引言

鈦合金具備耐腐蝕、比強度高及生物相容性好等優(yōu)異特性，廣泛應用于航空、航天、海洋船舶、化工及醫(yī)療等領(lǐng)域[1~3] 。隨著技術(shù)進步，航天、航空等領(lǐng)域?qū)︹伜辖痂T件的性能提出了更高的要求，不斷向著大尺寸、復雜結(jié)構(gòu)以及高質(zhì)量穩(wěn)定性的方向發(fā)展[4] ，要求鑄件產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量穩(wěn)定性。作為鑄件主要原材料的鈦合金鑄錠在符合相關(guān)標準的前提下，應盡可能提高其成分均勻性和一致性。采用高均質(zhì)鈦合金鑄錠生產(chǎn)出來的鑄件產(chǎn)品具有優(yōu)異的綜合性能，保證了質(zhì)量一致性，提高了產(chǎn)品在其使用壽命周期內(nèi)的安全性。

目前，國內(nèi)鈦合金鑄錠最常用的制備方法是真空自耗電極電弧熔煉（Vacuum are remelting, VAR）技術(shù)，即在真空中，自耗鈦電極在直流電弧的作用下熔化，在水冷銅坩堝中冷卻成為鑄錠，VAR 技術(shù)設備投資和生產(chǎn)運行成本較低，技術(shù)成熟，可批量工業(yè)化生產(chǎn)[5~6] 。

常規(guī)的 VAR 技術(shù)無法生產(chǎn)出高均質(zhì)的鈦合金鑄錠，需要對生產(chǎn)過程進行控制及優(yōu)化[7] ，同時需要創(chuàng)新方法，對過程能力進行客觀評價。過程能力就是過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)下，產(chǎn)品質(zhì)量正常波動的經(jīng)濟幅度，通常同質(zhì)量特性值分布的 6 倍標準偏差來表示，記為 6σ。過程能力是表示生產(chǎn)過程客觀存在著分散的一個參數(shù)，但這個參數(shù)能否滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，僅從它本身還難以看出，還需要另一個參數(shù)來反映過程能力滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的程度，即為過程能力指數(shù)，通常用 Cp 與 Cpk 表示。Cp 是表征過程固有的波動狀態(tài)，即技術(shù)水平；Cpk 是指過程平均值與產(chǎn)品技術(shù)要求發(fā)生偏移的大小。過程能力指數(shù)越大，表明產(chǎn)品的離散程度相對于技術(shù)要求的公差范圍越小，因而過程能力就越強。因此，可以從過程能力指數(shù)大小來判斷能力的強弱。

Minitab 軟件是一款在全球范圍內(nèi)廣受歡迎的統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析工具，它以其無可比擬的強大功能和簡易的可視化操作，深受廣大質(zhì)量學者和統(tǒng)計專家的青睞，它提供了豐富的統(tǒng)計工具和圖形分析功能，廣泛應用于質(zhì)量管理和生產(chǎn)等領(lǐng)域。

國內(nèi)外對于鈦合金鑄錠的研究多集中在成品率和純凈度等方向，針對高均質(zhì)鈦合金鑄錠的研究并不多，公開報道更少見。筆者基于 VAR 技術(shù)，通過對配料、混料、電極壓制和真空熔煉等方面加以控制及優(yōu)化，制備4 批 4 根 ZTA15 鈦合金鑄錠，取樣 32 份檢測化學成分，利用統(tǒng)計方法量化成分均勻性及一致性。為了保證數(shù)據(jù)分析的準確性，同時降低工作量，使用 Minitab 軟件計算主化學元素 Al、Zr、Mo 及 V 的過程能力指數(shù)（Cp、Cpk）。

1、試驗材料與方法

1.1　配料

試驗制備的 4 批 ZTA15 鈦合金鑄錠從原材料配料開始嚴格控制，確?；瘜W成分的均勻性和一致性。首先，使用的是 4 批純度較高的 0 級海綿鈦，其名義化學成分及硬度滿足 GB/T 2524-2019《海綿鈦》要求，詳見表 1。

