水冷坩埚真空感应熔炼技术是一种将分瓣式水冷坩埚置于交变电磁场中，通过电磁感应产生涡流热使金属溶解，并借助电磁力使熔体与坩埚壁维持软接触或非接触状态的先进熔炼步骤。。该技术可能有效预防高温下坩埚资料对熔体的传染，同时通过感应加热与电磁搅拌作用，使熔池温度散布均匀，实现合金成分的精确节制，因而被视为当前资料制备领域中最具利用远景的技术之一[1-5]。。 

水冷坩埚真空感应熔炼技术的利用已拓展至众多先进资料领域，蕴含高温合金、金属间化合物、高纯溅射靶材、难熔金属与合金、氧化物陶瓷、宝石晶体、放射性资料及高纯多晶硅等。。然而，受限于该技术自身存在的能耗高与冷却难题，目前所熔炼的钛合金单锭质量仍低于100 kg，尚无法满足航空航天及舰船等领域对大规格、高均质钛合金铸锭的需要[6-7]。。

针对钛合金真空自耗电弧炉熔炼工艺存在的流程 长、成本高、铸锭均质性差、杂质含量高以及现有水 冷铜坩埚感应熔炼单锭规格小的技术难题[8-11]，项目团队开发了一种合用于钛合金的半陆续真空感应熔炼装置以及大规格钛合金铸锭的熔炼工艺，同时将制备的大规格TA17钛合金铸锭用于熔模精密铸造，并对所浇铸的铸件及拉伸试样进行成分、组织及机能的评价，以探求钛合金半陆续感应熔炼+熔模精密铸造工艺的可行性。。

1、尝试

1.1尝试资料

拔取海绵钛、铝钒合金配制TA17钛合金原料，其中Al元素含量为4.025%，V元素含量为2.80%，余量为Ti。。铝钒合金用铝箔包裹，所配制的单个合金包质量为4kg。。

熔模型壳选取多层复合结构，面层使用氧化钇基耐火资料，背层选取莫来石。。表1为制备型壳的资料参数[12-13]

表1 制备型壳的资料参数[12-13]

Table 1 Material parameters for preparing type shells

1.2尝试步骤

选取半陆续真空感应熔炼步骤(如图1所示)制备?280mm的大规格TA17钛合金铸锭，其工艺道理:

在不粉碎熔炼腔室真空的前提下，持续将合金料参与水冷铜坩埚中;②通过线圈感应熔炼溶解水冷铜坩埚内的合金;③通过拉锭装置将溶解后的合金下拉至结晶器，凝固成锭;④反复上述作为，从而实现大规格高品质钛合金锭的制备。。具体执行流程如下:①将?278mmx300mm的TA17钛合金锭作为引锭头，与间歇拉锭装置相连后关闭炉腔;②将拉锭装置上移，使引锭头上升至坩埚熔炼区域;③抽真空，使炉腔真空度<0.9Pa;④开启半陆续感应熔炼炉电源加热，功率依照100 kW/min的速度升高至设定的750 kW;⑤待引锭头溶解后,起头合金包的增长及熔炼,最终得到280mm200mm的TA17钛合金铸锭。。表2为熔炼工艺参数。。

表2 半陆续感应熔炼TA17钛合金铸锭的工艺参数

Table 2 Process parameters for semi-continuous induction melting of TA17 titanium alloy ingot

用数控车床去除TA17钛合金铸锭理论氧化皮，选取熔模精密铸造的步骤成形钛合金筒体铸件。。表3为熔模精密铸造的重要工艺参数。。为便于丈量铸件的室温拉伸机能，选取一样工艺参数铸造拉伸试样，其中，拉伸试样直径为6mm，标距长度为24mm。。

表3 熔模精密铸造重要工艺参数

Table 3 Main process parameters of precision casting experiment

TA17钛合金铸件浇注实现后，在凝壳炉中保温30min，出炉后在型壳中缓冷至200℃以下脱壳。。对脱壳后的TA17钛合金铸锭进行热等静压及退火处置,具体工艺参数见表4。。

