1、概述

TC2钛合金是一种低强度、高塑性的近α型钛合金，含有4%的α相不变元素Al和1.5%的β相不变元素Mn。该合金在室温平衡状态下由α相和少量β相组成，β相的含量通常为2%～4%[1]。TC2钛合金发源于前苏联研造的O14钛合金，我国于20世纪60年代初期起头研造，后定名为TC2。该合金的(α+β)/β转变温度为(940±20)℃，拥有优良的热不变性、焊接机能及工艺塑性，持久工作温度可达350℃，短时使用温度为750℃，室温抗拉强度≥685MPa。目前宽泛用于造作飞机结构和航空发起机的各类板材冲压成形零件及蒙皮。

合金成分的精确节造是获得机能良好合金的先决前提之一，而合金成分的变动重要在于熔炼过程中易挥发组元的挥发。在高温前提下，熔体中一些重要组成元素在真空前提下的挥发会造成熔炼后合金成吩飓离指定成分领域，对合金的组织机能产生影响[2]。由于TC2合金中含有1.5%的Mn元素，其在真空状态下熔炼时容易挥发，所以TC2合金熔炼时和其他含Mn元素迪胙合金一样，尽量在充氩状态下进行自耗熔炼。若是没有充氩进行真空自耗熔炼，必须把握分歧熔炼次数后Mn的挥发情况，在电极压造时需思考在肯定水平上提高配入点，确保最终铸锭的化学成分不偏离指定的成分领域。

本文重要对TC2一次真空自耗熔炼和二次真空自耗熔炼后Mn元素的挥发损耗进行了钻研和检测分析，分析了局可以为工业化出产TC2的Mn成分配入领域提供较大的参考价值。

2、试验过程

2.1工艺流程

工艺流程为:原资料筹备、配料→压造电极和炉表焊接→一次真空自耗→头尾精整、铸锭表圆部门取样→二次真空自耗→精整、铸锭表圆头尾和头尾横截面取样→化学成分检测分析。

2.2电极压造和焊接

将海绵钛、Al丝和金属Mn依照配入比例进行均匀混合后倒入肯定状态的模具中，用1000t以下的油压机压造成φ40mm的电极棒(质量为1.25kg)，共需压造4支电极，以便后续一次真空自耗造成2支一次锭。压造的电极实物如图1所示。

将上述压造的电极两两焊接后别离进行2组一次真空自耗熔炼，焊接的电极如图2所示，辅助电极为纯钛。

2.3一次真空自耗熔炼

将焊接好的TC2电极在幼型真空自耗炉里进行φ80mm一次锭冶炼，熔炼过程中凭据TC2的资料特点节造电流、电压等关键工艺参数。一次锭的熔炼过程持续10min，而后随炉冷却40～60min后再出炉。一次锭的实物如图3所示，在一次锭的靠中部表圆(如图4所示)进行取样，分析一次锭中Mn元素的挥发水平。

2.4二次真空自耗熔炼

φ120mmTC2二次制品锭是将2支一次锭在炉内焊接后进行真空自耗而成。熔炼电流和电压同样是二次真空自耗工艺的关键节造参数，确保铸锭成吩旖均性和表表质量，TC2二次制品锭的实物如图5所示。

3、了局与分析

3.1φ80mm一次锭中Mn元素的挥发了局

对φ80mm一次锭表圆表表进行部门取样，并对Mn元素进行成分分析，分析步骤选取GB/T4698.21尺度，分析仪器为ICP-AES光谱仪。分析了局批注:Mn的质量分数为2.35%，和配入点2.5%的含量(质量分数)相比，损耗为6%。批注经过一次真空自耗后，TC2中的Mn元素挥发不严沉，与其他合金元素(如Al、V、Mo等)类似，损耗均在正常领域内。

