真空熔炼TiAl金属间化合物过程中合金元素的挥发行为

真空熔炼TiAl金属间化合物过程中合金元素的挥发行为

杜鹏

西科沃克瑞泰克热处理设备制造（天津）有限公司天津市300385

摘要：真空熔炼的目的是防止金属间化合物的污染。但在真空中，钛和铝合金中铝的挥发性损失将影响金属间化合物的组成精度。用钛和铝合金的活动系数计算了钛和铝合金中钛和铝元素的挥发性损失速率。

关键词：TiAl金属间化物；真空熔炼；元素挥发

最初的TiA合金已经成为航空、汽车工业领域的新一代替代材料，因为它们的密度很低，而且在高温下性能很好。然而它的应用受到环境温度低可塑性和初始合金高温氧化强度低的阻碍。

一、ＴｉＡｌ合金的特点及发展

基本TiA合金的密度为3.85-4.2g/cm3，低于纯钛，低于镍基热合金密度的50%。它具有轻巧性、特殊强度、耐磨性、耐火性、抗氧化性等优点，在室温和高温下具有良好的热力学性能。它有望应用于航空航天、武器制造和汽车工业。在20世纪50年代早期，人们发现高质量的合金具有良好的抗氧化和高温性能，但由于其在环境温度下的低可塑性，研究进展非常缓慢。直到80年代初，第一代TiAl合金，即在48Al1Vit-0.3C在美国设计，以便除其他外，改善环境，TiAl破裂，但含有塑料总体业绩的弹性，未满足的合金的实际需要，因此从根本上改变它的实验室分析。第二代以铸造TiAl合金为主，与第一代TiAl合金相比，表现突出的优势在760℃比强度、蠕变强度，抗氧化，改善高温的性能结构有望取代镍基高温合金。第二代主要合金为ti-48al-2cr-2nb铸造合金，由美国空军和GE公司联合开发。通过添加Cr和Nb元素，提高了合金在室温下的强度、塑性和抗氧化性。目前，用该合金生产的零件已通过发动机试验。此外，由Howmet开发的Ti-（45-47）al-2mn-2nb-0.8TiB2XD是典型的第二代TiAl合金。最初的TiAl合金被开发到第三代，由最初的锻造TiAl合金主导。对合金成分设计的考虑更加全面，既提高了TiAl合金的室温可塑性，又提高了高温强度和氧化强度等性能。研究表明，TiAl合金的性质对其合金的组成和结构非常敏感。为改善TiAl合金的性质，在成分设计时，可以适当添加一些合金元素，达到固溶强化（或置换强化）/缩小差距，减小片层间距、提高合金强度的效果，还可以使晶粒细化、组织均匀，从而使合金的综合力学性能得到提高。因此，在第二代粗合金的基础上，第三代合金在组合设计上的区别在于增加了Nb元素和减少了Al元素，并有具体的变化：

①Nb的添加量从2%增加到3%，最大增加量为10%。研究表明，铌有利于提高合金的高温抗氧化性能。铝含量从47%~48%下降到45%~47%，铝含量下降使2相含量增加，层间距减小，从而提高了合金的强度；（3）加入大量Ta和Mo元素，主要通过置换强化来提高合金的强度和蠕变性能；（4）加入微量C、Si、N等元素，主要通过间隙固溶强化来改善合金的蠕变性能；（5）加入Cr、Mn、V等过渡金属元素（原子分数）可以提高合金的塑性。⑥元素B的加入，通常可以细化晶粒，使晶粒细小，结构均匀，合金强度增加的同时塑性也会增加。

二、TiAl合金熔体中合金元素的饱和蒸气压

图1是饱和蒸汽压力和温度之间的关系曲线的纯钛（1）计算方程。纯钛的饱和蒸气压是大约1.227pa在2000k（0.0092毫米汞柱），这就是为什么真空度一般控制在1.333pa（10毫米汞柱）在钛合金的熔炼。

