钛及钛合金拥有高比强度、、、优良耐蚀性及优良的生物相容性，，现已成为航空航天、、、船舶及医疗等领域必不成少的资料，，而Ti-6Al-4V作为α+β双相钛合金的典型代表，，以宽泛的利用占据总用钛量的50%以上[1,2]。

铸锭的化学成分均匀性是决定钛合金产品最终机能与服役靠得住性的关键成分之一[3]。同时，，真空自耗电弧熔炼(vacuum arc remelting，，VAR)是制备高品质钛合金铸锭的主题伎俩[4]。为实现成分均匀，，对于由海绵钛和中央合金等原料压抑而成的电极块来说，，其质量节制便成为影响铸锭成分均匀性的首要环节。电极块内部合金元素与海绵钛的混合均匀水平，，对铸锭的成分散布均会产生肯定影响[5-7]。然而，，在现实出产中，，由于原料间存在粒度、、、密度和状态等物性差距，，混料过程极易引发颗粒分离景象，，导致电极块内部合金散布不均[8]。若这种不均匀性的尺度超出熔炼过程熔池对流与搅拌的均匀化能力，，则会遗传到铸锭中，，形成难以解除的宏观偏析缺点[9]。近年来，，针对电极块混料工艺的钻研多集中于原资料成分差距的影响与熔炼工艺参数钻研，，例如于继洋等[10]钻研了V55Al中央合金成分极差对TC4铸锭均匀性的影响，，发现中央合金成分颠簸会导致铸锭V元素偏析度提升0.2%;靖振权等[11]钻研了与铸锭直接有关的3个工艺参数(熔速、、、铸锭上理论温度和冷却强度)对铸锭宏观偏析的影响法规。对于电极块混料对宏观成分均匀性遗传性的影响尚不足系统性钻研。本文初次提出通过两次混料分批次投料的工艺战术,旨在突破因“巴西果效应”引发的大尺度合金散布不均的结构,从而提升铸锭整体成分均匀性。

本文以宽泛利用的 Ti-6Al-4V合金为钻研对象,以提升 Ti-6Al-4V合金铸锭成分均匀性,同时解决 Ti-6Al-4V合金铸锭中出现的底部 Al元素贫化问题为指标,重点探索电极块混料重量和混料次数对电极块合金散布以及铸锭最终成分均匀性的影响法规。结合尝试钻研、、、数值仿照与工业化验证,明确优化工艺窗口,为高品质钛合金铸锭的不变制备提供科学基础。

1、、、尝试资料与步骤

本钻研选用优质 0级海绵钛、、、钒铝中央合金(V-Al)、、、铝豆(Al)作为重要原料,所有原料均切合航空级Ti-6Al-4V合金的化学成分尺度。选取德国进口的 OAS自动称重及混料设备,制备圆形电极块。

设置分歧混料重量(W1: 100 kg; W2: 150 kg; W3: 200 kg)进行对比,每次混料功夫固定为 3 min,并设计混料尝试模腔,对混料器混合后原猜中合金占比进行分层筛分、、、统计,从而对比电极块中合金的散布法规和均匀性。

而后结合数值仿照和尝试,发展分歧混料次数影响钻研,即设置一次混料与两次混料两种方式进行对比。一次混料是将所有原料一次性投入混料机,混合预按功夫后,一次性投入油压机模腔内进行压抑;两次混料是将总原料等分为两份。先将第一份原料混合一样功夫后投入模腔,再将第二份原料混合一样功夫后投入已装有第一批物料的模腔中,最后统一进行压抑。

分歧混料次数影响具体钻研过程为:(1)选取 MeltFlow-VAR软件？？榻惺捣抡。将一次混料和两次混料规划下分歧电极块成分散布,作为仿照的初始前提输入,而后进行熔炼工艺数值仿照,获得制品铸锭的成分散布法规 [8,12?19]。(2)别离选取两种混料方式压抑圆形电极块,对其进行纵剖,观察两种混料方式下合金现实散布特点。(3)最后,在 VAR熔炼车间进行了 5 t级铸锭全流程验证试验,别离选取一次混料和两次混料方式制备电极块,并实现焊接和熔炼,得到制品铸锭,并在铸锭头部、、、中部和尾部门别切取试样片进行成分均匀性分析评价。

