钛及钛合金具有高比强度、优异耐蚀性及优异的生物相容性，，，，，，，现已成为航空航天、船舶及医疗等领域必不可少的质料，，，，，，，而Ti-6Al-4V作为α+β双相钛合金的典范代表，，，，，，，以普遍的应用占有总用钛量的50%以上[1,2]。。。。。。

铸锭的化学因素匀称性是决议钛合金产品最终性能与服役可靠性的要害因素之一[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焦点手段[4]。。。。。。为实现因素匀称，，，，，，，关于由海绵钛和中心合金等质料压制而成的电极块来说，，，，，，，其质量控制便成为影响铸锭因素匀称性的主要环节。。。。。。电极块内部合金元素与海绵钛的混淆匀称水平，，，，，，，对铸锭的因素漫衍均会爆发一定影响[5-7]。。。。。。然而，，，，，，，在现实生产中，，，，，，，由于质料间保存粒度、密度和形状等物性差别，，，，，，，混料历程极易引发颗粒疏散征象，，，，，，，导致电极块内部合金漫衍不均[8]。。。。。。若这种不匀称性的标准凌驾熔炼历程熔池对流与搅拌的匀称化能力，，，，，，，则会遗传到铸锭中，，，，，，，形成难以消除的宏观偏析缺陷[9]。。。。。。近年来，，，，，，，针对电极块混料工艺的研究多集中于原质料因素差别的影响与熔炼工艺参数研究，，，，，，，例如于继洋等[10]研究了V55Al中心合金因素极差对TC4铸锭匀称性的影响，，，，，，，发明中心合金因素波动会导致铸锭V元素偏析度提升0.2%;靖振权等[11]研究了与铸锭直接相关的3个工艺参数(熔速、铸锭上外貌温度和冷却强度)对铸锭宏观偏析的影响纪律。。。。。。关于电极块混料对宏观因素匀称性遗传性的影响尚缺乏系统性研究。。。。。。本文首次提出通过两次混料分批次投料的工艺战略,旨在突破因“巴西果效应”引发的大标准合金漫衍不均的结构,从而提升铸锭整体因素匀称性。。。。。。

本文以普遍应用的 Ti-6Al-4V合金为研究工具,以提升 Ti-6Al-4V合金铸锭因素匀称性,同时解决 Ti-6Al-4V合金铸锭中泛起的底部 Al元素贫化问题为目的,重点探讨电极块混料重量和混料次数对电极块合金漫衍以及铸锭最终因素匀称性的影响纪律。。。。。。团结实验研究、数值模拟与工业化验证,明确优化工艺窗口,为高品质钛合金铸锭的稳固制备提供科学基础。。。。。。

1、实验质料与要领

本研究选用优质 0级海绵钛、钒铝中心合金(V-Al)、铝豆(Al)作为主要质料,所有质料均切合航空级Ti-6Al-4V合金的化学因素标准。。。。。。接纳德国入口的 OAS自动称重及混料装备,制备圆形电极块。。。。。。

设置差别混料重量(W1: 100 kg; W2: 150 kg; W3: 200 kg)举行比照,每次混料时间牢靠为 3 min,并设计混料实验模腔,对混料器混淆后质料中合金占比举行分层筛分、统计,从而比照电极块中合金的漫衍纪律和匀称性。。。。。。

然后团结数值模拟和实验,开展差别混料次数影响研究,即设置一次混料与两次混料两种方法举行比照。。。。。。一次混料是将所有质料一次性投入混料机,混淆预准时间后,一次性投入油压机模腔内举行压制;两次混料是将总质料中分为两份。。。。。。先将第一份质料混淆相同时间后投入模腔,再将第二份质料混淆相同时间后投入已装有第一批物料的模腔中,最后统一举行压制。。。。。。

差别混料次数影响详细研究历程为:(1)接纳 MeltFlow-VAR软件？？？？？？？？榫傩惺的Ｄ。。。。。。将一次混料和两次混料计划下差别电极块因素漫衍,作为模拟的初始条件输入,然后举行熔炼工艺数值模拟,获得制品铸锭的因素漫衍纪律 [8,12?19]。。。。。。(2)划分接纳两种混料方法压制圆形电极块,对其举行纵剖,视察两种混料方法下合金现实漫衍特点。。。。。。(3)最后,在 VAR熔炼车间举行了 5 t级铸锭全流程验证试验,划分接纳一次混料和两次混料方法制备电极块,并完成焊接和熔炼,获得制品铸锭,并在铸锭头部、中部和尾部辨别切取试样片举行因素匀称性剖析评价。。。。。。

