铸锭扩径对TC4 锻坯成分的均匀性及波动性的影响

2023-09-21孙梦桐蒲超博郭金榜强刚刚赵晓鹏

有色金属材料与工程 2023年4期

孙梦桐，蒲超博，郭金榜，强刚刚，赵晓鹏

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

铸锭的扩径或大型化始终绕不开 “均质化”问题[1-2]，锭型直径的增大势必会影响后续锻造、轧制、拉拔、挤压等加工产品的成分、组织、性能的均匀性及稳定性，因此对于大锭型的相关研究较多[3-6]。刘丽等[7]探讨了TC4-0.15B 钛合金铸锭的主要化学成分的不均匀性由Al、Ti、V 依次递增；张娜等[8]发现大规格TC4 铸锭成分沿横截面的波动性较小。随着成品板材规格的增大，对应锻坯及铸锭的单重级别也提高，相应与之配套的制备工艺、设备能力、及技术难题均呈指数关系激增。因此，对大规格、高级别铸锭的组织及成分的均匀性的研究是非常有必要的。杜玉俊等[9]通过优化熔炼工艺可生产出12t 级超大规格Ti80 铸锭，其对应的主元素成分极差可达3 000 μg/g，成分的均匀性接近于5t 级别的铸锭；史莹莹等[10]以扩径1 050 mm 的TA15铸锭为研究对象，沿其长度方向进行13 点成分测量。

以往关于铸锭扩径后成分均质化研究的工作重点是放在铸锭上，即在大规格圆柱状铸锭上采用横截面13 点测量的方法加以验证成分的均匀性和稳定性[10]。实际上若生产诸如棒材、管材、环材、丝材等柱状类加工产品，该研究工作确实具有很好的指导意义。但对板材来说，受板坯规格及轧机特性的影响，相较于对大规格铸锭采用横截面的13 点成分测量法，对其锻坯的成分均匀性研究反而对板材的轧制及其性能控制更具有参考价值。

TC4 属于α+β 两相合金，其化学成分主要包括：Al、V、Fe、O、N 等。为扩大TC4 产能而设计铸锭大型化，以期能够增加设备生产能力、提高产能。考虑到铸锭尺寸的变化势必会影响后续加工工艺中合金成分的均匀性和稳定性情况，所以扩径铸锭不能只考虑最大截面厚度方向上的变化过程，而应综合考虑铸锭扩径后对应锻坯沿其长度方向（头部-上部-中部-下部-底部）及宽度方向（边部（左）-W/4-中心-W/4-边部（右））的整个成分变化特征及趋势（注：为保证后续作图的一致性，以下将“边部（左）”简称为“边左”，“边部（右）”简称为“边右”；锻坯宽度用W 表示，在1/4 及3/4 处的宽度位置用W/4 表示）。

1 实验工艺

以宝钛集团生产的TC4 钛合金作为研究对象。按照实验要求，选择5 个批次的扩径铸锭（编号分别为A#、B#、C#、D#、E#），其对应在头部及底部的化学成分见表1 所示。TC4 钛合金中Al、V、Fe、O、N 的预期目标值依次为6.00%～6.70%、3.80%～4.50%、0.13%～0.23%、0.15%～0.20%、≤0.03%。在5 个扩径铸锭锻造后的锻坯上，分别检测不同位置及不同方向的成分，通过交叉对比其分布均匀性及波动性，明确影响成分分布的主次关系，从而完成TC4 扩径铸锭锻造后的锻坯化学成分均匀性及波动性研究。

表1 铸锭化学成分及预期目标要求（质量分数/%）Tab.1 Chemical composition and expected target requirements of cast ingot （mass fraction/%）

1.1 实验设计

根据工艺实验要求，为方便后续交叉比较和分析，以TC4 扩径铸锭锻造后的位置形态（未下料）为基准，明确锻坯长度方向（L）、厚度方向（ST）、宽度方向（T），以此构成空间三维坐标系，详细见图1。

