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(yīng)用于飛機(jī)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(yīng)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(xué)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(shí)會(huì)出現(xiàn)化學(xué)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(yán)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(cuò)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(yùn)動(dòng)及分布規(guī)律進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)間等熔煉工藝參數(shù)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，適當(dāng)減少熔煉電流、延長穩(wěn)弧電流交變時(shí)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(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，鈦合金原料混料壓塊后化學(xué)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)和理論依據(jù)。

1、模擬方法和條件

采用MeltFlow-VAR軟件建模并計(jì)算，模型為軸對稱數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用有限體積法進(jìn)行模擬，可對電磁、流體、傳熱、凝固及元素偏析現(xiàn)象進(jìn)行精確而高效地預(yù)測，利用其模擬VAR熔煉過程，可以優(yōu)化工藝、節(jié)約試錯(cuò)時(shí)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(xué)成分范圍值和MeltFlow-VAR軟件計(jì)算的輸入值如表1所示。

對某廠TB9鈦合金三次熔煉的實(shí)際工藝進(jìn)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(jìn)行了模擬計(jì)算，如表2所示。同時(shí)在最佳的一次熔煉工藝上，使用第二和第三次原工藝進(jìn)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yīng)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(shí)沒有補(bǔ)縮，冒口大而深，三次錠經(jīng)過補(bǔ)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(gè)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(shí)，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(shí)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(bǔ)縮階段，第三次熔煉進(jìn)入補(bǔ)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(huì)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(fù)熔煉三次，上述計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(huì)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(huì)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(dāng)熔池較深時(shí)，熔池內(nèi)強(qiáng)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(jìn)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(xué)成分均勻且達(dá)標(biāo)。

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。

參考文獻(xiàn)

[1]Shi W, Dong L, Zhang X, et al. Simulation and experimental study of the hole-making process of Ti-6Al-4V titanium alloy for selective laser melting[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2023，106：223?239.

[2]Xu Jianqing, Tan Jing. Study on numerical model of high temperature compression behavior of forged TB9 titanium alloy[J].Foundry Technology, 2018,39(6):1305?1308.

（徐健清, 譚靜. 鍛態(tài)TB9鈦合金高溫壓縮行為數(shù)值模型研究 [J]. 鑄造技術(shù), 2018, 39(6): 1305?1308.）

[3] Yang X, Li W, Fu Y, et al. Finite element modelling for temperature, stresses and strains calculation in linear friction welding of TB9 titanium alloy[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2019，8（5）：4797?4818.

[4]Jin Xiaochao, Xu Qipeng, Qiu Ji, et al. A strain rate‐dependent constitutive model for asymmetric hardening behavior of TB9 titanium alloy[J]. Advanced Engineering Materials, 2022，24（12）：2200545.

[5]Liu Le, Xu Qipeng, Hou Cheng, et al. Strain rate effect of yield strength of new TB9 titanium alloy[J]. Science Technology and Engineering, 2022，22（35）：15470?15476.

（劉樂, 許琦鵬, 侯成, 等. 新型TB9鈦合金屈服強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng) [J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2022，22（35）：15470?15476.）

[6]LiXiong,PangKechang,GuoHua, et al. MeltingtechnologyofwroughtTiandTialloy[J]. TheChineseJournalof Nonferrous Metals, 2010，20（S1）：906?913.

（李雄, 龐克昌, 郭華, 等. 變形鈦及鈦合金熔煉技術(shù) [J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010，20（S1）：906?913.）

[7]Zagrebelnyy D, Krane M J M. Segregation development in multiple melt vacuum arc remelting[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2009，40：281?288.

[8]Jing Zhenquan, Sun Yanhui, Liu Rui, et al. Effect of vacuum arc remelting process parameters on macrosegregation in TC4 titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2023，52（3）：815?822.

[9]Yamanaka A, Ichihashi H. Dissolution of refractory elements to titanium alloy in var[J]. ISIJ International, 1992，32（5）：600?606.