2、、、尝试了局及会商

2.1混料重量对电极块中合金散布的影响

选取混合均匀度 M评价电极块中合金散布的均匀性,混合均匀度 M推算方式为:

式中, M代表混合均匀度; A%代表抽样中合金 A占抽样重量的百分比; L代表梦想均匀状态时合金 A组分所占百分比；；旌暇榷 M值越小,代表合金 A在电极块中纵向散布离散水平越小,即散布均匀性越好;反之越差。为便于理解,图 1给出了电极块分层抽样示意图:将电极块沿高度方向均匀分为四层,自上而下别离象征为 L1、、、L2、、、L3、、、L4,每层厚度相称。同时,选取%V-Al暗示 V-Al合金在每一抽样层中的占比,用于量化V-Al合金的散布特点。

对分歧混料重量(W1:100kg;W2:150kg;W3:200kg)下混合均匀度进行分析，，能够看出:(1)对于V-Al合金来说，，如图2所示，，三种混料重量下，，大部门V-Al合金均沉积于电极块的下半部门(即L3和L4地位)。并且从分歧地位合金占比来看，，100和150kg混料重量下，，其%V-Al(L1:L2:L3:L4)别离为1:7:11:12和1:5:11:10，，两者散布法规相近;但200kg混料重量下，，%V-Al(L1:L2:L3:L4)为1:3:26:25。这注明100~150kg混料重量级别下，，电极块中合金纵向散布变动随混料重量的变动不甚敏感，，但当增至200kg级别混料重量时，，V-Al合金在电极块中沉积的水平将显著增长。(2)对于Al豆来说，，如图3所示，，三种混料重量下，，大部门Al豆均处于电极块的中部地位(即L2和L3地位)。从分歧地位Al豆占比来看，，100kg混料重量下，，%Al(L1:L2:L3:L4)为1:1.3:1.1:0.8，，而150和200kg混料重量下，，%Al(L1:L2:L3:L4)别离为1:1.2:1.5:1.5和1:1.2:1.5:1.2，，这注明固然由于Al豆颗粒尺寸相比V-Al合金较大，，其在电极块中的沉积效应不如V-Al合金显著，，但当混料重量从100kg逐步增长至150~200kg时，，其散布特点也出现出从电极块中上部往中下部偏移的趋向。

上述景象可由颗粒系统的“巴西果效应”及其逆向道理诠释[20,21]。通常来说，，V-Al合金粒度领域在1~10mm，，Al豆粒度领域在8~13mm，，而海绵钛的粒度领域通常在0.83~25.4mm，，在混料过程中，，粒度较小的V-Al合金和Al豆偏差于通过海绵钛颗粒间的间隙向底部迁徙，，而粒度较大的海绵钛颗粒则上浮或移向外侧；；炝现亓吭酱，，物料堆的高度越高，，小颗粒沉降的驱动力和最终沉降深度也越大，，从而导致更严重的纵向偏析。

2.2分歧混料次数下电极块纵剖验证与分析

为了观察两种混料次数下V-Al合金和Al豆现实散布特点，，别离选取一次混料、、、两次混料的方式制备150 kg电极块，，并进行纵剖观察。

从一次混料电极块的纵剖面图(图4a)能够看出，，其内部合金成分出现出宏观分层景象:电极块下半部门(约1/2厚度区域)，，形成了一个陆续且富集Al、、、V合金的致密层;而在上半部门，，则相应地形成Al、、、V合金贫化的区域。这种不均匀性并非随机散布，，而是由物料的物理个性和工艺流程共同决定的。

为克服上述问题，，选取两次混料工艺后，，每次倒入模腔的物料量削减了一半，，这意味着在模腔内必要形成的物料堆的高度也相应降低，，合金沉积效应的影响领域被限度在了一个更浅的深度内。这一过程有效地粉碎了一次性投料可能形成的单一、、、陆续的大规模偏析层，，将其宰割和打散为两个尺度更小、、、影响领域更有限的偏析单元。从两次混料制备的电极块纵剖面图(图4b)能够看出，，其宏观的分层景象得到极大改善。只管仍存在轻微的富集层，，但其厚度和合金富集的水平已经远小于一次混料电极块，，这说了然两次混料工艺有效地克制了因粒度差距导致的沉积偏析，，获得了合金散布越发均匀的电极块。

