均匀，各个方向上没有明显的温度梯度，有利于等轴晶生长，提高晶粒的形核率。β斑是在熔炼过程中由于溶质的不均匀分布形成的，本实验中3#铸锭通过合适的稳弧电流得到了成分、组织均匀的铸锭，即选用合适的稳弧电流可以有效保证铸锭的成分均匀性和降低β 斑的形成。
表6 是β 斑和基体组织的维氏硬度测试结果。在正常区域及β 斑区域随机取样，β 斑显微硬度为335 HV，基体组织显微硬度为363 HV，β 斑位置硬度略低于基体位置硬度，并且β 斑显微硬度波动较大，表现出不均匀性，使得材料在形变过程中变形协调性降低。1# 合金中的基体组织和β 斑组织存在显著差异，造成了合金显微硬度的不同。
表6 1#合金基体与β斑位置显微硬度分析
Tab.6 Microhardness analysis of the matrix and β fleck in 1# alloy
Position12345678Average Matrix(HV)354364372368367358361363363 β fleck(HV)331336345330334336336335335
3 结论
(1)1# 合金中存在富Cr 和Fe 元素、贫Mo 元素的β 斑，β 斑相比于基体组织α 相大大减少，其边缘处存在过渡区域且显微硬度明显高于基体组织。
(2)采用Al-60Mo、Al-60Fe、Al-10Si、Al-70Cr 二元中间合金以及1 级海绵钛作为原料，选用合适的熔炼工艺(熔炼电流：15～25 kA；熔炼电压：29～39 V；稳弧电流： 交流电15 A/30 s)，制备了ϕ640 mm 的TC6 铸锭。铸锭成分均匀，无明显偏析和缺陷。
(3)β 斑在TC6 铸锭的不同位置出现，均表现出相近的成分偏析规律。经研究，钛合金的β 斑是合金凝固过程中特有的一种局部微区成分偏析，β 斑的微区成分差异符合微区偏析缺陷的主要特征，且有相似的形成规律，因此，可以通过选用合适的原料和熔炼工艺可以有效减少β 斑的形成。
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