VAR熔炼制备超大规格TC4 ELI钛合金铸锭研究

舰船和海洋领域对钛合金材料的需求呈大型化发展趋势,铸锭作为锻件和板材的母材,其大型化也势在必行。为满足大型铸锭的工业化生产,采用有限元分析法对真空自耗电弧熔炼（VAR）超大规格TC4ELI钛合金一次锭和成品锭的熔炼过程进行了数值模拟研究。结果表明,一次锭熔炼过程中稳弧电流和稳弧周期直接影响熔池中夹杂物的运动轨迹;对于TC4 ELI钛合金一次锭熔炼,较为合适的稳弧参数为稳弧电流30 A,稳弧周期40 s;成品锭熔炼时,降低熔炼电流,增大稳弧电流和稳弧周期,即加强VAR熔炼过程中的搅拌有助于提高铸锭成分均匀性和表面质量。根据数值模拟结果进行了12.8 t级超大规格TC4 ELI钛合金铸锭的工业化生产,所得铸锭表面质量良好,成分均匀。     

钛及钛合金真空自耗熔炼补缩工艺研究

钛及钛合金经真空自耗熔炼后,铸锭头部易出现缩孔较深,切头量较大的问题。本文研究了缩孔产生的原因,论述了补缩工艺参数制定的原则及方法;并据此制定了符合攀长钢钛业分公司国产3 t真空自耗炉(VAR)的补缩工艺制度,极大地减小了缩孔深度,提高了成材率。     

基于MeltFlow-VAR的TC2钛合金铸锭熔炼工艺研究

TC2钛合金真空自耗熔炼(VAR)过程中,由于Mn元素的偏析,导致铸锭中化学元素分布不均匀,以致于加工材在进行“空烧”低倍检验时,存在明显的亮斑、亮条等组织缺陷,影响产品后期加工性能。本文依托MeItFlow-VAR仿真模拟软件对Φ720mm规格TC2钛合金成品铸锭真空自耗熔炼过程中的熔炼电流、稳弧电流交变时间等熔炼工艺参数进行模拟,通过对模拟结果的分析,制定出相对合理的熔炼工艺参数,并根据制定的熔炼工艺参数,进行Φ720mm规格TC2钛合金成品铸锭真空自耗熔炼试验。结果表明,适当减小熔炼电流以降低熔速、延长稳弧电流交变时间,可使TC2钛合金铸锭中Al、Mn元素分布均匀,有效改善Mn元素偏析现象。通过对后续加工材的追踪验证,本次试验所生产的TC2钛合金铸锭在锻造成加工材进行“空烧”后进行横纵向低倍检验,均未发现亮斑、亮条等组织缺陷。     

熔炼方式对TC17钛合金铸锭化学成分及棒材组织均匀性的影响研究

对比分析一次电子束冷床炉熔炼(EBCHM)加一次真空自耗电弧炉熔炼(VAR)和三次真空自耗电弧炉熔炼生产的φ820 mm TC17钛合金铸锭的化学成分均匀性,以及由这两种铸锭经相同工艺锻造得到的棒材的组织均匀性。结果表明,通过原材料控制和工艺参数设计,两种熔炼方式均可生产出化学成分均匀、杂质含量可控的大规格TC17钛合金铸锭,且EBCHM+VAR工艺在残钛回收方面具有优势;两种工艺得到的铸锭,经相同的锻造工艺可获得组织均匀的棒材,为航空转动件提供材料支撑。     

VAR法熔炼钛合金补缩过程温度变化规律研究

真空白耗电弧熔炼（VAR）法是目前熔炼钛及钛合金的主要方法,其中补缩阶段工艺参数对冒口大小及铸锭成品率具有重要影响。采用ANSYS有限元分析软件,研究分析了VAR法熔炼钛合金补缩过程中的温度分布。结果表明：与补缩前相比,补缩阶段辐射散热对于坩埚内热量分布影响增大;补缩前糊状区径向温度梯度远大于轴向;采用直线降电流方式进行补缩,凝固速率较快,不利于成分均匀;采用阶梯降电流方式进行补缩,熔池温度变化缓慢,有利于杂质溶解上浮和成分均匀;工艺参数对冒口形成的影响表现为熔速增大,冒口较大,熔炼电流增大,形成的冒口也较大。     

