目前,隨著鈦工業(yè)的技術進步,鈦的自耗電弧爐熔煉實現(xiàn)了大型化。全世界大多數熔煉鈦錠生產已達到5~10t/爐的水平。大型化鈦錠生產的實現(xiàn),極大地提高了產品生產率,同時也有利于提高產品質量。但是大型化生產也是一把雙刃劍,它也提高了生產的風險性。因為某爐一旦出現(xiàn)失誤,一只鈦錠報廢就可以造成巨大的經濟損失。因此,必須要提高操作者的產品質量控制意識,也要提高干部的管理水平。
鈦錠質量管理,特別是應用于航空工業(yè)的鈦合金錠的質量管理具有特別重要的意義。保證生產優(yōu)質的鈦合金錠,不僅具有良好的經濟意義,而且是保證飛機安全飛行的前提。
鈦錠分為兩類,一類是普通級鈦錠,俗稱冶金級鈦錠,主要應用于化工類等多種民用設備和產品中;另一類是優(yōu)質鈦錠,主要是優(yōu)質鈦合金錠,俗稱航空級鈦錠,主要應用于航空航天領域。
出于對安全的苛求,航空級鈦錠必須使用優(yōu)質海綿鈦為原料,決不允許使用返回料-鈦屑為原料。
鈦的熔煉過程是在高溫真空狀態(tài)下使多孔狀海綿鈦變成全致密狀的鈦錠,它的整體過程是一個物理變化過程,也是一個鈦的狀態(tài)變化過程。由于鈦是高熔點金屬,當它變?yōu)槿旅荏w時,要使它整體完全致密,工藝上也會遇到種種困難,這也需要不斷地在實踐中逐漸積累經驗。
鈦的熔煉過程是一個定向凝固過程,也是一個順序凝固過程,它在宏觀上是固體料錠順序逐次熔化→鈦液滴入熔池→從熔池逐次又不斷凝固出新的全致密狀的鈦錠的過程。
實踐表明,為了防止在一次熔煉過程中鈦錠不易實現(xiàn)全致密化,常進行兩次(及三次)重熔工藝。
1 鈦錠質量的評價條件
評價鈦錠質量的優(yōu)劣大概可按下列條件評定:
(1)鈦錠的微觀結晶態(tài)應有利于鈦錠開坯鍛造。正如圖1-15所示,鈦錠在凝固過程形成的晶粒狀態(tài),由三個不同的晶粒態(tài)區(qū)構成,最外表為一層極細的不規(guī)則等軸晶粒;臨近的第二區(qū)為晶粒細長而垂直于坩堝壁的柱狀晶;內部區(qū)為排列不規(guī)則而遠比外表晶粒大的等軸晶粒。
當鈦錠精車去表皮后的精錠,自然去除外表的等軸晶粒,該錠最外表即為柱狀晶粒區(qū)。
在自耗熔煉過程中,鈦錠柱狀晶生長方向隨順序凝固過程的進行逐步發(fā)生變化。初期凝固主要是從底部開始,隨鑄錠增長,底部冷卻逐漸向上部延伸,當達到一定長度時則邊緣冷卻占主導地位,柱狀晶逐漸改變方向;與徑向的夾角越來越小。鑄錠進一步增長到一定值時,則柱狀晶幾乎與徑向平行。這種結晶組織對開坯鍛造是不利的。希望能改善這種不利的組織結構,但尚無良策。
(2)鈦錠內部微觀結構無缺陷。鈦錠缺陷包括裂紋、孔洞;也包括內部有夾雜。夾雜分為兩類,一類是高熔點金屬,如W、Mo、Ta、Nb等金屬夾雜,或者高熔點化合物,如WC等的夾雜;另一類
是低熔點夾雜,常見的是TiO和TiN夾雜。鈦錠內部應既無裂紋和孔洞,也無夾雜,其結構屬于全致密一致時,鈦錠是優(yōu)質的。
(3)鈦錠微觀結構成分均勻。鈦錠微觀結構成分均勻,對于純鈦錠而言,是指鈦錠整體各類雜質是均布的;對于鈦合金錠而言,主要是指鈦錠整體各類合金元素分布均勻,沒有偏析。由于鈦錠整體成分均勻,自然各處微觀結構相同,產品的力學性能相近。
(4)錠冠要小。錠冠是熔煉過程中產生縮孔自然形成的。錠冠大的話會降低鈦錠的金屬利用率,浪費產品。因此,要使錠冠減小,工藝上常采用合理補縮措施達到錠冠小的目的。
2 優(yōu)質鈦合金(航空級)鑄錠
