高均质钛合金铸锭的制备技术及评价方法

引言

钛合金具备耐腐蚀、比强度高及生物相容性好等优异特性，广泛应用于航空、航天、海洋船舶、化工及医疗等领域[1~3] 。随着技术进步，航天、航空等领域对钛合金铸件的性能提出了更高的要求，不断向着大尺寸、复杂结构以及高质量稳定性的方向发展[4] ，要求铸件产品具有更高的质量稳定性。作为铸件主要原材料的钛合金铸锭在符合相关标准的前提下，应尽可能提高其成分均匀性和一致性。采用高均质钛合金铸锭生产出来的铸件产品具有优异的综合性能，保证了质量一致性，提高了产品在其使用寿命周期内的安全性。

目前，国内钛合金铸锭最常用的制备方法是真空自耗电极电弧熔炼（Vacuum are remelting, VAR）技术，即在真空中，自耗钛电极在直流电弧的作用下熔化，在水冷铜坩埚中冷却成为铸锭，VAR 技术设备投资和生产运行成本较低，技术成熟，可批量工业化生产[5~6] 。

常规的 VAR 技术无法生产出高均质的钛合金铸锭，需要对生产过程进行控制及优化[7] ，同时需要创新方法，对过程能力进行客观评价。过程能力就是过程处于统计控制状态下，产品质量正常波动的经济幅度，通常同质量特性值分布的 6 倍标准偏差来表示，记为 6σ。过程能力是表示生产过程客观存在着分散的一个参数，但这个参数能否满足产品技术要求，仅从它本身还难以看出，还需要另一个参数来反映过程能力满足产品技术要求的程度，即为过程能力指数，通常用 Cp 与 Cpk 表示。Cp 是表征过程固有的波动状态，即技术水平；Cpk 是指过程平均值与产品技术要求发生偏移的大小。过程能力指数越大，表明产品的离散程度相对于技术要求的公差范围越小，因而过程能力就越强。因此，可以从过程能力指数大小来判断能力的强弱。

Minitab 软件是一款在全球范围内广受欢迎的统计和数据分析工具，它以其无可比拟的强大功能和简易的可视化操作，深受广大质量学者和统计专家的青睐，它提供了丰富的统计工具和图形分析功能，广泛应用于质量管理和生产等领域。

国内外对于钛合金铸锭的研究多集中在成品率和纯净度等方向，针对高均质钛合金铸锭的研究并不多，公开报道更少见。笔者基于 VAR 技术，通过对配料、混料、电极压制和真空熔炼等方面加以控制及优化，制备4 批 4 根 ZTA15 钛合金铸锭，取样 32 份检测化学成分，利用统计方法量化成分均匀性及一致性。为了保证数据分析的准确性，同时降低工作量，使用 Minitab 软件计算主化学元素 Al、Zr、Mo 及 V 的过程能力指数（Cp、Cpk）。

1、试验材料与方法

1.1　配料

试验制备的 4 批 ZTA15 钛合金铸锭从原材料配料开始严格控制，确保化学成分的均匀性和一致性。首先，使用的是 4 批纯度较高的 0 级海绵钛，其名义化学成分及硬度满足 GB/T 2524-2019《海绵钛》要求，详见表 1。

其次，海绵钛、铝粒、铝钼、铝钒和海绵锆等原材料每批进行入厂复验，检测化学成分及粒度，确认结果符合相关标准要求才可使用，密封保存，避免吸水及灰尘等异物污染。优化合金配方，在满足相关标准要求的前提下，主化学元素 Al、Zr、Mo 及 V 的含量尽可能地控制在较小的范围内波动。

最后，原材料使用检定合格且在有效期内、精度为0.1 g 的电子秤精确称量，使用干净无污染的锡纸包装存放，并做好牌号、批次等信息标识。

1.2　混料及电极压制

先对模具进行清理，确保模具不生锈，同时对工作现场进行清扫，保证压制的电极无杂质和异物污染。在称量前对使用的称量工具校准、去皮，先在模具型腔底部铺一半量的海绵钛，扒平，将铝粒、铝钼、铝钒和海绵锆等中间合金混合均匀后倒入，然后在上面再平铺剩余一半量的海绵钛，保证中间合金分布均匀且不外漏，使用三梁四柱式 2 500 t 压力机进行一次压制成型，最后单根短电极称重复核。重复此操作，每批共压制短电极 12 根，单根重量 10 kg。

1.3　真空熔炼

1.3.1　焊接电极

采用手工氩气保护焊技术焊接电极，氩气纯度99.99% 以上，焊接前将工作台面和电极表面清理干净，不得有油污、灰尘等异物，焊接时使用 TA15 焊丝，焊好一侧后立即去除电极上的挥发物，焊点应为银白色，不得氧化发蓝，焊接的电极需平直，避免通过强大电流时局部产生过热。4 根短电极焊接成 1 根长电极，每批共焊接 3 根长电极。

1.3.2　一次熔炼

使用型号DHL-650真空自耗电极电弧炉进行熔炼，为使电弧工作稳定，在坩埚外层增加稳弧线圈，产生纵向磁场，减少边弧；同时，纵向磁场会对熔池中的钛液产生搅拌作用。熔炼过程中，起主要作用的熔炼参数包括电流、电压和磁场[8] 。