2、实验效果及讨论

2.1混料重量对电极块中合金漫衍的影响

接纳混淆匀称度 M评价电极块中合金漫衍的匀称性,混淆匀称度 M盘算方法为:

式中, M代表混淆匀称度; A%代表抽样中合金 A占抽样重量的百分比; L代表理想匀称状态时合金 A组分所占百分比。。。。。；；；；；；；；煜瘸贫 M值越小,代表合金 A在电极块中纵向漫衍离散水平越小,即漫衍匀称性越好;反之越差。。。。。。为便于明确,图 1给出了电极块分层抽样示意图:将电极块沿高度偏向匀称分为四层,自上而下划分标记为 L1、L2、L3、L4,每层厚度相等。。。。。。同时,接纳%V-Al体现 V-Al合金在每一抽样层中的占比,用于量化V-Al合金的漫衍特征。。。。。。

对差别混料重量(W1:100kg;W2:150kg;W3:200kg)下混淆匀称度举行剖析，，，，，，，可以看出:(1)关于V-Al合金来说，，，，，，，如图2所示，，，，，，，三种混料重量下，，，，，，，大部分V-Al合金均沉积于电极块的下半部分(即L3和L4位置)。。。。。。并且从差别位置合金占比来看，，，，，，，100和150kg混料重量下，，，，，，，其%V-Al(L1:L2:L3:L4)划分为1:7:11:12和1:5:11:10，，，，，，，两者漫衍纪律相近;但200kg混料重量下，，，，，，，%V-Al(L1:L2:L3:L4)为1:3:26:25。。。。。。这说明100~150kg混料重量级别下，，，，，，，电极块中合金纵向漫衍转变随混料重量的转变不甚敏感，，，，，，，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着增添。。。。。。(2)关于Al豆来说，，，，，，，如图3所示，，，，，，，三种混料重量下，，，，，，，大部分Al豆均处于电极块的中部位置(即L2和L3位置)。。。。。。从差别位置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)划分为1:1.2:1.5:1.5和1:1.2:1.5:1.2，，，，，，，这说明虽然由于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合金显着，，，，，，，但当混料重量从100kg逐渐增添至150~200kg时，，，，，，，其漫衍特点也泛起出从电极块中上部往中下部偏移的趋势。。。。。。

上述征象可由颗粒系统的“巴西果效应”及其逆向原明确释[20,21]。。。。。。通常来说，，，，，，，V-Al合金粒度规模在1~10mm，，，，，，，Al豆粒度规模在8~13mm，，，，，，，而海绵钛的粒度规模通常在0.83~25.4mm，，，，，，，在混料历程中，，，，，，，粒度较小的V-Al合金和Al豆倾向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。。。。。；；；；；；；；炝现亓吭酱螅，，，，，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差别混料次数下电极块纵剖验证与剖析

为了视察两种混料次数下V-Al合金和Al豆现实漫衍特点，，，，，，，划分接纳一次混料、两次混料的方法制备150 kg电极块，，，，，，，并举行纵剖视察。。。。。。

从一次混料电极块的纵剖面图(图4a)可以看出，，，，，，，其内部合金因素泛起出宏观分层征象:电极块下半部分(约1/2厚度区域)，，，，，，，形成了一个一连且富集Al、V合金的致密层;而在上半部分，，，，，，，则响应地形成Al、V合金贫化的区域。。。。。。这种不匀称性并非随机漫衍，，，，，，，而是由物料的物理特征和工艺流程配合决议的。。。。。。

为战胜上述问题，，，，，，，接纳两次混料工艺后，，，，，，，每次倒入模腔的物料量镌汰了一半，，，，，，，这意味着在模腔内需要形成的物料堆的高度也响应降低，，，，，，，合金沉积效应的影响规模被限制在了一个更浅的深度内。。。。。。这一历程有用地破损了一次性投料可能形成的简单、一连的大规模偏析层，，，，，，，将其支解和打散为两个标准更小、影响规模更有限的偏析单位。。。。。。从两次混料制备的电极块纵剖面图(图4b)可以看出，，，，，，，其宏观的分层征象获得极大改善。。。。。。只管仍保存稍微的富集层，，，，，，，但其厚度和合金富集的水平已经远小于一次混料电极块，，，，，，，这说明晰两次混料工艺有用地抑制了因粒度差别导致的沉积偏析，，，，，，，获得了合金漫衍越发匀称的电极块。。。。。。