由式（2）计算得到的纯铝的饱和蒸气压与温度的关系曲线，在2000K时，纯铝的饱和蒸气压约为866.593Pa（6.5mmHg），是同温度下纯钛的饱和蒸气压的700倍以上。由式（3）计算得到的、钛铝合金熔体中铝含量（40～55）at%范围内，钛的饱和蒸气压随成分、温度变化的关系曲线。在钛铝合金熔体中，由于钛、铝原子间的作用力较强，而使钛的活度降低，其饱和蒸气压也相应地降低。在γ-TiAl基合金成分附近，钛的饱和蒸气压在2000K时约为4×10-2Pa（3×10-4mmHg），已远低于纯钛的饱和蒸气压。

由式（4）计算得到的、钛铝合金熔体中的铝含量在40~55%之间。纯铝在2000K时饱和蒸汽压高达866.593pa（6.5mmhg）。钛铝合金熔体的饱和蒸汽压随其活性的降低而降低。在2000K时，铝的饱和蒸汽压为19.998Pa（0.15mmHg），接近伽玛合金成分。因此，在熔炼ti-48at%铝合金时，为了防止铝在合金熔体中沸腾，真空穴不易过高，不宜超过此（19.998Pa）临界值。外压对合金元素的饱和蒸汽压影响不大，但对合金元素的沸点影响较大。例如，当外界压力为2.666Pa（0.02mmhg）时，ti-48at%铝合金中铝的沸点为1800K。当外部压力上升到19.998Pa（0.15mmHg）时，沸点上升到2000K。在ti-48at%铝合金熔体中，钛和铝的饱和蒸汽压低于纯元素，但铝的饱和蒸汽压是钛的5000倍。在2000K时，外部压力小于19.998Pa（0.15mmhg），会导致铝的自由挥发。因此，熔体的真空度越高，应根据熔体的性能选择最佳的真空度。

三、合金元素的自由挥发损失速率

真空熔炼有利于去除挥发性杂质，但也使蒸汽压力高的合金元素容易挥发，影响合金成分的准确性。因此，真空冶炼中高蒸气压的合金化元素是在冶炼后期和合金化阶段添加的。但对于钛合金冶炼方法，如消耗性电极电弧炉，所有的电荷都应在同一时间被压在电极上熔炼，不像感应熔炼过程，可以分批进料。如果熔炼工艺不当，高蒸气压合金元素的蒸发损失将十分严重。

由式（6）通过计算得到钛在钛合金熔体中的挥发损失率随成分和温度的变化曲线。在基体合金成分附近，钛的挥发率小于310-6g·cm-2·s-1；由式（7）计算铝在钛合金熔体中的挥发损失率随成分和温度的变化曲线，合金的熔炼温度对挥发损失率有很大的影响。在2000K时的挥发率比在1800K时高出近10倍。因此，如果钛铝合金的熔点温度保持在较高的温度下，铝的挥发损失会增加。合金成分对挥发率也有很大的影响。由于钛铝原子间的作用力大于相似原子间的作用力，铝在钛铝熔体中的挥发率由于铝不易逸出而显著降低。在2000K时，理想的ti-48at%铝合金熔体中铝的挥发率为0.022g·cm-2·s-1，而钛的挥发率下降到0.001g·cm-2·s-1。在钛合金真空冶炼中，铝的挥发率是钛的50倍以上。因此，在钛合金真空熔炼过程中，由于挥发损失，铝的含量会降低。根据以上计算分析，在钛及铝合金的真空冶炼过程中，铝的挥发损失率高于钛，即铝的挥发损失率优先。

利用钛铝合金熔体的活度系数，计算了钛铝合金熔体中合金元素的饱和蒸汽压和蒸发损失率。结果表明，钛-48at%铝熔体中铝的挥发率是钛的50倍左右。在2000K时，ti-48at%铝合金熔体中铝的饱和蒸汽压为19.998Pa（0.15mmHg）。当外部压力保持在这个值，熔体保持10分钟，铝的含量将下降到26at%。

参考文献：

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