隨著鈦及鈦合金在國民經濟中應用的日益廣泛,鈦鍛件的大型化、整體化、高純度、高可靠性和長壽命是一個重要的發(fā)展方向。
例如,當前第四代戰(zhàn)斗機F22的四個大整體框都是Ti-6Al-4V ELI鍛件,投影面積為4.06~5.68㎡,鍛件質量分別為1895kg、2484kg、2763kg和2972kg;波音747飛機的梁采用Ti-6Al-4V合金鍛件,長為6.2m,投影面積為4㎡,鍛件質量為1293kg;波音777飛機的主起落架載重梁采用Ti-1023合金,鍛件質量1440kg,投影面積1.23㎡.這些都是目前正在服役的最大鈦合金鍛件,一個鑄錠可能只能制造兩件到三件這樣的鍛件,同時這些關鍵部件的使用壽命不僅是幾千個小時,而是6萬~9萬小時(民機),因而隨著鈦合金錠的大型化,同時要求更高的冶金質量。除了尋找更先進的熔煉方法、質量檢驗的方法,對真空自耗熔煉(VAR)過程的質量管理也更嚴格,提出了優(yōu)質鈦合金錠的要求,提出了優(yōu)質鈦合金錠的批量與質量控制要求,制訂了專門的優(yōu)質鈦合金的批量和質量控制宇航標準,基本包括了適用對象、級別分類、原料管理、熔煉工藝的控制等。
優(yōu)質鈦合金錠適用對象為專用于關鍵的、承受高應力的鈦合金零件。這些鈦合金產品需要經過使用單位的批準,以確保不同生產批次的產品采用相同的主導工藝和生產程序進行,并且與最初鑒定合格的產品具有相同的質量。
根據合金所采用的熔煉過程不同,優(yōu)質鈦合金錠分為四級,即:
(1)一級合金,采用兩次真空自耗電極電弧熔煉(VARx2);
(2)二級合金,采用三次真空自耗電極電弧熔煉(VARx3);
(3)三級合金,電子束冷床爐熔煉加一次真空自耗電極電弧熔煉(EBCBCH+VAR)
(4)四級合金,等離子體冷床爐熔煉加一次真空自耗電極電弧熔煉(PACH+VAR).
原材料管理:海綿鈦的選用質量級別是經過鑒定確定的。海綿鈦經過嚴格的目視檢驗,不應含有產生高密度或低密度夾雜的污染物。
中間合金及合金元素:應采購經認可的中間合金及合金元素生產商的產品。中間合金化合金元素不應有氧化物、氮化物和其他有害的外來物,包括會產生高密度或低密度夾雜的物質。
熔煉技術:四級合金的熔煉每次操作過程按專門的控制文件進行,參數都應連續(xù)地監(jiān)控和記錄。
電極的焊接不允許采用鎢極氬弧焊,以避免污染鑄錠。
底部的添加料應與熔煉材料名義成分相同。
第一次熔煉:對于自耗熔煉、電子束熔煉和等離子體熔煉的熔煉穩(wěn)定壓力(真空度)及偶爾的峰值應按專門的技術條件規(guī)定控制,不允許真空度低于規(guī)定的極限范圍,不允許漏氣及任何滲水現(xiàn)象,最后一次熔煉不允許有超過30s以上的斷弧現(xiàn)象。如果在熱補縮工序中有一項或更多的規(guī)定被超越,則鑄錠的相應段不能使用。鑄錠應予以報廢(切除)。
為了獲得優(yōu)質鈦合金鑄錠,達到成分均勻的目的,熔煉鑄錠的電流密度是至關重要的。國內外的成功經驗表明,對于合金元素復雜或容易形成偏析的合金,如Ti-17(TC17)或Ti-1023(TB6)合金等,縮小鑄錠直徑(≤750mm)和減小熔煉電流密度(及降低熔化速度5~6kg/min,而不是8~10kg/min)是首選的和不再有爭議的經驗。
億沐鑫新材料產品分類:鈦棒、鈦管、鈦板、鈦陽極、鈦箔鈦帶、鈦法蘭、鈦絲、鈦靶材、鈦設備、鈦餅鈦環(huán)、鈦標準件、鈦加工件
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