2.3基于数值模拟的混料次数影响展望

为探讨统一混料总重量下，，，，，，，一次混料(single mixing)与两次混料(double mixing)两种方法对铸锭因素匀称性的影响纪律，，，，，，，依据2.1中电极块中合金漫衍，，，，，，，设计模拟的电极块初始因素，，，，，，，同时，，，，，，，凭证电极块理想匀称状态(ideal uniformity)时因素作为初始条件举行工艺数值模拟，，，，，，，以作为比照。。。。。。然后举行一次熔炼、二次熔炼工艺数值模拟，，，，，，，获得铸锭因素漫衍纪律。。。。。。Al元素模拟效果如图5和6所示，，，，，，，极差水平见表1。。。。。。

从因素漫衍来看(划分取距头部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元素的平均含量整体上泛起出面部<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)的因素极差均小于一次混料工艺，，，，，，，这也预示了电极块接纳两次混料方法对铸锭最终匀称性有一定改善作用。。。。。。

表1 差别电极块因素漫衍下制品铸锭Al元素模拟极差

2.4工业化验证:最终铸锭因素匀称性评价

2.4.1工业化验证铸锭因素实测效果

通过工业化试验，，，，，，，可以看出一次混料和两次混料方法下，，，，，，，铸锭因素的实测效果与模拟展望基本一致。。。。。。如图7和表2所示，，，，，，，现实铸锭Al元素同样泛起出面低、尾高的纪律，，，，，，，并且接纳两次混料工艺时，，，，，，，其制备的铸锭极差显著减。。。。。。，，，，，模拟值与实测值趋势一致，，，，，，，这也说明目今模子关于Al元素的漫衍趋势以及工艺比照的相对效果展望能力较好，，，，，，，而其中数值差别主要源于现实熔炼历程中电弧波动及熔池流动的非理想性，，，，，，，不影响工艺比照结论。。。。。。

表2 差别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

通过工业化试验发明，，，，，，，接纳一次混料电极最终获得的制品铸锭，，，，，，，距底部20mm规模内(对应铸锭重量约40 kg)，，，，，，，保存显著的Al元素贫化，，，，，，，因素极差相比其它位置整体低约0.3%，，，，，，，而在距底部50 mm时，，，，，，，其因素与其他位置水平相当，，，，，，，如图8所示，，，，，，，这说明该不匀称性源于电极块初始宏观偏析的遗传效应，，，，，，，而非熔炼凝固历程中的局部宏观偏析所致。。。。。。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，，，，，，，因此该部分熔化并凝固后，，，，，，，便形成了铸锭底部贫Al区域。。。。。。

这证实晰宏观偏析的标准凌驾了VAR熔炼历程自身搅拌与对流所能匀称化的能力极限,因此被清晰地遗传并定格在最终产品中。。。。。。反之，，，，，，，两次混料将贫料区的标准显著减。。。。。。，，，，，使其不匀称性处于熔炼“自匀称化”能力的容错规模内，，，，，，，最终在熔炼历程电弧搅拌和熔液对流作用下，，，，，，，这种局部的因素波动被有用消除。。。。。。这也说明对电极块匀称性的评判不可只看整体混料匀称度，，，，，，，还要关注是否保存凌驾后续熔炼工艺修复能力的宏观缺陷。。。。。。

3、结论

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

(2)一次混料方法下，，，，，，，由于电极块上半部分形成合金贫化区域，，，，，，，且标准凌驾熔炼历程自匀称化能力，，，，，，，导致铸锭底部最终贫Al;而接纳两次混料方法，，，，，，，由于削减了电极块中合金贫化区标准，，，，，，，有用解决了此问题。。。。。。

(3)模拟效果和工业化验证效果显示，，，，，，，相比一次混料，，，，，，，接纳两次混料方法，，，，，，，可有用提升Ti-6Al-4V合金铸锭整体因素匀称性。。。。。。

参考文献

[1] LUTJERING G,WILLIAMS J C.钛(第 2版)[M].雷霆，，，，，，，杨晓源，，，，，，，方树铭，，，，，，，译.北京:冶金工业出书社,2011.

