引言

鈦合金具備耐腐蝕、比強(qiáng)度高及生物相容性好等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)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(jìn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)的前提下，應(yīng)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(lái)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(guó)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(shè)備投資和生產(chǎn)運(yùn)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(wú)法生產(chǎn)出高均質(zhì)的鈦合金鑄錠，需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制及優(yōu)化[7] ，同時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)新方法，對(duì)過(guò)程能力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。過(guò)程能力就是過(guò)程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)下，產(chǎn)品質(zhì)量正常波動(dòng)的經(jīng)濟(jì)幅度，通常同質(zhì)量特性值分布的 6 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示，記為 6σ。過(guò)程能力是表示生產(chǎn)過(guò)程客觀存在著分散的一個(gè)參數(shù)，但這個(gè)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(gè)參數(shù)來(lái)反映過(guò)程能力滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的程度，即為過(guò)程能力指數(shù)，通常用 Cp 與 Cpk 表示。Cp 是表征過(guò)程固有的波動(dòng)狀態(tài)，即技術(shù)水平；Cpk 是指過(guò)程平均值與產(chǎn)品技術(shù)要求發(fā)生偏移的大小。過(guò)程能力指數(shù)越大，表明產(chǎn)品的離散程度相對(duì)于技術(shù)要求的公差范圍越小，因而過(guò)程能力就越強(qiáng)。因此，可以從過(guò)程能力指數(shù)大小來(lái)判斷能力的強(qiáng)弱。

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

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)高均質(zhì)鈦合金鑄錠的研究并不多，公開報(bào)道更少見。筆者基于 VAR 技術(shù)，通過(guò)對(duì)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(cè)化學(xué)成分，利用統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)確性，同時(shí)降低工作量，使用 Minitab 軟件計(jì)算主化學(xué)元素 Al、Zr、Mo 及 V 的過(guò)程能力指數(shù)（Cp、Cpk）。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1　配料

試驗(yàn)制備的 4 批 ZTA15 鈦合金鑄錠從原材料配料開始嚴(yán)格控制，確保化學(xué)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(jí)海綿鈦，其名義化學(xué)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(jìn)行入廠復(fù)驗(yàn)，檢測(cè)化學(xué)成分及粒度，確認(rèn)結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，主化學(xué)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(dòng)。

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(wú)污染的錫紙包裝存放，并做好牌號(hào)、批次等信息標(biāo)識(shí)。

1.2　混料及電極壓制

先對(duì)模具進(jìn)行清理，確保模具不生銹，同時(shí)對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清掃，保證壓制的電極無(wú)雜質(zhì)和異物污染。在稱量前對(duì)使用的稱量工具校準(zhǔn)、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(jī)進(jìn)行一次壓制成型，最后單根短電極稱重復(fù)核。重復(fù)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(hù)焊技術(shù)焊接電極，氬氣純度99.99% 以上，焊接前將工作臺(tái)面和電極表面清理干凈，不得有油污、灰塵等異物，焊接時(shí)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(diǎn)應(yīng)為銀白色，不得氧化發(fā)藍(lán)，焊接的電極需平直，避免通過(guò)強(qiáng)大電流時(shí)局部產(chǎn)生過(guò)熱。4 根短電極焊接成 1 根長(zhǎng)電極，每批共焊接 3 根長(zhǎng)電極。

1.3.2　一次熔煉

使用型號(hào)DHL-650真空自耗電極電弧爐進(jìn)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(chǎng)，減少邊弧；同時(shí)，縱向磁場(chǎng)會(huì)對(duì)熔池中的鈦液產(chǎn)生攪拌作用。熔煉過(guò)程中，起主要作用的熔煉參數(shù)包括電流、電壓和磁場(chǎng)[8] 。

在操作過(guò)程中嚴(yán)格控制電壓、電流和真空度等熔煉參數(shù)，使弧長(zhǎng)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(fù)雜，總結(jié)過(guò)往一次熔煉參數(shù)，得出一次熔煉經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)電極熔煉時(shí)間約 30 min，得到 1 根 ?160 mm×460 mm 的一次熔煉鑄錠（簡(jiǎn)稱 “一次錠”），單根重量約 40 kg。重復(fù)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(hào)和爐號(hào)等信息的標(biāo)識(shí)。

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(wú)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(guò)往二次熔煉參數(shù)，得出二次熔煉經(jīng)驗(yàn)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(jiǎn)稱“二次錠”）的熔煉時(shí)間約60 min，去除冒口后規(guī)格為 ?220 mm×720 mm，重量約118 kg。重復(fù)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(biāo)識(shí)。

1.4　取樣檢測(cè)

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(jì)8 份進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，4 批共取樣 32 份，并按照批號(hào)+ 取樣位置的規(guī)則進(jìn)行編號(hào)。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

上述制備的 4 批 ZTA15 鈦合金二次鑄錠化學(xué)成分檢測(cè)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(xué)元素 Al、Zr、Mo 及 V 含量均在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，合金錠上、中及下部的化學(xué)成分趨于一致，無(wú)明顯差異，同一部位中心、1/2R 及邊緣的化學(xué)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(xué)成分較均勻，為量化成分均勻性及一致性，利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析。

2.2　質(zhì)量一致性分析

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

Cpk 及 Cp 的計(jì)算公式為：

式中，USL 為標(biāo)準(zhǔn)上限；LSL 為標(biāo)準(zhǔn)下限；s 為標(biāo)準(zhǔn)差；^-x 為樣本均值。

標(biāo)準(zhǔn)差 s 的計(jì)算公式為：

式中，x i 為單個(gè)樣本值；n 為樣本總量。

文中計(jì)算 32 份試樣主化學(xué)元素 Al、Zr、Mo 及 V的成分檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到其過(guò)程能力指數(shù)（Cp、Cpk），以此評(píng)價(jià)化學(xué)成分的均勻性及一致性。

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

3、結(jié)論

（1）使用高級(jí)別原材料，調(diào)整合金配方，精確稱量，控制主化學(xué)元素 Al、Zr、Mo 及 V 的成分波動(dòng)，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(yàn)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(xué)成分波動(dòng)小、較均勻。

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

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