图1 取样示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling

5 个批次TC4 扩径铸锭经锻造、刨铣后，沿锻坯长度方向（L），分别在：头部、上部、中部、下部、底部，锯切规格大致为20 mm×250 mm×950 mm 片样（见图1b 中的加粗黑色大方框），后在各个片样上沿宽度方向（T），分别在：边左、W/4、中心、W/4、边右，切取试样（见图1c 中的加粗黑色小方框）以进行化学成分分析。

1.2 实验过程

相应批次的扩径铸锭经锻造、刨铣后，利用水切割在对应位置处取片样。根据化学成分的检测条件要求：TC4 中待检成分是金属类元素（Al、V、Fe）的，需在刨床上切取屑样；TC4 中待检成分是非金属类元素（O、N）的，需在剪床上切取块样。按照锻坯片样批次顺序及位置，用GB/T 4698 标准进行化学成分（Al、V、Fe、O、N）检测（注：元素Ti 为TC4 的金属基体元素，在合金成分中往往以“余量”报出，所以此处不对其展开分析探究）。

2 实验结果

TC4 的主要化学成分除Ti 外还有：Al、V、Fe、O、N。分别绘制除Ti 外的元素在不同位置沿不同方向处的成分曲线图（注：元素N 检测出质量分数几乎均≤0.01%，均符合预期目标，未绘制曲线图）。

2.1 铸锭扩径对锻坯中Al 分布均匀性的影响

TC4 中的Al 属于α 稳定化元素，具有显著的固溶强化作用。当钛合金中Al 的质量分数在7.00%以下时，相应钛合金强度与Al 质量分数成正比关系，且塑性无明显降低。

绘制5 个批次的锻坯沿宽度方向及长度方向的Al 质量分数分布趋势图，详见图2。观察图2 发现：（a）5 个批次的锻坯对应Al 质量分数整体分布在6.00%～6.50%，完全符合该元素的预期目标；（b）对比Al 分布均匀程度及波动趋势发现，沿锻坯宽度方向的要比沿锻坯长度方向的好。

图2 Al 成分分布图Fig.2 The distribution of Al

2.2 铸锭扩径对锻坯中V 分布均匀性的影响

TC4 中的V 是β 同晶型元素，同样具有显著的固溶强化作用，在提高钛合金强度的同时，能保持良好的塑性。

绘制5 个批次的锻坯沿宽度方向及长度方向的V 质量分数分布趋势图，详见图3。观察图3 发现：（a）5 个批次的锻坯对应V 质量分数整体分布在3.95%～4.25%，完全符合该元素的预期目标；（b）沿锻坯宽度方向及长度方向的V 分布均匀程度都远不如Al 的均匀、稳定，尤其是沿锻坯长度方向的V 质量分数波动幅度较大。

2.3 铸锭扩径对锻坯中Fe 分布均匀性的影响

TC4 中的Fe 稳定β 相的能力强，但易与Ti 发生慢共析反应，造成高温条件下组织不稳定、蠕变抗力低等，因此需要同时添加β 同晶型元素来抑制该反应（例如V）。

绘制5 个批次的锻坯沿宽度方向及长度方向的Fe 质量分数分布趋势图，详见图4。观察图4 发现：（a）5 个批次的锻坯对应Fe 质量分数整体分布在0.15%～0.23%，完全符合该元素的预期目标；（b）除批次E#外，沿锻坯宽度方向及长度方向的Fe 分布均匀程度明显优于Al 的（尤其是批次A#及C#）；（c）不同于Al 及V 的分布整体位于预期目标的中上部，Fe（除E#）的分布则整体位于预期目标的中下部[11]。