LUTJERING G, WILLIAMS J C. Titanium(2nd ed.)[M]. LEI T, YANG X Y, FANG S M, translate. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2011.

[2]李伟东，，，，，，，史许娜，，，，，，，李晨阳，，，，，，，乔海滨，，，，，，，王哲，，，，，，，李宁.钛及钛合金铸锭制备工艺生长现状[J].钛工业希望，，，，，，，2024，，，，，，，41(5):42-48.

LI W D, SHI X N, LI C Y, QIAO H B, WANG Z, LI N. Development status of preparation process of titanium and titanium alloy ingot[J].Titanium Industry Progress,2024,41(5):42-48.

[3]《中国航空质料手册》编辑委员会.中国航空质料手册:第4卷钛合金铜合金[M].北京:中国标准出书社,2002.Editorial Committee of China Aeronautical Materials Handbook. China aeronautical materials handbook: Vol. 4 Titanium Alloys Copper Alloys[M]. Beijing: China Standard Press, 2002.

[4] BERDIN V K, KARAVAEVA M V, KISELEVA S K. Formation of microcrystalline structure in large-scale ingots of Ti alloy Ti-6Al-4V during the complex loading[EB/OL].(2011-10-14)[2025-11-21].https://doi.org/10.48550/arXiv.1110.3122.

[5]张英明，，，，，，，周廉，，，，，，，孙军，，，，，，，韩明臣，，，，，，，倪沛彤，，，，，，，陈杜鹃，，，，，，，潘志强.钛合金真空自耗电弧熔炼手艺生长[J].有数金属快报，，，，，，，2008,27(5):9-14.

ZHANG Y M, ZHOU L, SUN J, HAN M C, NI P T, CHEN D J, PAN Z Q. Progress of vacuum arc remelting technology of titanium alloys[J]. Rare Metals Letters, 2008, 27(5): 9-14.

[6]BOMBERG H B,FROES F H.The melting of titanium[J].JOM,1984,36:39-47.

[7]何春艳，，，，，，，祝建雯，，，，，，，朱康平.浅析原质料对钛合金冶金质量的影响[J].特种铸造及有色合金,2016,36(3):309-312.

HE C Y, ZHU J W, ZHU K P. Effects of raw materials on the metallurgical quality of titanium alloy[J]. Special Casting&Nonferrous Alloys,2016,36(3):309-312.

[8]赵小花，，，，，，，王锦程，，，，，，，刘鹏，，，，，，，吴伟，，，，，，，王凯旋，，，，，，，刘向宏，，，，，，，孙鹏.钛合金电极块混料匀称性对铸锭因素的影响[J].钛工业希望,2021,38(4):1-4.

ZHAO X H, WANG J C, LIU P, WU W, WANG K X, LIU X H, SUN P. Effect of electrode block's mixing uniformity on titanium alloy ingot's composition[J]. Titanium Industry Progress, 2021, 38(4): 1-4.

[9]BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science and Engineering: A,1996,213(1-2):103-114.

[10]于继洋，，，，，，，罗坤，，，，，，，耿乃涛，，，，，，，王永钢.基于MeltFlow-VAR模拟工艺探讨AIV55中心合金与TC4钛合金铸锭因素匀称性的关系[J].钛工业希望,2025,42(2):9-15.

YU J Y, LUO K, GENG N T, WANG Y G. Relationship between composition uniformity of AIV55 master alloy and TC4

titanium alloy ingot based on MeltFlow-VAR simulation[J]. Titanium Industry Progress, 2025, 42(2): 9-15.

[11]靖振权，，，，，，，孙彦辉，，，，，，，刘睿，，，，，，，陈炼，，，，，，，耿乃涛，，，，，，，郑友平，，，，，，，彭力，，，，，，，王莹.钛合金TC4真空自耗熔炼工艺参数对宏观偏析影响

[J].有数金属质料与工程,2023,52(3):815-822.

JING Z Q, SUN Y H, LIU R,CHEN L, GENG N T, ZHENG Y P, PENG L, WANG Y. Effect of vacuum arc remelting process parameters on macrosegregation in TC4 titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2023,52(3):815-822.