其次，海綿鈦、鋁粒、鋁鉬、鋁釩和海綿鋯等原材料每批進行入廠復驗，檢測化學成分及粒度，確認結(jié)果符合相關(guān)標準要求才可使用，密封保存，避免吸水及灰塵等異物污染。優(yōu)化合金配方，在滿足相關(guān)標準要求的前提下，主化學元素 Al、Zr、Mo 及 V 的含量盡可能地控制在較小的范圍內(nèi)波動。

最后，原材料使用檢定合格且在有效期內(nèi)、精度為0.1 g 的電子秤精確稱量，使用干凈無污染的錫紙包裝存放，并做好牌號、批次等信息標識。

1.2　混料及電極壓制

先對模具進行清理，確保模具不生銹，同時對工作現(xiàn)場進行清掃，保證壓制的電極無雜質(zhì)和異物污染。在稱量前對使用的稱量工具校準、去皮，先在模具型腔底部鋪一半量的海綿鈦，扒平，將鋁粒、鋁鉬、鋁釩和海綿鋯等中間合金混合均勻后倒入，然后在上面再平鋪剩余一半量的海綿鈦，保證中間合金分布均勻且不外漏，使用三梁四柱式 2 500 t 壓力機進行一次壓制成型，最后單根短電極稱重復核。重復此操作，每批共壓制短電極 12 根，單根重量 10 kg。

1.3　真空熔煉

1.3.1　焊接電極

采用手工氬氣保護焊技術(shù)焊接電極，氬氣純度99.99% 以上，焊接前將工作臺面和電極表面清理干凈，不得有油污、灰塵等異物，焊接時使用 TA15 焊絲，焊好一側(cè)后立即去除電極上的揮發(fā)物，焊點應為銀白色，不得氧化發(fā)藍，焊接的電極需平直，避免通過強大電流時局部產(chǎn)生過熱。4 根短電極焊接成 1 根長電極，每批共焊接 3 根長電極。

1.3.2　一次熔煉

使用型號DHL-650真空自耗電極電弧爐進行熔煉，為使電弧工作穩(wěn)定，在坩堝外層增加穩(wěn)弧線圈，產(chǎn)生縱向磁場，減少邊弧；同時，縱向磁場會對熔池中的鈦液產(chǎn)生攪拌作用。熔煉過程中，起主要作用的熔煉參數(shù)包括電流、電壓和磁場[8] 。

在操作過程中嚴格控制電壓、電流和真空度等熔煉參數(shù)，使弧長保持穩(wěn)定，看弧人員和主操作人員相互配合，保證鑄錠質(zhì)量。各參數(shù)之間關(guān)系復雜，總結(jié)過往一次熔煉參數(shù)，得出一次熔煉經(jīng)驗參數(shù)是起弧電流2 000 A±200 A、穩(wěn)定電流 3 000 A±200 A、電壓 20~25 V及真空度＜ 10 Pa。1 根長電極熔煉時間約 30 min，得到 1 根 ?160 mm×460 mm 的一次熔煉鑄錠（簡稱 “一次錠”），單根重量約 40 kg。重復此操作，每批熔煉3 根一次錠，4 批共熔煉 12 根一次錠，做好批次、牌號和爐號等信息的標識。

1.3.3　二次熔煉

使用車床將一次錠冒口去除，然后清理表面油污、灰塵等異物，確保鑄錠干凈無污染，最后將同批的 3 根一次錠按照頭尾相連方式焊接在一起。總結(jié)過往二次熔煉參數(shù)，得出二次熔煉經(jīng)驗參數(shù)是起弧電流 2 000 A±200 A、穩(wěn)定電流 4 500 A±200 A、電壓 22~28 V 及真空度＜ 10 Pa。1 根二次熔煉鑄錠（簡稱“二次錠”）的熔煉時間約60 min，去除冒口后規(guī)格為 ?220 mm×720 mm，重量約118 kg。重復此操作，每批熔煉 1 根二次錠，4 批共熔煉 4 根二次錠，做好標識。

1.4　取樣檢測

從每根二次錠上部及下部端面的中心、1/2R 和邊緣各取 1 份試樣，從中部邊緣處取 2 份試樣，每批共計8 份進行化學成分檢測，4 批共取樣 32 份，并按照批號+ 取樣位置的規(guī)則進行編號。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1　化學成分檢測結(jié)果