表4 TA17钛合金铸件热等静压及退火处置工艺参数

Table 4 Hot isostatic pressing and annealing treatment process parameters for TA17 titanium alloy casting

1.3测试步骤

1.3.1铸锭成分

从半陆续感应熔炼步骤制备的Φ280mmTA17钛合金铸锭上取样，取样地位如图2所示，蕴含单锭区域(单次加料合金内部区域)和衔接界面(两次加料的界面衔接区域)。。选取电感耦合等离子体发射光谱仪及惰性气体熔融分析仪进行化学成分分析。。

1.3.2铸件成分及机能检测

如图3所示，在铸件顶部(1#)、中部(2#)及底部(3#)取样进行化学成分分析及显微组织观察。。对所浇铸的拉伸试样进行室温拉伸机能表征。。

2、了局与分析

2.1铸锭成分

为系统评估半陆续感应熔炼TA17钛合金铸锭的化学成分均匀性，调查了单锭区域与衔接界面的元素散布特点。。图4为TA17钛合金铸锭单锭区域和衔接界面分歧地位的Al、V元素含量散布。。从图4可知，单锭区域Al元素含量在3.96%~3.98%的窄幅区间颠簸(极差0.02%)，阐发出优异的径向均匀性;而在衔接界面，Al元素含量散布领域稍宽，为3.99%~4.04%(极差0.05%)。。单锭区域Al元素均匀性优于衔接界面，这与间歇加料导致的熔体扰动有关。。单锭区域和衔接界面的Al元素含量从铸锭中心向边部出现出略微升高的趋向，而衔接界面的Al元素含量整体略高于单锭区域，这重要是由于加料过程中衔接界面的熔体温度相对较低，导致Al元素的烧损较少。。单锭区域V元素含量散布领域为2.7%~2.8%(极差0.10%)，衔接界面为2.71%~2.78%(极差0.07%)。。单锭区域和衔接界面的V元素含量均从铸锭中心向边部呈逐步削减的趋向。。这一景象的重要原因是钛合金熔体中心温度较高，而V元素在钛合金熔体中的溶化度随温度升高而增大，因而中心区域的V元素含量相对较高。。

图5为TA17钛合金铸锭纵剖面从中心到边部门歧地位的Al、V元素含量散布。。从图5可知，整个铸锭Al、V元素含量的最大误差别离为0.10%和0.08%。。固然半陆续感应熔炼铸锭中Al、V元素阐发出较好的均质性，但存在较为显著的偏析法规。。Al元素含量从铸锭边部向中心出现出递减趋向，边部阐发为正偏析，中心阐发为负偏析。。与Al元素相反，V元素含量从铸锭边部向心部呈递增趋向，形成这一景象的原因是由于V元素作难挥发元素，在熔炼过程中无显著烧损情况。。除此之外，随着温度的升高，V元素在钛液中的溶化度增大，由于熔体心部温度相对较高，因而V元素在铸锭心部阐发为正偏析，边部阐发为负偏析。。

图6为TA17钛合金铸锭单锭区域和衔接界面O、N元素含量散布。。从图6可知，铸锭中央隙元素O、N含量均被节制在较低程度，O元素含量不变在0.125%~0.135%的狭小区间内，且铸锭单锭区域及衔接区域轴向与径向散布均阐发出高度一致性，未出现显著的区域性偏聚。。N元素含量在0.006%~0.008%的极低领域内。。这一了局充分印证了高真空熔炼环境与电磁搅拌工艺对杂质元素的高效协同节制作用:高真空为气体杂质的脱除提供了壮大的热力学驱动力，而电磁搅拌则通过强化熔体传质，显著提升了脱气动力学过程。。

综上批注，本钻研选取半陆续感应熔炼工艺制备的TA17钛合金铸锭主元素(Al、V)和间隙元素(O、N)散布均较为均匀，且间隙元素含量较低。。因而，半陆续感应熔炼工艺可能有效制备高均质、低杂质含量钛合金铸锭。。

