將上述壓制的電極兩兩焊接后分別進行2組一次真空自耗熔煉，焊接的電極如圖2所示，輔助電極為純鈦。
2.3一次真空自耗熔煉
將焊接好的TC2電極在小型真空自耗爐里進行φ80mm一次錠冶煉，熔煉過程中根據TC2的材料特點控制電流、電壓等關鍵工藝參數。一次錠的熔煉過程持續10min，然后隨爐冷卻40～60min后再出爐。一次錠的實物如圖3所示，在一次錠的靠中部外圓(如圖4所示)進行取樣，分析一次錠中Mn元素的揮發程度。
2.4二次真空自耗熔煉
φ120mmTC2二次成品錠是將2支一次錠在爐內焊接后進行真空自耗而成。熔煉電流和電壓同樣是二次真空自耗工藝的關鍵控制參數，確保鑄錠成分均勻性和表面質量，TC2二次成品錠的實物如圖5所示。
3、結果與分析
3.1φ80mm一次錠中Mn元素的揮發結果
對φ80mm一次錠外圓表面進行局部取樣，并對Mn元素進行成分分析，分析方法采用GB/T4698.21標準，分析儀器為ICP-AES光譜儀。分析結果表明:Mn的質量分數為2.35%，和配入點2.5%的含量(質量分數)相比，損耗為6%。表明經過一次真空自耗后，TC2中的Mn元素揮發不嚴重，與其他合金元素(如Al、V、Mo等)類似，損耗均在正常范圍內。
3.2φ120mm二次成品錠中Mn元素的揮發結果
對φ120mm二次成品錠的頭尾橫截面取樣(如圖6所示)，進行Mn元素的成分分析，橫截面上各部位的Mn元素分析結果如圖7所示。
從TC2二次成品鑄錠的頭尾橫截面中Mn元素的成分分析結果來看:經過二次真空自耗后，頭部外圓中的Mn元素(平均質量分數為1.215%)與一次鑄錠外圓中的Mn元素(質量分數為2.35%)相比，揮發損耗為48.30%;鑄錠從中心到邊緣的Mn含量基本上沒有變化，比較均勻，而非其他文獻所說的鑄錠表層的含錳量可高達中心部位的15倍[3]。
尾部外圓Mn元素(平均質量分數為1.385%)與一次鑄錠外圓Mn元素(質量分數為2.35%)相比，揮發損耗在41.06%，鑄錠從中心到邊緣的Mn含量有下降趨勢，從平均值(1/2半徑處的質量分數為1.568%，外圓處的質量分數為1.385%)來看，下降了0.183個百分點。
上述TC2頭尾橫截面的Mn元素成分均勻性檢測結果表明:在非充氬狀態下，經過二次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發比較嚴重，這是因為在真空狀態下熔煉時，壓力遠遠超過了Mn元素的飽和蒸氣壓。TC2鈦合金熔體為三元合金體系，組元Ti、Al和Mn的摩爾分數分別為91.8%、6.9%和1.3%。純組元的飽和蒸氣壓可以用式(1)計算[4]:
式中:P0i為純組元i的飽和蒸氣壓，Pa;T為熔體溫度，K;A、B、C、D為熱力學常數，可在文獻[4]中查到，從而可以得出不同溫度下純組元Ti、Al和Mn的飽和蒸氣壓的計算公式，具體見式(2)～(4):
根據上述計算公式可計算得出不同溫度下純組元Ti、Al和Mn的飽和蒸氣壓，如圖8所示。
據文獻資料[5]，從熱力學來看，當熔體溫度T一定時，合金熔體中元素的蒸氣壓Pi受其摩爾濃度及各元素之間的相互作用影響，揮發程度與該元素的飽和蒸氣壓P0i有著密切的關系，見式(5)。
式中:Pi為合金熔體中組元i的飽和蒸氣壓;γi為組元i在合金熔體中的活度系數;xi為組元i的摩爾分數;P0i為純組元i的飽和蒸氣壓。將公式(2)～(4)分別代入公式(5)，可計算得出不同溫度下Ti、Al和Mn三種元素在真空自耗熔煉時的揮發速度，如圖9所示。
4、結論
(1)本文中TC2鈦合金在非充氬狀態時一次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發損耗不大，可控制在6%左右。
(2)本文中TC2鈦合金在非充氬狀態時進行二次真空自耗熔煉后，Mn元素的揮發損耗較大，達到了40%～50%。在無充氬條件下進行熔煉時需在電極制備階段考慮提高Mn元素的配入比例。
(3)為了提高二次熔煉后TC2鈦合金鑄錠尾部的Mn元素成分均勻性，建議增加一次真空自耗熔煉，即成品為三次真空自耗熔煉鑄錠。
(4)為減少真空自耗熔煉時的Mn元素揮發損耗，建議二次真空自耗時進行充氬保護。
參考文獻
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