上述制備的 4 批 ZTA15 鈦合金二次鑄錠化學成分檢測結(jié)果均在名義值范圍內(nèi)，詳見表 2。從表 2 可以看出，主化學元素 Al、Zr、Mo 及 V 含量均在較小范圍內(nèi)波動，合金錠上、中及下部的化學成分趨于一致，無明顯差異，同一部位中心、1/2R 及邊緣的化學成分也較均勻。從數(shù)據(jù)上初步判斷，制備的 4 批 ZTA15 鈦合金鑄錠化學成分較均勻，為量化成分均勻性及一致性，利用統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進一步處理分析。

2.2　質(zhì)量一致性分析

過程能力指數(shù) (Cp、Cpk) 指工序在一定時間里，處于控制狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)）下的實際加工能力。它是工序固有的能力，或者說它是工序保證質(zhì)量的能力。這里的工序是指人、機、料、法、環(huán)、測（5M1E）諸因素綜合作用的過程，也就是產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)過程。過程能力指數(shù)越大，過程能力越強，鈦合金鑄錠成分均勻性及一致性越高。通常認為，當 Cp 及 Cpk 值大于 1.0 時，過程能力良好，狀態(tài)穩(wěn)定。

Cpk 及 Cp 的計算公式為：

式中，USL 為標準上限；LSL 為標準下限；s 為標準差；^-x 為樣本均值。

標準差 s 的計算公式為：

式中，x i 為單個樣本值；n 為樣本總量。

文中計算 32 份試樣主化學元素 Al、Zr、Mo 及 V的成分檢測數(shù)據(jù)，得到其過程能力指數(shù)（Cp、Cpk），以此評價化學成分的均勻性及一致性。

文中 ZTA15 鈦合金鑄錠主化學元素的 Cp、Cpk 值使用 Minitab 軟件計算，結(jié)果如表 3 所示，Cp 及 Cpk值均大于 1.0，說明過程能力較強，控制水平較高，化學成分均勻且一致性高。

3、結(jié)論

（1）使用高級別原材料，調(diào)整合金配方，精確稱量，控制主化學元素 Al、Zr、Mo 及 V 的成分波動，混料均勻，避免異物污染，總結(jié)電流、電壓和真空度等熔煉經(jīng)驗參數(shù)，優(yōu)化操作方法，基于 VAR 技術(shù)制備出的 4 批

4 根鈦合金鑄錠上、中及下部化學成分波動小、較均勻。

（2）利用統(tǒng)計方法量化鈦合金鑄錠化學成分的均勻性及一致性，使用 Minitab 軟件計算主化學元素 Al、Zr、Mo 及 V 的過程能力指數(shù)（Cp、Cpk）；計算結(jié)果顯示 Cp 及 Cpk 值均大于 1.0，說明過程能力較強，控制水平較高，化學成分均勻性及一致性高。

參考文獻

[1]　李梁，孫健科，孟祥軍 . 鈦合金的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 [J]. 鈦工業(yè)進展，2004，21（5）：19-24.

[2]　吳海峰，張治民，李保成 . 鈦合金及其成形技術(shù)在民品中的應用前景 [J]. 鍛壓技術(shù)，2003（4）：44-46.

[3]　于宇，李嘉琪 . 國內(nèi)外鈦合金在海洋工程中的應用現(xiàn)狀與展望 [J]. 材料開發(fā)與應用，2018，33（3）：111-116.

[4]　付艷艷，宋月清，惠松驍，等 . 航空用鈦合金的研究與應用進展 [J]. 稀有金屬，2006，30（6）：850-856.

[5]　雷文光，趙永慶，韓棟，等 . 鈦及鈦合金熔煉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 [J]. 材料導報，2016，30（5）：107-112.

[6]　張英明，周廉，孫軍，等 . 鈦合金真空自耗電弧熔煉技術(shù)發(fā)展 [J]. 稀有金屬快報，2008（5）：13-18.

[7]　王鎬，張震 . 鈦真空自耗電弧爐熔煉技術(shù)發(fā)展概況及未來展望 [J]. 鈦工業(yè)進展，1998，15（5）：4-5.

[8]　趙小花，李金山，常輝，等 . 真空自耗電弧熔煉過程中電磁場的數(shù)值模擬 [J]. 中國有色金屬學報，2010（20）：538-543.