基于數值模擬的TB9鈦合金VAR熔煉工藝優化

引言

TB9鈦合金是一種亞穩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，被廣泛應用于飛機用彈簧和緊固件[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）是應用最多和最成熟的熔煉方法[6?10]。

VAR熔煉的目的是生產致密、無缺陷、成分均勻、具有所要求的化學成分、尺寸和晶粒結構的鑄錠[11?14]。TB9鈦合金VAR熔煉過程中有時會出現化學元素分布不均勻，偏析的現象，從而造成鑄錠后續加工產生內部裂紋等缺陷。因此，需要優化TB9鈦合金VAR熔煉工藝，解決元素偏析嚴重的問題。

將鈦合金VAR熔煉與數值模擬相結合，降低試錯成本，提升研發效率，優化鈦合金熔煉工藝，對提高鈦合金鑄錠質量具有重要意義[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、掉塊等夾雜物的運動及分布規律進行了數值模擬，結果表明，不同相對密度及不同直徑的夾雜物在鑄錠熔煉中運動及分布規律存在明顯差異。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、穩弧電流交變時間等熔煉工藝參數進行模擬。結果表明，適當減少熔煉電流、延長穩弧電流交變時間可使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行了模擬，結果表明，鈦合金原料混料壓塊后化學成分不均勻，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一次熔煉過程進行模擬，考察熔煉電流大小和穩弧類型對熔煉過程的影響。分別采用該廠原工藝和優化后的工藝參數對TB9鈦合金三次VAR熔煉進行全流程模擬，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熔煉工藝制定與優化提供技術指導和理論依據。

1、模擬方法和條件

采用MeltFlow-VAR軟件建模并計算，模型為軸對稱數學模型，運用有限體積法進行模擬，可對電磁、流體、傳熱、凝固及元素偏析現象進行精確而高效地預測，利用其模擬VAR熔煉過程，可以優化工藝、節約試錯時間和成本，獲得高質量鈦合金鑄錠。

通過VAR熔煉制備TB9鈦合金鑄錠，TB9鑄錠所要求的化學成分范圍值和MeltFlow-VAR軟件計算的輸入值如表1所示。

對某廠TB9鈦合金三次熔煉的實際工藝進行數值模擬。對TB9鈦合金第一次熔煉過程中不同熔煉電流及穩弧電流直流/交流進行了模擬計算，如表2所示。同時在最佳的一次熔煉工藝上，使用第二和第三次原工藝進行數值模擬，如表3所示。

TB9鈦合金的物性參數如表4所示。

2、模擬結果與討論

2.1TB9鈦合金原工藝數值模擬

在實際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，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，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，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沒有補縮，冒口大而深，三次錠經過補縮后冒口小而淺；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晶情況，從而影響鑄錠的品質。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量。同時，為得到較好的內部質量，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獲得較好的鑄錠表面及內部質量。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縮階段，第三次熔煉進入補縮階段后，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量TB9鈦合金鑄錠。

2.2TB9鈦合金不同工藝第一次熔煉的數值模擬

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，尋找最優結果，優化原TB9鈦合金鑄錠的VAR熔煉工藝，以期獲得更高質量的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，穩弧電流從直流改為交流更有利于獲得成分均勻的鑄錠，穩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使鑄錠頂部的芯部區域各元素偏析加重，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間的關系；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間的關系。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變為約0.675m。從圖6可知，穩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，希望得到“扁平狀”熔池，即熔池不能太深，圖5和圖6表明，穩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熔煉三次，上述計算結果表明工藝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行模擬，模擬結果與第一、二和三次熔煉都使用原工藝的模擬結果進行比較，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%的區域減少，3.79%的區域增加，Cr元素芯部含量為6.37%和6.27%的區域均減少，6.16%和6.06%的區域均增加，Mo元素芯部含量為3.84%的區域減少，3.93%的區域增加，O元素芯部含量為0.088%的區域減少，0.0889%的區域增加，V元素芯部含量為8.04%的區域減少，8.02%的區域增加，Zr元素芯部含量為4.07%的區域減少，4.04%的區域增加；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%區域均增大。

上述計算結果表明，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，當熔池較深時，熔池內強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全流程熔煉進行了模擬，考察了熔煉電流大小和穩弧類型對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化后的工藝參數對最終TB9鈦合金鑄錠的影響。得出以下結論：

1）TB9鈦合金鑄錠經過三次VAR熔煉后鑄錠化學成分均勻且達標。

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

[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TB9鈦合金高溫壓縮行為數值模型研究 [J]. 鑄造技術, 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鈦合金屈服強度的應變率效應 [J]. 科學技術與工程, 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 [J]. 中國有色金屬學報, 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, 毛協民, 等. 低能耗節約型鈦及鈦合金熔煉技術的發展趨勢 [J]. 材料導報, 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]. 鈦工業進展, 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值模擬分析 [J]. 鑄造技術, 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]. 鈦工業進展, 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]. 金屬學報, 2023. DOI:10.11900/0412.1961.2022.00544）