2.2筒体铸件成分

2.2.1主元素

将TA17钛合金铸锭用于熔模精密铸造，所制备的筒体铸件分歧部位Al、V元素含量见图7。。从图7可知，简体铸件的Al元素含量散布领域为(3.95±0.03)%，V元素含量散布领域为(2.80±0.02)%。。相较于原始铸锭成分(Al4.02%，V2.80%)，筒体铸件的主元素烧损率极低，其中Al元素均匀烧损率为1.7%，V元素无显著烧损。。这一优异阐发归因于真空自耗电弧凝壳炉重熔过程的高真空环境(真空度<0.9Pa)与急剧溶解个性，有效克制了Al、V等易氧化元素的烧损。。

2.2.2间隙元素

图8为筒体铸件分歧部位的O、N元素含量。。从图8可知，筒体铸件中O元素含量为(0.14±0.05)%，N元素含量为(0.007±0.001)%。。与原始铸锭相比，筒体铸件中O元素含量略有升高，重要是由于熔模铸造过程中，高温钛液不成预防线会与面层型壳(Y2O3)产生微量界面反映。。只管如此，间隙元素O、N含量均满足TA17钛合金熔模铸件的技术尺度(通常要求O<0.20%，N<0.05%)。。

2.3筒体铸件组织

图9为TA17钛合金筒体铸件分歧部位的微观组织。。从图9能够看出，筒体铸件微观组织为典型的网篮组织，蕴含α相和转变β相。。通过图像分析软件统计了铸件a片层集束尺寸，其中3#区域(铸件底部)a片层集束均匀尺寸为(185±25)μm，1#区域(铸件顶部)为(175±20)μm，分歧部位间的最大误差不超过12%，批注a片层集束尺寸散布均匀;a片层宽度在1.5~2.2μm之间，均匀值为(1.8±0.3)μm;β晶粒尺寸为(220±35)μm，尺寸误差在±8%以内。。统计了局批注，从筒体铸件的厚大部位到薄壁部位，a片层宽度变动平缓，未出现显著的组织梯度，且各部位的a片层集束尺寸、a片层宽度和β晶粒尺寸均维持优良的一致性，批注制备的铸件拥有优异的微观组织均匀性。。这种均匀的组织特点重要归因于两方面:一是半陆续感应熔炼铸锭自身拥有高度均匀的初始组织;二是优化的熔模铸造工艺可确保铸件各部位经历相近的凝固冷却过程。。

2.4简体铸件力学机能

图10为熔模精密铸造TA17钛合金试样的室温拉伸应力-应变曲线。。从图10可知，熔模精密铸造试样的拉伸机能良好且不变，强塑性匹配优良，抗拉强度为(740±15)MPa，屈服强度为(685±20)MPa，断后伸长率为(10.5±2)%，强度指标的尺度误差在合理领域内，塑性指标优异。。

铸件的组织与力学机能有着亲昵的内涵关联，其强度重要受a片层宽度和β晶粒尺寸的协同作用节制，适中的a片层宽度通过界面强化机制为资料提供优良的强度基础，而均匀的β晶粒散布则可确保强度的不变性。。TA17钛合金铸件断后伸长率达到10.5%，批注其拥有优异的塑性变形能力，重要得益于合理的a片层集束尺寸为位错活动提供了充足的滑移空间，同时在变形过程中可能有效延缓裂纹的萌生和扩大。。

TA17钛合金铸件在拉伸测试中阐发出优良的机能不变性，重要得益于两个关键成分的协同保险:首先，半陆续感应熔炼工艺制备的铸锭自身拥有高度均匀的初始组织和化学成分散布，为后续精密铸造提供了靠得住的原料基础;其次，优化的熔模铸造工艺参数确保铸件各部位经历了相近的凝固冷却过程，从而获得了协调一致的微观组织结构。。