[12]李鹏飞，，，，，，，李金山，，，，，，，孙畅，，，，，，，寇宏超，，，，，，，钟宏，，，，，，，；；；；；；；；裕，，，，，周廉.钛合金真空自耗电弧熔炼历程的多标准模拟[J].钢铁钒钛,2013,34(2):24-29.

LI P F, LI J S, SUN C,KOU H C, ZHONG H, CHANG H, ZHOU L. Multiscale modeling of the vacuum arc remelting process of titanium alloy[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2013, 34(2): 24-29.

[13]王阳阳，，，，，，，赵小花，，，，，，，雷强，，，，，，，吴伟，，，，，，，付杰，，，，，，，尚金金，，，，，，，何永胜，，，，，，，刘向宏.钛合金VAR熔炼用电极块压制历程模拟研究[J].钛工业希望,2021,38(6):1-5.

WANG Y Y, ZHAO X H, LEI Q,WU W, FU J, SHANG J J, HE Y S, LIU X H. Research on the pressing process of electrode for titanium alloy VAR melting[J]. Titanium Industry Progress, 2021, 38(6): 1-5.

[14]张敏，，，，，，，郭宇飞，，，，，，，黄超，，，，，，，张立胜，，，，，，，张文辉.Ti-6Al-4V三元合金焊接熔池凝固组织模拟[J].质料导报，，，，，，，2021，，，，，，，35(8):8116-8120.

ZHANG M, GUO Y F, HUANG C, ZHANG L S, ZHANG W H. Solidification microstructure simulation of Ti-6Al-4V ternary alloy welding pool[J]. Materials Reports, 2021, 35(8): 8116-8120.

[15]赵小花，，，，，，，李金山，，，，，，，杨治军，，，，，，，孙来喜，，，，，，，；；；；；；；；裕，，，，，薛祥义，，，，，，，周廉.钛合金真空自耗电弧熔炼历程中温度场的数值模拟[J].特种铸造及有色合金,2010,30(11):1001-1004,974.

ZHAO X H, LI J S, YANG Z J, SUN L X, CHANG H, XUE X Y, ZHOU L. Numerical simulation of temperature field in vacuum arc remelting Ti alloy[J]. Special Casting& Nonferrous Alloys, 2010, 30(11): 1001-1004, 974.

[16]赵小花，，，，，，，宋长虹，，，，，，，楼美琪，，，，，，，王凯旋，，，，，，，王阳阳，，，，，，，夏勇，，，，，，，尚金金，，，，，，，刘向宏.钛合金铸锭制备全流程数值模拟研究[J].质料开发与应用,2025,40(3):83-91.

ZHAO X H, SONG C H, LOU M Q, WANG K X, WANG Y Y, XIA Y, SHANG J J, LIU X H. Study on numerical simulation of whole process of titanium alloy ingot production[J]. Development and Application of Materials, 2025,40(3):83-91.

[17]张颖娟，，，，，，，寇宏超，，，，，，，李鹏飞，，，，，，，钟宏，，，，，，，胡锐，，，，，，，李金山，，，，，，，周廉.真空自耗电弧熔炼TC4铸锭的凝固组织和缩松缩孔的模拟[J].特种铸造及有色合金,2012,32(5):418-421.

ZHANG Y J, KOU H C, LI P F, ZHONG H, HU R, LI J S, ZHOU L. Simulation on solidification structure and shrinkage porosity(hole) in TC4 ingot during vacuum arc remelting process[J]. Special Casting& Nonferrous Alloys, 2012,32(5):418-421.

[18]CHEN J H,LI J S,TANG B,DU L H,KOU H C. Numerical simulation of hot die forging process of Ti-6Al-4V alloy blade[J]. Materials Science Forum, 2017, 898: 1325-1331.

[19] ZHENQUAN J, SUN Y H, SONG S C. Numerical simulation of macrosegregation heredity on TC4 titanium alloy ingot by vacuum arc remelting[J]. Metallurgical Research& Technology, 2023, 120(1): 2023.

[20]GUO Y, WU C Y, THORNTON C. The effects of air and particle density difference on segregation of powder mixtures during die filling[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(4):661-673.

[21]YAN X, SHI Q, HOU M, LU K, CHAN C K. Effects of air on the segregation of particles in a shaken granular bed[J].Physical Review Letters,2003,91:014302.

（注，，，，，，，原文问题：Ti-6Al-4V钛合金铸锭因素匀称性提升研究）

相关链接