图4 Fe 成分分布图Fig.4 The distribution of Fe

2.4 铸锭扩径对锻坯中O 分布均匀性的影响

TC4 中的O 属于间隙型杂质元素，容易使钛合金的晶格发生畸变，阻碍位错运动，导致其强度提高、塑性降低。

绘制5 个批次的锻坯沿宽度方向及长度方向的O 质量分数分布趋势图，详见图5。观察发现：（a）5 个批次的锻坯对应O 整体分布在0.16%～0.22%，不完全符合该元素的预期目标，其中批次A#及B#的锻坯在部分位置处的O 超过或略持平于预期目标上限；（b）沿锻坯宽度方向及长度方向的O 分布均匀程度介于Al、V 分布均匀程度之间。对照相应编号的铸锭在头、尾的成分（表1）发现，批次A#及B#在锻坯头部对应的O 质量分数已高达0.19%，几乎持平预期目标的上限（0.20%）。考虑到人员、设备、材料、工艺等方面的容错率，批次A#及B#中O 在头部质量分数超标不完全是取样、送样、检测等原因所致，还与其熔铸、锻造时的成分控制密切相关[12-14]。

图5 O 成分分布图Fig.5 The distribution of O

综上所述，5 个批次的Al、V、Fe 这3 个元素均完全符合对应元素的预期目标，且大都居于预期目标的中部。沿锻坯宽度方向及长度方向，4 种元素的成分分布均匀程度按照Fe、Al、O、V 的顺序依次递减。O 的分布则出现以批次A#及B#为例在锻坯头部超过预期目标上限的情况。

3 分析与讨论

已有多位学者通过数值模拟论证了扩径后柱状类铸锭在其动态凝固过程中，不同元素沿径向和轴向的分布状态及运动趋势的差异性。参考其分析与相关结论，对扩径铸锭TC4 锻坯的主要成分分布状况进行更深一层的分析讨论。

3.1 锻坯的成分分布均匀性

对比图2～图5 发现：沿锻坯宽度方向的成分分布均匀性要好于沿长度方向的。其中，沿锻坯长度方向（头部→底部），在同一部位所在截面上的不同位置（边左→边右）的成分偏差较小；而沿锻坯宽度方向（边左→边右），在同一位置处所在截面上的不同部位（头部→底部）的成分偏差略大。前者对应的锻坯截面实际为前期扩径铸锭的径向所在面，而后者对应的锻坯截面实际为平行于前期扩径铸锭轴向的所在面。

3.1.1 铸锭成分分布状态的遗传性

柱状类铸锭与其锻造后的方形锻坯在空间指向上存在一定位向关系：铸锭的轴向与锻坯的长度方向逐一对应，而铸锭的径向则与锻坯的宽度方向逐一对应。铸锭的成分分布特征会遗传至锻坯上，所以后期锻坯成分的分布均匀性直接受前期铸锭凝固时的成分状态影响。

钛合金凝固时，铸锭不同部位（头部、中部、底部）的冷却条件、熔池形状和深度都存在一定差异。在铸锭头部和底部处对应的熔池较浅且元素滞留时间短，所以其成分均匀性主要取决于合金元素的初始分布状态。而在铸锭中部处则属于稳定熔炼阶段，此处的熔池深度适宜，稳弧电流产生的磁场搅拌可促使元素均匀分布。所以处于铸锭中部的成分均匀性要优于其头部和底部[10,15]。

TC4 扩径铸锭中Al、V、Fe 为金属元素，其分配系数均小于1，对应在铸锭凝固过程中均呈现出正偏析倾向。铸锭的边部冷却强度较大，其结晶方向基本指向铸锭中心，而具有正偏析倾向的元素会在树枝状晶间不断富集，再加上其分配系数偏离1 较远，所以3 种合金元素会大量富集在铸锭头部和心部[15]。

虽然在熔铸过程中，采取了大量减缓合金元素偏析的措施（增加熔炼次数、控制粒度大小、以合金形式加入、优化工艺参数），但是其偏析倾向不可能完全消除掉。再加上随着铸锭扩径，不同元素的成分均匀性控制难度增加，易偏析元素的偏析风险进一步增大。这就导致合金元素沿铸锭轴向的化学成分均匀性总是略低于沿径向，而这种偏差会遗传至与铸锭存在一定位向对应关系的锻坯上（宽度方向的优于长度方向的）。

3.1.2 铸锭成分的运动状态

钛合金自下而上的凝固方式，导致合金元素会在铸锭不同部位进行有规律的排布，从而产生分凝效应（元素偏析）[15]。而这种效应带来的便是不同颗粒的运动状态存在差异。受扩散距离长短的影响，熔铸时同一质点沿径向的运动幅度易于沿轴向的。此外，沿轴向运动还需考虑不同质点的下降速率。颗粒在熔炼过程中的下沉速率遵循公式：