形变热处理对TC11钛合金热稳定性的影响

采用正交设计方法研究了形变热处理的变形温度、变形度、矫正温度及时效温度对TC11钛合金热稳定性的影响;探讨了合金在500℃、100b热暴露过程中β转变组织内部的相变行为及对合金塑性产生不利作用的机制。试验结果表明:合适的形变热处理工艺可使合金获得较好的热稳定性;残余β相的进一步分解及次生α的粗化是使合金在热暴露过程中塑性降低的主要原因。     

精锻及热处理工艺对TC11钛合金棒材显微组织的影响

研究了精锻及热处理工艺对TC11合金棒材显微组织的影口向。试验结果表明：TC11合金棒材显微组织中长条α及大块α相的产生，是由于原始坯料组织粗大及不均匀造成的，长条α相或粗大α相具有组织“遗传性”，在“α β/β”相变温度以下加热，多火次大变形量锻造，很难将其消除，只能使其形状大小发生有限程度的改变。     

TC11钛合金中板的研制

把用黄金分割点（0．618）作为工艺参数选择的切入点，进行了TC11钛合金中板的研制工作。结果表明：工艺参数的确定是可行的，大大简化了研制过程，在较短时间内完成板材的研制任务，中板的性能满足GB2218-94要求。     

氧、氮等杂质元素对TC11钛合金的影响及控制

本文通过化学分析等试验手段对氧、氮等杂质元素含量对TC11钛合金性能影响进行了分析研究，表明了适当提高氧、氮元素在合金中的含量，可以提高强度，并针对中国海绵钛纯度提高，杂质元素含量减少的现状寻找对策，适当配入杂质元素，确定TC11钛合金中主要杂质元素的最佳配入量。对氧元素含量超标的铸锭，通过炉内焊接三次重熔的方法，能降低最终成品锭的氧含量。     

TC17钛合金加热过程中的有限元模型

采用深埋热电偶动态测量温度变化并结合有限元模拟建立了TC17钛合金棒材的加热模型,并对其升温过程进行了模拟。结果表明:总换热系数由辐射换热系数和对流换热系数组成,可通过数学运算获得,其数值与棒材温度有关,随着棒材温度的升高,总换热系数呈增大趋势。通过对500 mm×500 mm TC17钛合金棒材的升温过程进行有限元模拟,获得棒材心部和1/2R处的温升曲线,经过与热电偶测得的实际温升曲线对比,两者有较高的吻合度,棒材心部和1/2R处到温时间分别为196 min和166 min。采用小尺寸试样进行β单相区加热试验,通过与大尺寸棒材β晶粒尺寸的比较,验证了有限元模型的准确性。     

TC11钛合金相变点的测定与分析

采用计算法、差示扫描量热法和连续升温金相法3种手段计算和测定了TC11两相钛合金（α＋β）/β相变点。计算法由于各元素及杂质元素含量对相变点的影响值是在一个含量范围内的计算值，因此计算的相变点与实测值是接近的；差示扫描量热法由于钛合金和坩埚的化学反应，产生相变滞后现象，导致所测相变温度过高；而连续升温金相法由于淬火温度间隔选择较小，测量的准确性较高，因此更能准确测量TC11钛合金相变温度。通过连续升温金相法，观察不同淬火温度的试样在光学显微镜下的显微组织变化，发现升温过程中初生α相完全消失的温度，从而确定了TC11钛合金的相变点为1035℃。并分析了不同钛合金之间相变点差异的原因。     

飞机结构用TC11钛合金异型锻件的组织与性能

介绍了在工业化条件下,通过合理的工艺路线锻制TC11合金异型锻件.并进行了不同热处理制度下异型锻件的组织和性能试验研究.结果表明：采用950℃,2 h空冷＋530℃,8 h空冷热处理后的锻件的显微组织为均匀的α＋β组织,且有较好的综合室温力学性能,其室温性能为：σb：1050MPa～1100MPa,σ0.2：950MPa～1020MPa,δ5：15%～18%,ψ：32%～36%,αku：45.7 J/cm^2～51.7 J/cm^2,其它各项技术性能也符合协议标准要求,满足航空部门需求.     

