鈦鈮系鈦合金具有優(yōu)異的生物相容性和高溫穩(wěn)定性，在外科植入物、航空緊固件和航空用高溫鈦合金等方面得到了高度的重視和愈來愈廣泛的應用。由于鈮為高熔點、高密度元素，鈦鈮系合金鑄錠制備中為保證鈮的化學成分均勻性，鈮通常以中間合金形式加入，再經(jīng)兩次VAR熔煉＋一次真空自耗凝殼爐熔煉制得。合金元素的加入量及各合金元素的配比是提高合金元素分布均勻性的重要方法。
實驗采用兩次VAR熔煉＋一次真空自耗凝殼爐熔煉對六組配比混合原料進行熔煉，分別制得Φ220mm鈦合金鑄錠，并對鑄錠取樣，進行化學成分分析，從而比較不同配方對鈦合金鑄錠均勻性的影響。
實驗以0級海綿鈦，高純Al豆，中間合金粒Al-Nb（0.5～3mm），AlMo（0.5～5mm），AlSi，海綿Zr，F(xiàn)e，TiO2為原料。配料組成見表1。
表1 合金的配料組成
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編號 |
原料組成/（wt%） |
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a |
Ti-4.5Al-4Nb-3Zr-0.1Mo-0.35Fe-0.01Si-0.12C |
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b |
Ti-5Al-3.7Nb-2.7Zr-0.3Mo-0.3Fe-0.05Si-0.08C |
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c |
Ti-5.5Al-3.3Nb-2.3Zr-0.6Mo-0.24Fe-0.1Si-0.06C |
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d |
Ti-6Al-2.8Nb-1.9Zr-1Mo-0.18Fe-0.15Si-0.04C |
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e |
Ti-6.5Al-2.4Nb-1.5Zr-1.5Mo-0.12Fe-0.2Si-0.02C |
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f |
Ti-7Al-2Nb-1Zr-2Mo-0.05Fe-0.25Si-0.01C |
采用原料壓制電極→焊接電極→VAR熔煉一次鑄錠→真空自耗凝殼爐熔煉二次鑄錠→VAR熔煉三次鑄錠→鑄錠取樣→用化學分析方法分析各部位元素的含量，計算平均值和極差值，并比較其均勻性。利用線切割機從鑄錠上切割取樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕液腐蝕后，借助金相顯微鏡觀察合金的顯微組織。
分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：a～f六組配比制備的鑄錠成分含量平均值均達到目標值，鑄錠化學成分平均值與目標值的差值均較小，特別是Nb、Mo等高熔點元素的組分的成分平均值與目標成分含量相差小于0.2%。a～f六組配方的鑄錠中各合金元素化學成分的極差值均較小，特別是Nb、Mo等難熔金屬元素含量的極差值均小于0.1，d配方鑄錠中金屬元素含量的極差值均較高。
一次熔煉中由于溫度不夠高，合金中難熔的Nd、Mo等元素不能完全溶解，經(jīng)二次熔煉使金屬在高溫液體中滯留時間延長，從而使其完全溶解，提高了鑄錠成分的均勻性。Zr、Fe、Si等合金化元素的引入提高了各元素間的反應活性，使元素間能在較低溫度下進行合金化反應。
顯微組織觀察：合金主要由亮色顆粒和暗色基體組成，亮色的合金顆粒均勻分布在暗色鈦基體中，亮色和暗色顆粒均不存在明顯團聚。
研究結(jié)果：利用兩次VAR熔煉和一次真空自耗凝殼爐熔煉制備Ti80鑄錠，六種配比所得合金鑄錠中元素含量均勻性較高，亮色合金元素均勻分布在暗色基體中。不同部位元素含量平均值與目標成分差值小于0.2，各合金元素的極差值均小于0.2。