TC11钛合金[名义化学成分 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si]是一种综合机能优良的α-β型钛合金资料，在500℃下拥有优异的热强机能，且拥有较高的室温强度、优良的热加工工艺性，宽泛利用于航空发起机压气机的零部件，如叶片、轴类、鼓筒等。优质航空钛合金铸锭的工业化出产以真空自耗电弧熔炼[VAR]为主，但由于熔炼及凝固过程中温度场散布不均，铸锭易产生元素成分、组织不均匀等缺点问题。TC11钛合金元素偏析可能导致锻棒低倍白亮块等缺点，从而影响锻件机能；竦贸煞终贰⒌推龆取⒆橹鹊闹П匾嘁说娜哿豆ひ绽幢Ｕ。工业级真空自耗熔炼是电磁场、流场、温度场等多物理场相互作用的过程，熔炼过程中熔池的状态、深度及温度场、元素成分散布等是影响铸锭质量的关键成分。但在现实出产过程中熔炼的可视化水平低，无法预判，若选取传统的试错法进行钻研则存在出产成本高、周期长的问题。

选取数值仿照技术对真空自耗电弧熔炼过程进行建模与仿照，能够对熔炼过程直观地进行观察，有效预测工艺参数对铸锭质量的影响，极大地削减试验次数，缩短研发周期，降低研发成本，为现实出产提供沉要的领导。近年来，国内表学者多选取数值仿照步骤钻研VAR工艺过程的温度场、电磁场对铸锭的影响6-7。杨治军等8选取数值仿照钻研Ti-1023合金铸锭在分歧参数下的电磁场、温度场和流场散布。KARIMI-SIBAKI等仿照了真空自耗过程中电磁场、温度场的散布及熔池状态的演变。而TC11钛合金熔炼过程中温度场、元素的浓度场散布的仿照钻研及试验验证鲜有报路。

针对上述问题，本文利用宝钢中央钻研院自主开发的特种熔炼专用仿照软件[BMPS-VAR及BMPS-ESR][]，钻研了Φ760 mm规格的TC11钛合金铸锭的真空自耗电弧熔炼过程，索求分歧熔炼阶段、熔池状态和元素成分散布，并结合现实熔炼铸锭验证了有关仿照了局的靠得住性，为现实出产真空自耗熔炼TC11钛合金工业化大型铸锭、造订熔炼工艺提供参考。

1、仿照用数学物理模型

推算选取的TC11钛合金资料的根基物性参数见表1，重要元素的凝固平衡分配系数见表2，VAR过程有关的参数见表3。在仿照过程当选取的熔炼电流随功夫变动的动态参数曲线如图1所示，该曲线专为本次试验而造订，非工业出产用参数。在VAR熔炼过程中熔炼电流的大幼会造成熔池内的流动产生变动，并对温度场产生影响[11-12]。

表1 TC11钛合金物性参数

表2重要元素凝固平衡分配系数K

表3 VAR熔炼过程参数

2、仿照了局分析

2.1分歧熔炼阶段温度场仿照了局

图2为TC11钛合金在VAR过程分歧阶段的温度场散布变动图。图2[a]为t=80min的温度场仿照了局，此时溶解的金属较少，坩埚底部的熔体产生凝固，温度降低。当熔炼进行到160 min时[图2[b]]，铸锭高度增长，熔池顶部高温区温度可达2000℃，在冷却水的作用下坩埚底部温度逐步降低，与 t=80 min时刻相比，此时温度场已产生较为显著的变动。由于熔池中部远离结晶器壁，热量堆集最为显著，故在统一横截面内，中心温度高于边缘。之后的熔炼过程中，液相金属与结晶器壁的接触面积逐步增大，热量通过冷却水带走。图2[c]显示，t=320 min时，大量热量通过坩埚壁消散，凝固过程进入不变状态，铸锭温度降低。t=490min时[图2[d]]，真空自耗熔炼实现，铸锭进入真空冷却阶段，铸锭温度逐步降低。

2.2熔池状态仿照了局

图3显示TC11钛合金VAR过程中液相体积分数散布的推算了局，红色区域暗示液相区，蓝色为凝固区，其中，液相区的状态反映了VAR过程中的熔池状态，结合图2分析可知，熔池描摹随温度场变动，出现动态演变过程。图3[a][t=80 min]为熔池成立期，形成“碗”状的浅熔池。在熔炼功夫为160 min时[图3[b]]，此时通过坩埚散发的热量仍幼于金属液体凝固时开释的热量，热量的堆集使得熔池深度增长到800mm，熔池呈“U”形。由于熔池中部热量堆集最为显著，故在中心轴线方向的深度增长最快，熔池状态由“U”形逐步造成“V”形，如图3[c]所示[t=240min]，熔池最大深度约为1000mm。t=320min时铸锭已进入补缩阶段[图3[d]]，液相区的纵向长度缩短，熔炼电流减幼，熔速也逐步减幼，金属熔池体积逐步收缩，此阶段可能产生缩孔，因而，通过熔炼工艺节造熔池深度显得尤为沉要。当熔池实现热封顶阶段时，铸锭已凝固成型，但仍有少量合金熔池并未齐全凝固。t=490 min时[图3[e]]，铸锭进入冷却阶段，液相区的纵向长度逐步缩短，t=520 min时铸锭液相区隐没[图3[f]]。