3.2φ120mm二次制品锭中Mn元素的挥发了局

对φ120mm二次制品锭的头尾横截面取样(如图6所示)，进行Mn元素的成分分析，横截面上各部位的Mn元素分析了局如图7所示。

从TC2二次制品铸锭的头尾横截面中Mn元素的成分分析了局来看:经过二次真空自耗后，头部表圆中的Mn元素(均匀质量分数为1.215%)与一次铸锭表圆中的Mn元素(质量分数为2.35%)相比，挥发损耗为48.30%;铸锭从中心到边缘的Mn含量根基上没有变动，比力均匀，而非其他文件所说的铸锭表层的含锰量可高达中心部位的15倍[3]。

尾部表圆Mn元素(均匀质量分数为1.385%)与一次铸锭表圆Mn元素(质量分数为2.35%)相比，挥发损耗在41.06%，铸锭从中心到边缘的Mn含量有降落趋向，从均匀值(1/2半径处的质量分数为1.568%，表圆处的质量分数为1.385%)来看，降落了0.183个百分点。

上述TC2头尾横截面的Mn元素成吩旖均性检测了局批注:在非充氩状态下，经过二次真空自耗熔炼后，Mn元素的挥发比力严沉，这是由于在真空状态下熔炼时，压力远远超过了Mn元素的鼓和蒸气压。TC2钛合金熔体为三元合金系统，组元Ti、Al和Mn的摩尔分数别离为91.8%、6.9%和1.3%。纯组元的鼓和蒸气压能够用式(1)推算[4]:

式中:P0i为纯组元i的鼓和蒸气压，Pa;T为熔体温度，K;A、B、C、D为热力学常数，可在文件[4]中查到，从而能够得出分歧温度下纯组元Ti、Al和Mn的鼓和蒸气压的推算公式，具体见式(2)～(4):

凭据上述推算公式可推算得出分歧温度下纯组元Ti、Al和Mn的鼓和蒸气压，如图8所示。

据文件资料[5]，从热力学来看，当熔体温度T一按时，合金熔体中元素的蒸气压Pi受其摩尔浓度及各元素之间的相互作用影响，挥发程杜纂该元素的鼓和蒸气压P0i有着亲昵的关系，见式(5)。

式中:Pi为合金熔体中组元i的鼓和蒸气压;γi为组元i在合金熔体中的活度系数;xi为组元i的摩尔分数;P0i为纯组元i的鼓和蒸气压。将公式(2)～(4)别离代入公式(5)，可推算得出分歧温度下Ti、Al和Mn三种元素在真空自耗熔炼时的挥发速度，如图9所示。

4、结论

(1)本文中TC2钛合金在非充氩状态时一次真空自耗熔炼后，Mn元素的挥发损耗不大，可节造在6%左右。

(2)本文中TC2钛合金在非充氩状态时进行二次真空自耗熔炼后，Mn元素的挥发损耗较大，达到了40%～50%。在无充氩前提下进行熔炼时需在电极造备阶段思考提高Mn元素的配入比例。

(3)为了提高二次熔炼后TC2钛合金铸锭尾部的Mn元素成吩旖均性，建议增长一次真空自耗熔炼，即制品为三次真空自耗熔炼铸锭。

(4)为削减真空自耗熔炼时的Mn元素挥发损耗，建议二次真空自耗时进行充氩；。

参考文件

[1]《中国航空资料手册》编委会.中国航空资料手册[M].北京:中国尺度出版社，2002:562．

[2]刘贵仲，苏彦庆，郭景杰，等.Ti-13Al-29Nb-2.5Mo合金ISM熔炼过程中多组元挥发损失[J].罕见金属资料与工程，2003，32(2):108－112．

[3]《罕见金属资料加工手册》编写组.罕见金属资料加工手册[M].北京:冶金工业出版社，1984:404．

[4]梁英教，车荫昌.无机热力学数据手册[M].沈阳:东北大学出版社，1993:432－434．

[5]郑亚波，陈战乾，陈峰，等.VAＲ熔炼TC2钛合金[J].中国钛业，2016(2):12－18．