在操作过程中严格控制电压、电流和真空度等熔炼参数，使弧长保持稳定，看弧人员和主操作人员相互配合，保证铸锭质量。各参数之间关系复杂，总结过往一次熔炼参数，得出一次熔炼经验参数是起弧电流2 000 A±200 A、稳定电流 3 000 A±200 A、电压 20~25 V及真空度＜ 10 Pa。1 根长电极熔炼时间约 30 min，得到 1 根 ϕ160 mm×460 mm 的一次熔炼铸锭（简称 “一次锭”），单根重量约 40 kg。重复此操作，每批熔炼3 根一次锭，4 批共熔炼 12 根一次锭，做好批次、牌号和炉号等信息的标识。

1.3.3　二次熔炼

使用车床将一次锭冒口去除，然后清理表面油污、灰尘等异物，确保铸锭干净无污染，最后将同批的 3 根一次锭按照头尾相连方式焊接在一起。总结过往二次熔炼参数，得出二次熔炼经验参数是起弧电流 2 000 A±200 A、稳定电流 4 500 A±200 A、电压 22~28 V 及真空度＜ 10 Pa。1 根二次熔炼铸锭（简称“二次锭”）的熔炼时间约60 min，去除冒口后规格为 ϕ220 mm×720 mm，重量约118 kg。重复此操作，每批熔炼 1 根二次锭，4 批共熔炼 4 根二次锭，做好标识。

1.4　取样检测

从每根二次锭上部及下部端面的中心、1/2R 和边缘各取 1 份试样，从中部边缘处取 2 份试样，每批共计8 份进行化学成分检测，4 批共取样 32 份，并按照批号+ 取样位置的规则进行编号。

2、试验结果与分析

2.1　化学成分检测结果

上述制备的 4 批 ZTA15 钛合金二次铸锭化学成分检测结果均在名义值范围内，详见表 2。从表 2 可以看出，主化学元素 Al、Zr、Mo 及 V 含量均在较小范围内波动，合金锭上、中及下部的化学成分趋于一致，无明显差异，同一部位中心、1/2R 及边缘的化学成分也较均匀。从数据上初步判断，制备的 4 批 ZTA15 钛合金铸锭化学成分较均匀，为量化成分均匀性及一致性，利用统计方法对数据进一步处理分析。

2.2　质量一致性分析

过程能力指数 (Cp、Cpk) 指工序在一定时间里，处于控制状态（稳定状态）下的实际加工能力。它是工序固有的能力，或者说它是工序保证质量的能力。这里的工序是指人、机、料、法、环、测（5M1E）诸因素综合作用的过程，也就是产品质量的生产过程。过程能力指数越大，过程能力越强，钛合金铸锭成分均匀性及一致性越高。通常认为，当 Cp 及 Cpk 值大于 1.0 时，过程能力良好，状态稳定。

Cpk 及 Cp 的计算公式为：

式中，USL 为标准上限；LSL 为标准下限；s 为标准差；^-x 为样本均值。

标准差 s 的计算公式为：

式中，x i 为单个样本值；n 为样本总量。

文中计算 32 份试样主化学元素 Al、Zr、Mo 及 V的成分检测数据，得到其过程能力指数（Cp、Cpk），以此评价化学成分的均匀性及一致性。

文中 ZTA15 钛合金铸锭主化学元素的 Cp、Cpk 值使用 Minitab 软件计算，结果如表 3 所示，Cp 及 Cpk值均大于 1.0，说明过程能力较强，控制水平较高，化学成分均匀且一致性高。

3、结论

（1）使用高级别原材料，调整合金配方，精确称量，控制主化学元素 Al、Zr、Mo 及 V 的成分波动，混料均匀，避免异物污染，总结电流、电压和真空度等熔炼经验参数，优化操作方法，基于 VAR 技术制备出的 4 批

4 根钛合金铸锭上、中及下部化学成分波动小、较均匀。

（2）利用统计方法量化钛合金铸锭化学成分的均匀性及一致性，使用 Minitab 软件计算主化学元素 Al、Zr、Mo 及 V 的过程能力指数（Cp、Cpk）；计算结果显示 Cp 及 Cpk 值均大于 1.0，说明过程能力较强，控制水平较高，化学成分均匀性及一致性高。

参考文献

[1]　李梁，孙健科，孟祥军 . 钛合金的应用现状及发展前景 [J]. 钛工业进展，2004，21（5）：19-24.

[2]　吴海峰，张治民，李保成 . 钛合金及其成形技术在民品中的应用前景 [J]. 锻压技术，2003（4）：44-46.

[3]　于宇，李嘉琪 . 国内外钛合金在海洋工程中的应用现状与展望 [J]. 材料开发与应用，2018，33（3）：111-116.

[4]　付艳艳，宋月清，惠松骁，等 . 航空用钛合金的研究与应用进展 [J]. 稀有金属，2006，30（6）：850-856.

[5]　雷文光，赵永庆，韩栋，等 . 钛及钛合金熔炼技术发展现状 [J]. 材料导报，2016，30（5）：107-112.

[6]　张英明，周廉，孙军，等 . 钛合金真空自耗电弧熔炼技术发展 [J]. 稀有金属快报，2008（5）：13-18.

[7]　王镐，张震 . 钛真空自耗电弧炉熔炼技术发展概况及未来展望 [J]. 钛工业进展，1998，15（5）：4-5.

[8]　赵小花，李金山，常辉，等 . 真空自耗电弧熔炼过程中电磁场的数值模拟 [J]. 中国有色金属学报，2010（20）：538-543.