式中：g为重力加速度；ρ1为颗粒密度（ρ1-Al为2.7 g·cm−3，ρ1-（Al-V）为4.2～4.5 g·cm−3，ρ1-Fe为7.8 g·cm−3），ρ2为液态密度；μ为粘滞系数，r为颗粒半径[15]。在熔炼过程中颗粒半径越大，对应其下沉速度加快，偏析越容易形成。因此导致沿径向的元素偏析和富集几率远不及沿轴向。

受合金元素偏析及其运动状态差异的影响，导致TC4 扩径铸锭中的合金元素沿轴向的分布均匀性不及沿径向的。再加上铸锭和锻坯存在一定的位向关系，使得铸锭的元素分布规律进而遗传至锻造后的锻坯上，使其呈现出“沿长度方向的均匀性要劣于沿宽度方向”的特征。

杂质O 的分布及含量略微压目标范围上限。考虑是因为表1 中铸锭O 的质量分数本身已居目标范围上层，再加上取样、检测的差异及生产过程中的波动，可能会引起一定程度的增氧。

3.2 锻坯的成分分布波动性

根据上述分析，可以得到扩径TC4 锻坯沿长度方向及宽度方向上的主要元素分布趋势图。为更好地讨论主要元素的稳定程度，通过方差[16]计算获得沿上述两个方向对应主要元素的波动比，详见图6。

图6 元素分布的波动性Fig.6 The volatility of the element distribution

对比发现：（1）4 种元素的波动比按照Al、V、Fe、O 的顺序递减，前两者的波动率在同一数量级（10−2）且远大于后两者的（10−4）；（2）4 种元素沿宽度方向的波动比略小于沿长度方向的，即扩径TC4 锻坯的主要成分从边部（左）至边（右）的稳定性是略优于从头部至底部的；（3）结合上述分析及批次A#～E#铸锭的实际头、尾成分测量值发现：不论是从宽度方向还是长度方向，O 的波动率都是最小的。

合金组元多元化与铸锭规格扩大会加剧铸锭的非均质性（成分和组织），为此铸锭需要经过锻造和热加工以改善其状况。在扩径后的大规格TC4 铸锭中，O 属于间隙元素，由于其扩散系数较大，在后续锻造和热加工过程中可改善其非均质性，从而减缓成分分布的波动性；但Al、V、Fe 均为置换元素，其在锻造过程中呈现出与间隙元素相反的特征，导致沿锻坯长度方向及宽度方向上3 种元素的波动性都要比O 元素大。Al 属于α 稳定元素，V 属于β 同晶元素，Fe 属于慢速分解的β 共析元素，因合金化的作用程度由强及弱而导致3 种元素的波动性呈现出按照Al、V、Fe 递减的变化规律[1]。

综上所述，TC4 铸锭扩径后，分别沿锻坯宽度方向及长度方向对比分析了其主要元素分布的均匀性和波动性，验证了其主要元素的占比几乎都完全符合相应成分的预期目标，从而表明TC4 铸锭的扩径（大锭型）对于其成分的影响较小，即锻坯成分的均匀性较好，波动性较小。但是关于O 在铸锭头、底部的成分把控度还是必须要关注和调整的。

此次研究工作的目的主要是为后续板材轧制提供成分均质化程度高的板坯，从而保证成品板材的组织及性能符合相关标准要求。单从铸锭横截面的13 点成分分布趋势上很难完整推断出后续锻坯的成分分布情况，为此对锻坯的成分分布研究便尤为重要。而本实验主要研究了扩径铸锭在完成锻造后，对应锻坯的成分分布情况。这项工作弥补了对铸锭扩径后的TC4 锻坯成分分布研究的空白，为更好地控制板材的组织及性能奠定了有力的数据支撑。此外，也向扩径铸锭生产类似于方形截面的板材、箔材、带材等加工产品提供了一种有效的成分分析方法。