2.3基于数值仿照的混料次数影响预测

为探索统一混料总重量下，，一次混料(single mixing)与两次混料(double mixing)两种方式对铸锭成分均匀性的影响法规，，凭据2.1中电极块中合金散布，，设计仿照的电极块初始成分，，同时，，依照电极块梦想均匀状态(ideal uniformity)时成分作为初始前提进行工艺数值仿照，，以作为对比。而后进行一次熔炼、、、二次熔炼工艺数值仿照，，获得铸锭成分散布法规。Al元素仿照了局如图5和6所示，，极差水平见表1。

从成分散布来看(别离取距头部0.5、、、1.5和2.5m的横截面)，，在头(top)、、、中(middle)、、、尾(bottom)三个横截面上，，Al元素的均匀含量整体上出现出面部<中部<尾部的特点。并且，，两次混料工艺下头中尾截面及整锭(entire)的成分极差均小于一次混料工艺，，这也预示了电极块选取两次混料方式对铸锭最终均匀性有肯定改善作用。

表1 分歧电极块成分散布下制品铸锭Al元素仿照极差

2.4工业化验证:最终铸锭成分均匀性评价

2.4.1工业化验证铸锭成分实测了局

通过工业化试验，，能够看出一次混料和两次混料方式下，，铸锭成分的实测了局与仿照预测根基一致。如图7和表2所示，，现实铸锭Al元素同样出现出面低、、、尾高的法规，，并且选取两次混料工艺时，，其制备的铸锭极差显著减小，，仿照值与实测值趋向一致，，这也注明当前模型对于Al元素的散布趋向以及工艺对比的相对成效预测能力较好，，而其中数值差距重要源于现实熔炼过程中电弧颠簸及熔池流动的非梦想性，，不影响工艺对比结论。

表2 分歧混料次数下制品铸锭现实Al元素极差

2.4.2电极块沉积偏析的遗传效应

通过工业化试验发现，，选取一次混料电极最终得到的制品铸锭，，距底部20mm领域内(对应铸锭重量约40 kg)，，存在显著的Al元素贫化，，成分极差相比其它地位整体低约0.3%，，而在距底部50 mm时，，其成分与其他地位水平相当，，如图8所示，，这注明该不均匀性源于电极块初始宏观偏析的遗传效应，，而非熔炼凝固过程中的部门宏观偏析所致。这是由于第一次熔炼时，，该电极作为自耗电极，，其头部电极块贫合金料区最终熔入一次铸锭头部区域，，导致一次锭头部整体贫Al。当再次熔炼时，，由于头部(贫料区)对应起弧阶段，，因而该部门溶解并凝固后，，便形成了铸锭底部贫Al区域。

这证了然宏观偏析的尺度超出了VAR熔炼过程自身搅拌与对流所能均匀化的能力极限,因而被清澈地遗传并定格在最终产品中。反之，，两次混料将贫料区的尺度显著减小，，使其不均匀性处于熔炼“自均匀化”能力的容错领域内，，最终在熔炼过程电弧搅拌和熔液对流作用下，，这种部门的成分颠簸被有效解除。这也注明对电极块均匀性的评价不能只看整体混料均匀度，，还要关注是否存在超出后续熔炼工艺修复能力的宏观缺点。

3、、、结论

(1)随着混料重量增长，，钒铝合金和铝豆在电极块中下部沉积的水平会随之增长。

(2)一次混料方式下，，由于电极块上半部门形成合金贫化区域，，且尺度超出熔炼过程自均匀化能力，，导致铸锭底部最终贫Al;而选取两次混料方式，，由于削减了电极块中合金贫化区尺度，，有效解决了此问题。

(3)仿照了局和工业化验证了局显示，，相比一次混料，，选取两次混料方式，，可有效提升Ti-6Al-4V合金铸锭整体成分均匀性。

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（注，，原文标题：：：Ti-6Al-4V钛合金铸锭成分均匀性提升钻研）

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