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TC17钛合金中的偏析现象研究
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-05-08
TC17合金是一种综合性能优良的近β型合金，该合金不但具有较高的强度、断裂韧性、热稳定性及疲劳性能，而且淬透性高、热加工性能好。
钛合金作为一种重要的结构材料，因其综合性能（比强度、抗腐蚀性、热强性）优异，被广泛地应用于航空航天领域。TC17合金是一种综合性能优良的近β型合金，该合金不但具有较高的强度、断裂韧性、热稳定性及疲劳性能，而且淬透性高、热加工性能好。自20世纪70年代以来，该合金以优异的性能逐渐进入航空制造领域，并作为压气机盘等锻件的材料在较高推力的发动机上使用。由于该合金中添加了大量的合金元素，熔炼过程如控制不当，极易产生偏析。因此有必要对其中偏析的形貌、合金元素的富集状况及分布规律进行研究，以便针对性地优化目前的熔炼工艺，为生产优质的TC17钛合金奠定理论基础。
试验所用TC17铸锭由西部钛业有限责任公司生产，铸锭直径为Φ620㎜，经3次真空自耗熔炼而成，对该铸锭上、中、下3点圆周进行取样分析，其化学成分符合G/BT3620.1-2007标准要求。
用金相法测得该铸锭的相变点为875℃～880℃。铸锭经扒皮、切除冒口及锭底后转入锻造工序。用2500t压机对铸锭进行β单相区开坯、近β区拔长、滚圆。用SX-16精锻机在α+β两相区将滚圆坯料精锻至Φ60㎜，最终采用250轧机在相变点以下40℃～50℃轧制分别制得Φ32㎜和Φ17㎜两种规格的棒材，并机加成Φ30㎜和Φ15㎜的成品棒材。对成品棒材进行低倍组织检验，对低倍存在问题的部分制备高倍试样，在金相显微镜下进行试样金相组织观察，利用能谱对异样部位进行分析。
试验发现，两种规格TC17钛合金棒材低倍观察到的亮斑在高倍下呈现为β斑；β斑的形成原因是Cr元素存在偏析现象造成的，Cr元素在偏析区域的含量明显高于基体，从而导致偏析区域相变点低于基体；偏析主要集中在铸锭的中心及头部。
根据钛合金相图和合金的凝固理论，在正常的凝固条件下，偏析系数K≥1的合金元素不容易出现偏析，除非熔炼过程中合金元素和中间合金未能充分均匀化；K＜1的合金元素，即使熔融状态下合金是均匀的，但在凝固过程中同一温度下固相成分和液相成分仍存在差别，液相中元素含量总是高于固相，导致容易在铸锭中心和头部产生偏析。另外，偏析的元素及偏析程度决定了偏析区的实际β相变温度。在Cr的质量分数为0%～7%范围内，Cr的质量分数每增加1%，其相变点降低26℃。因此，当锻件在热加工或随后的热处理过程中，加热温度接近相变点时，就可能造成偏析区域超过了相变点，出现β斑。
因此，试验中两种规格棒材中心区域出现β斑（亮斑）与熔炼及后续热加工温度有关。为了提高铸锭的均匀性，比较有效的办法是降低熔化电流、减缓熔炼速度、使熔池深度减小呈扁平状以缩小等轴晶区域，同时铸锭不宜过大，因为直径越大等轴晶区也越大。为了避免出现β斑，合金最大直径不宜超过720㎜；在热加工和热处理时应该严格限制加热的上限，减少变形热效应，以使偏析区域缺乏产生β斑的必要条件，从而降低危害。
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