2.3元素成分散布仿照了局

图4为真空自耗熔炼φ760mmTC11钛合金 铸锭的元素成分(质量分数)散布仿照了局。其 元素成分散布法规如图中所示，图4(a)显示Al 元素(K=1．070，如表2所示)含量在边部和底部 偏高，纵向中心处较低，呈负偏析法规;Mo元素呈 现一样负偏析法规(图4(b));图4(c)显示O元 素略显负偏析散布，各地位成分质量分数差值较 幼;Fe元素散布(图4(d))与Al元素相反，呈正 偏析法规，在铸锭边部质量分数为0．142%～ 0．148%，纵向中心处为0．160%～0．162%，即在 边部和底部含量低，中心部含量高;Si、Zr元素同 样出现正偏析法规，别离如图4(e)～(f)所示。 各元素在铸锭头部的偏析区状态呈“碗”形，纵向 中心长度约为110mm。用元素在铸锭截面散布 中的最大值与最幼值之差表征元素熔炼的均匀程 度，差值幼则注明熔炼过程对偏析节造较好。元 素差值与该元素的设计成分之比暗示该元素在熔炼中的易节造水平，推算了局如图5所示，Fe和 Si的差值比相对较大，别离为0．203和0．144，为 TC11钛合金中易产生偏析的两种元素。TC11钛合金中Al元素与O元素的偏析易造成拉伸、冲 击时产生脆性断裂［13］，由平衡分配系数及熔炼模 拟了局来看，Al与O元素的偏析偏差性较低。

3、试验验证

凭据VAR数值仿照了局，将铸锭熔炼实现前的熔池深度及偏析元素在铸锭头部集平散布区域作为Φ760mm铸锭切头地位的参考数据，且综合思考铸锭成材率，建议切头深度为110mm。为验证VAR过程仿照了局的靠得住性，选取与熔炼仿照过程中一样的工艺进行直径为760mm的TC11钛合金铸锭的真空自耗电弧冶炼试验，了局发现，铸锭表观质量优良。沿铸锭中心纵向进行切割并观察铸锭内部质量[图6]，由图可知，位于铸锭头部112mm的地位产生缩孔
？杉挡饬司钟敕抡胀扑愕牧司指恢，注明该数值模型可能为TC11钛合金熔炼提供了局预测及理论支持。

4、结论

[1]选取BMPS-VAR仿照软件对TC11钛合金VAR过程分歧阶段的温度场进行仿照。真空自耗熔炼的熔炼电流、电压等参数影响熔池的温度梯度，进而影响金属熔池的状态，熔池状态由初期的“碗”形到中期的“U”形，再到“V”形变动。

[2]通过熔炼仿照能够预测TC11钛合金VAR过程的元素偏析，从成分散布法规来看，Al、Mo、0元素在铸锭边部和底部的含量偏高，纵向中心处较低，出现负偏析法规;Fe、Si、Zr元素在边部和底部含量低，纵向中心处较高，呈正偏析法规。

[3]通过对比仿照与试验验证了局，验证了熔炼仿照的正确性。该真空自耗熔炼仿照技术可在制品锭切头距离预测、锭熔池深度预测、易偏析元素在铸锭中的散布等领域利用，进而为真空自耗熔炼工业级大型铸锭质量提升、工艺参数优化及元素偏析预测提供理论支持。

参考文件

[1]邹武装.钛手册[M].北京:化学工业出版社,2012:358-359.

[2]周适，劳金海.氧、铁、氮等杂质元素对TC11合金等温锻件机能的影响[J].上海钢研，2004[2]:33-36.

[3]赵幼花，李金山，杨治军，等.钛合金真空自耗电弧熔炼过程中温度场的数值仿照[J].特种铸造及有色合金，2010，30[11]:1001-1004.

[4]王晓波.TC11钛合金锻棒低倍白亮块缺点分析与探求[J].特钢技术,2015,21[1]:17-20.

[5]樊凯，吴林财，李好汉，等.钛合金VAR过程中天然对流下的宏观偏析行为仿照[J].罕见金属资料与工程，2020,49[3]:871-877.

[6]魏芳，侯敏，侯继伟，等.钛合金铸造真空自耗电弧炉熔炼参数设置[J].航天造作技术,2014[4]:47-49.

[7]曲敬龙，杨树峰，陈正阳，等.真空自耗冶炼过程数值仿真钻研进展[J].中国冶金,2020,30[1]:1-9.

[8]杨治军，寇宏超，；，等.VAR工艺参数对 Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固行为的影响[J].特种铸造及有色合金，2010,30[4]:295-297.

[9]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.

[10]李青,王资兴,谢树元.电渣沉熔全过程的数学模型开发及过程仿照钻研[J].金属学报,2017,53[4]:494-504.

[11]WARD R M, JACOBS M H. Electrical and magnetic techniques for monitoring arc behaviour during VAR of INCONEL 718: results from different operating conditions.Journal of Materials Science,2004,39:7135-7143.

[12] CHAPELLE P,EL MIR H,BELLOT J P,et al. Modelling of the arc plasma behaviour in the VAR process[J]. Journal of Materials Science,2004,39:7145-7152.

[13]蒲正利，张廷杰.TC11钛合金中氧铝偏析与脆性断裂[J].罕见金属资料与工程，1996[4]:25-29.

（注，原文标题：真空自耗熔炼的数值仿照在TC11钛合金产品中的利用）

有关链接