[10]Dong Hequan, Guo Ziming, Mao Xiemin, et al. Prospect of development trend of melting technology of titanium and/or its alloys with high efficiency and low energy consumption[J]. Materials Review, 2008，22（5）：68?73.

（董和泉, 國子明, 毛協(xié)民, 等. 低能耗節(jié)約型鈦及鈦合金熔煉技術(shù)的發(fā)展趨勢 [J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2008，22（5）：68?73.）

[11]Liu Xibo, Wang Shujun, Jia Xiangya, et al. Research on the preparation of TC4 titanium alloy plate by the ingot with bad composition[J]. Titanium Industry Progress, 2017，34（1）：29?32.

（劉喜波, 王樹軍, 賈祥亞, 等. 利用成分不良的 TC4 鈦合金鑄錠制備合格板材的工藝研究 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2017，34（1）： 29?32.）

[12]Li Mingyu, Yang Shufeng, Liu Wei, et al. A review on segregation and control of titanium alloy during vacuum arc remelting process[J]. China Metallurgy, 2023, 33(9): 1-10,18.

（李明宇, 楊樹峰, 劉威, 等. 真空自耗熔煉鈦合金的偏析缺陷及控制研究進(jìn)展 [J]. 中國冶金, 2023, 33(9): 1?10, 18.）

[13]Cen M, Liu Y, Chen X, et al. Inclusions in melting process of titanium and titanium alloys[J]. China Foundry, 2019，16（4）：223?231.

[14]Karimi-Sibaki E, Kharicha A, Vakhrushev A, et al. Numerical modeling and experimental validation of the effect of arc distribution on the as-solidified Ti64 ingot in vacuum arc remelting (VAR) process[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2022，19：183?193.

[15]Huang Liqing, Wu Jingyang, Guo Jie, et al. Effect of self-induced magnetic field on liquid flow and segregation during VAR process for titanium alloys[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2023，44（4）：55?61, 84.

（黃立清, 吳京洋, 郭杰, 等. 鈦合金 VAR 過程中自感電磁場對流場與偏析行為的影響 [J]. 鋼鐵釩鈦, 2023，44（4）：55?61, 84.）

[16]Jing Zhenquan, Sun Yanhui, Chen Lian, et al. Numerical simulation of current, magnetic field and electromagnetic force in vacuum arc remelting of titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2023，52（6）：1994?2001.

[17]Fu Hangtao, Wang Kaixuan, Zhao Xiaohua, et al. Numerical simulation analysis of inclusion evolution during VAR melting of TC4 titanium alloy[J]. Foundry Technology, 2021，42（9）：770?773.

（付航濤, 王凱旋, 趙小花, 等. TC4 鈦合金 VAR 熔煉過程中夾雜物演變的數(shù)值模擬分析 [J]. 鑄造技術(shù), 2021，42（9）：770?773.）

[18]Wen Hao, Zheng Yabo, Chen Feng, et al. Research on melting technology of TC2 titanium alloy ingot depend on MeltFlow-VAR[J]. World Nonferrous Metals, 2022（14）：12?15.

（文豪, 鄭亞波, 陳峰, 等. 基于 MeltFlow-VAR 的 TC2 鈦合金鑄錠熔煉工藝研究 [J]. 世界有色金屬, 2022（14）：12?15.）

[19]Zhao Xiaohua, Wang Jincheng, Liu Peng, et al. Effect of electrode block’s mixing uniformity on titanium alloy ingot’s composition[J]. Titanium Industry Progress, 2021，38（4）：1?4.

（趙小花, 王錦程, 劉鵬, 等. 鈦合金電極塊混料均勻性對鑄錠成分的影響 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2021，38（4）：1?4.）

[20]Guo Jie, Huang Liqing, Wu Jingyang, et al. Evolution of macrosegregation during three-stage vacuum arc remelting of titanium alloys[J/OL]. Acta Metallurgica Sinica, 2023. DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00544

（郭杰, 黃立清, 吳京洋, 等. 鈦合金三次真空自耗電弧熔煉過程中的宏觀偏析傳遞行為 [J/OL]. 金屬學(xué)報(bào), 2023. DOI:10.11900/0412.1961.2022.00544）