3、结论

(1)半陆续真空感应熔炼工艺制备的大规格TA17钛合金铸锭，其主元素Al和V沿铸锭径向散布均匀，最大误差别离仅为0.10%和0.08%;间隙元素O和N含量均节制在低水平领域内(其中，O为0.125%~0.135%，N为0.006%~0.008%)，且散布一致。。高真空环境与电磁搅拌的协同作用有效提升了熔体杂质节制能力和均质化水平。。

(2)基于上述TA17钛合金铸锭制备的熔模精密铸件维持了优良的成分不变性，主元素Al含量为(3.95±0.03)%，烧损率仅为1.7%;V元素含量不变在(2.80±0.02)%，无显著烧损。。间隙元素O、N含量别离为(0.14±0.05)%和(0.007±0.001)%。。

(3)TA17钛合金铸件各部位组织均匀，a片层宽度在1.5~2.2μm领域内，β晶粒尺寸为(220±35)μm。。

(4)TA17钛合金铸件室温拉伸机能良好且不变，抗拉强度为(740±15)MPa，屈服强度为(685±20)MPa，断后伸长率为(10.5±2)%。。优良的强塑性匹配源于均匀的微观组织结构，适中的a片层宽度通过界面强化机制为资料提供了优良的强度基础，而合理的a片层集束尺寸为位错活动提供了充足的滑移空间，同时在变形过程中能有效延缓裂纹的萌生和扩大。。

(5)半陆续真空感应熔炼与熔模精密铸造相结合的工艺路线，可能不变制备组织均匀、成分可控、机能达标的高品质TA17钛合金铸件。。

参考文件 References

[1] Zhang R, Wang D J, Liu S Q,et al. Effect of microstructures on hot compression behavior of a Ti-43Al-2Si alloy fabricated by cold crucible continuous casting[J]. Materials Characterization,2018,144:424-430.

[2] Yang J R, Chen R R, Ding H S,et al. Numerical calculation of flow field inside TiAl melt during rectangular cold crucible directional solidification[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(1): 157-163.

[3]李碚，张森.真空悬浮熔炼技术[J].冶金设备，2015(5):13-17.

[4] Wang Q, Ding H S, Zhang H L,et al. Growth rates dependence of macro/microstructures and mechanical properties of Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.2Er alloy directionally solidified by cold crucible[J]. Materials& Design, 2017, 125: 146-157.

[5] Wang S, Wang Q, Chen R R, et al. Numerical analysis for solid-liquid interface shape at various temperature gradient in electromagnetic cold crucible directional solidification[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 199:123443.

[6]李碚，张森.真空悬浮熔炼技术简介及其钻研进展[J].军民两用技术与产品，2012(7):43-44.

[7]刘宇，张桂芳，漆鑫，等.电磁悬浮熔炼金属合金的钻研进展:利用和数值仿照[J].资料导报，2022,36(21):159-166.

[8]张晋，王永强，户如意，等.大规格TA10钛合金铸锭出产工艺钻研[J].世界有色金属,2020(23):127-128.

[9]张娜，廖强，文娜，等.熔炼步骤对TC2钛合金铸锭成分均匀性的影响[J].机械工程与自动化,2019(4):135-137.

[10]赵小花，王凯旋，王锦程，等.钛合金铸锭尾部冶金质量影响成分钻研[J].罕见金属资料与工程，2024，53(9):2565-2570.

[11]李莹莹.等离子冷床炉冶炼钛合金去除同化物的钻研[J].铸造技术,2020,41(2):132-134.

[12]沈昀，郑功，冯辰铭.熔模精密铸造技术钻研进展[J].精密成形工程，2019，11(1):54-62.

[13]陈显明.钛合金熔炼与铸造技术新进展[J].林芝学院学报,2010,31(2):20-25.

（注，原文标题：TA17钛合金锭半陆续感应熔炼及熔模精密铸造工艺可行性钻研_颜红兵）