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钛合金熔炼时的偏析

偏析普遍存在于钛合金中，偏析对合金的力学性能具有较大的影响，甚至可能无法获得合格铸锭。钛合金的偏析一般分为两类：宏观偏析和微观偏析。

固相无限互溶的合金在三维空间内发生枝晶生长时，引起液体流动的动力将导致宏观偏析。这些动力包括凝固收缩（或膨胀），冷却时的液相收缩，液体内不同密度引起的重力作用，凝固时固相的收缩及移动，大容积内液体对流向枝晶间的穿透，固-液区内气体的形成。宏观偏析包括正偏析、负偏析和比重偏析。

微观偏析是指通常的铸件生产中，枝晶干（或胞晶干）心部与枝晶间（或胞晶间）成分上的差异，可以用偏析比SR表示微观偏析的大小。微观偏析包括晶内偏析和晶界偏析。钛合金的偏析影响钛合金组织，钛合金的组织缺陷例如难熔金属夹杂、间隙元素偏析，合金元素偏析引起的组织缺陷，反常态的α相形态等对钛合金的使用寿命、性能方面存在致命的影响。因此在熔炼过程中如何避免偏析必须引起冶金工作者的注意。

有人研究了Ti-10V-2Fe-3Al合金的熔炼偏析。实验过程采用电子束冷床炉初熔，VAR二次重熔。图3-19为距铸锭中心15mm和50mm处合金元素的轴向分布。可以看出，沿着凝固方向，V和Al元素含量逐渐降低，而Fe元素逐渐升高。这是因为Fe元素是正偏析元素，朝向熔体方向富集，因此从底部到顶部沿着铸锭凝固方向含量逐渐升高。

下文简要分析几种常见的偏析及形成原因，以帮助在熔炼过程中进行防范。

Ⅰ类α偏析：主要是指O、N、C偏析，最常见的为TiN夹杂，也称为软α型缺陷、间隙元素偏析。这种偏析通常都很硬，会损害疲劳强度和塑性。当上述元素浓度很高时，可以观察到包括化合物在内的其他相，这些元素只要很少的量就能对钛的硬度产生显著影响。钛的氮化物和碳化物以及更难出现的氧化物都有较高的熔点，这些物质在钛熔炼时难于熔化和充分散开，因此原材料中要避免这些间隙元素的浓度过高。高碳偏析区内粗大晶界、碳化物网等薄弱环节吸收了较多的H，会弱化晶界强度，促进碳化物网的脆性倾向。即使这种偏聚不严重，也可对裂纹的产生和扩展发生作用。然而规定范围内的低浓度间隙元素对钛合金不仅无害，而且能对钛合金的强度产生有益贡献。要控制此类偏析，就要从原材料（海绵钛、中间合金等）生产等整个过程严格防止间隙元素的污染。其主要来源是海绵钛及添入的废料，或者是在制作自耗电极时，由于焊接时空气中带入的O、N污染。解决方法为，首先要提高海绵钛的质量，避免海绵钛中混入钛的氮化物，成品海绵钛应装入密封桶内，并充入氩气；其次是对铸锭生产的前道工序进行严格控制，尤其是电极焊接工序；再次就是采用反复熔炼。

亮条偏析：20世纪70年代中期，上海钢研所就对TC4合金的亮条进行了研究分析。在试制TC4钛合金叶片时，对叶片剖面做低倍检验，发现叶片中存在亮条。对亮条进行分析，测试显微硬度，用电子探针及离子探针测定了亮区的化学成分与基体处的差别。对亮条区进行扫描发现的情况如下：亮条可以肉眼观察到，形状不规则，长度不一；亮条处为低Al低V，硬度比基体稍低；亮条处间隙元素O、N量增加的硬度则比基体高。亮条的高倍组织有3种：等轴α单相，二相长条组织以及类似基体的组织。产生的亮条是由于成分偏析及加工时变形热所造成的。对亮条以化学成分变化分类，发现有纯Al、V偏析，带有杂质元素的偏析以及无成分变化3类。发现不同类型的亮条对力学性能也有影响。认为出现亮条的原因有4种：钛合金在真空自耗电弧炉熔炼过程中，电极掉块产生Al、V偏析；原料中O、N的影响；中间合金及海绵钛粒度的影响；热加工的影响。建议提高电极压制质量和焊接质量，避免在熔炼过程中掉块；采用三次自耗熔炼，改善钛锭成分均匀性；提高原材料的质量及粒度；正确选择加热温度、变形量及变形速度。这对今后的偏析研究起到了重要的影响。

熔炼工艺对偏析的影响：从熔炼工艺方面研究铸锭的偏析也取得了一定的成就。H.B.Bomberger对钛合金中的Ⅱ类α偏析进行了分析研究。文中指出Ⅱ类偏析不是凝固过程形成的那种普通偏析，这类偏析是由于铸锭形成缩管和气孔而造成的。当缩管在灼热的钛合金铸锭中形成时，最初的空洞处只有很少的气体，空洞处气体压力往往很低，从而导致一些易挥发元素迅速从空洞温度最高的表面蒸发，形成金属蒸气，填充空洞。这些蒸气冷凝之后或者在蒸发的同时，像露珠一样附着在较冷的空洞表面，于是空洞中某些表面上就能让Al、Sn和其他挥发元素富集起来，而另一些表面上这些元素则趋于贫乏。随后的热加工会使空洞崩塌愈合，就在富Al或者贫Al以及富Sn或者贫Sn的任一表面描绘出原始空洞表面的部分轮廓，显示出Ⅱ类α偏析。

20世纪90年代末期，新型亚稳定β合金Ti-15-3（Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn）中容易出现O元素偏析。间隙元素O作为强化α稳定元素对Ti-15-3合金的工艺性能和断裂韧性有明显