熔炼工艺对TC10铸锭中Cu含量的影响

在真空自耗熔炼TC10铸锭时,Cu的化学成分均匀性很难控制,易产生偏析缺陷,影响铸锭的冶金质量和材料性能。针对真空自耗熔炼过程中Cu元素易偏析,不易控制的技术难点,研究了经二次VAR熔炼的Ф480mm及Ф560mm锭型中Cu的横向及纵向成分分布,对Cu元素的偏析规律及熔炼工艺对其分布的影响进行了进一步的探索。结果表明,选用不同的原料、锭型及熔炼电流,对Cu含量在铸锭横向、纵向分布均匀性有影响。     

TC11双相钛合金超塑形变特性研究

本文研究了形变温度，形变速度，形变量，形变时间，形变环境等变形参地ＴＣ１１合金超塑形变特性及形变组织的影响，实验表明，该事金显示了显著的形变软化效应。形变中虽有晶粒长大但对超塑性能影响不明显。形变温度是合金超塑形变的关键控制参数，延伸率是表征合金超塑性能的关键性能指标。本文对研究结果在等温锻造中的实际应用也进行了讨论。     

TC11钛合金本构关系神经网络模型的建立

利用MATLAB软件建立了反映材料热变形本构关系的神经网络模型,该模型中采用遗传算法优化其权值和阈值提高了网络收敛的稳定性。并采用Themecmastor-Z型热加工模拟试验机上进行的TC11钛合金等温恒应变速率压缩试验获得的试验数据进行训练,建立了TC11钛合金热变形本构关系的BP神经网络模型,并进行了预测,预测误差小于10%。     

电子束冷床熔炼TC4合金的热平衡分析

通过对TC4合金电子束冷床熔炼过程热平衡的计算和实验验证,为制定合理的熔炼工艺提供计算依据。计算结果表明,维持冷床液态熔池表面125℃过热和结晶坩埚内100℃过热的条件下,随着熔炼速度从60kg／h增加到150kg／h,冷床内所需热量稍微增加,熔炼原料的功率明显增加,而凝固坩埚内所需热量有所降低。在提高冷床内和坩埚内的过热度时,其所需的热量都增加。     

激光冲击对TC17钛合金微结构和力学性能的影响

利用激光冲击强化工艺（Laser Shock Processing,LSP）对TC17钛合金板材进行单次冲击强化。TC17钛合金经激光冲击后得到了表层晶粒显著细化的梯度显微组织,最表面细化晶粒尺寸达到亚微米级（389 nm）。透射电子显微镜（TEM）照片显示微观组织细化机制为位错墙细分原始粗晶为位错胞亚结构,并最终转变为亚微米级等轴晶粒。晶粒细化造成的晶界强化效应以及变形组织内部高密度位错引起的位错强化效应是激光冲击后TC17钛合金表层硬度提高的原因。     

TC11钛合金高温持久异常断裂分析

为分析TC11钛合金高温持久试样异常断裂原因,通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)观察分析高温持久异常断裂试样的断口及表面微观形貌,并用能谱仪进行微区成分分析。异常断裂试样表面发生明显氧化和多处开裂,试样断口边部存在多处深褐色氧化凹坑,断口外圆周凹坑处多发生沿晶断裂,心部为韧性断裂。试样表面裂纹区域含有Cl、Mg、Na等元素,是导致试样异常断裂的直接原因。Mg、Na、Cl等元素是由捆绑热电偶的石棉绳引入,在高温环境下试样表面发生热盐应力点腐蚀,随着高温持久试验应力的持续加载试样发生形变,点腐蚀凹坑处产生裂纹并迅速延伸导致试样异常断裂。采用镍铬丝捆绑热电偶时试样表面未发生热盐应力腐蚀,其对TC11钛合金持久性能的影响很小。