关于钛及钛合金铸件化学成分优化研究

代思伟，代湘龙

（1.陕西华西钛业有限公司，陕西 宝鸡 721013；2.宝鸡市华西工贸有限公司，陕西 宝鸡 721199）

钛是我国金属铸件市场上常用的金属原料之一。传统钛铸件大多与镍、铬等金属组成钛合金，不仅价格昂贵，颜色、硬度、抗腐蚀性效果等均不理想，且镍、铬等元素对人体具有轻微危害，因此被逐渐淘汰。此外，钛合金铸件的导热性能也弱于一般金属合金铸件，其导热性系数仅为铝合金的17分之1，因为其优越的物理性，钛合金铸件已经成为我国金属铸件市场应用最广泛的原料，而提高其物理性，使之可以不断应用新的领域，也是钛合金研究人员所面对的最大挑战。目前虽然国内钛合金研究学者已经通过在钛金属中添加如Zr、Mo、Nb、Ta等金属的方式提高钛合金铸件的金属硬度，但是上述金属造成了铸件成本大幅提高，其实际应用价值并不理想，如何减少贵重金属含量，且能有效提高钛合金铸件物理性及使用寿命，这就需要对其进行元素优化。对此研究将纯钛元素添加β元素Mo、Nb、Fe、Mn等有益化学元素，制作新型钛合金铸件，通过模拟仿真，测试其物理性。同时采用可以有效提高元素计算可靠性的BP算法，研究各金属化学元素对钛合金铸件的影响，提出钛合金铸件优化方法[1]。

1 钛合金铸件优化方法设计

1.1 钛合金铸件化学参数影响分析

因为Zr、Mo、Nb、Ta等金属化学元素的成本较高，所以采用Fe和Mn作为添加元素[2]。因为Fe元素的加入很有可能引起钛元素金属材料本身腐蚀性脆弱问题，所以需要根据上述元素对钛合金β相的临界值浓度，各元素质量分数如表1所示。

表1 元素方法设计

将1级海绵钛、电解锰、工业级纯铬粉，以及各元素按照不同的添加比例采用真空环境下，自豪电机烘炉熔炼设备制造不同成分的上述金属钛合金，再利用数控线性切割机床统一切割成边长为7毫米的钛合金金属试样，最后利用NHD显微硬度测量测试其硬度。利用HDV恒电仪测试其电力弱化曲线，阳极曲线再根据电流三点法测算其电流密度，其测试人工模拟体液配比为：

表2 体液化学配比图

验证结果显示，制备的钛合金压缩强度明显比钛合金金属强度更优秀。铬合金腐蚀性明显增强。为了实现最优配比，需要仅以科学计算元素质量参数。

1.2 BP神经网络结构算法设计

为了综合研究各元素配比，需要引入逻辑数学领域的BP神经网络结构算法。将需要研究的钛合金铸件金属元素看做是一个整体研究系统，将FE、MO、Mn、Nb、Zr、Ti等化学元素作为其质量分数，所获取的输出分数即为材料硬度参数，从而获取一个自己映射。采用人工神经网络误差的逆向传递规则，可以设计其映射规律。设计的BP网络结构算法共设置了五个传输节点，输出端设置一个网络节点和两个输出隐层，第一层输出神经元设计为7个，第二层为5个。利用隐函数作为输出层，其拓扑结构如图1所示。

图1 神经元结构层示意图

将各金属参数作为输入量，需要神经网络理论直接带入第一隐层，ns为量子间隔量，θv为量子间隔，其中v值取1到ns之间的正整数，其大小的选择与钛合金金属量等同。sfFe元素计算因子。根据神经元计算结构，设计计算函数为：

在公式（1）中，s= 1 ,2,3… ，s ；k=1,2,3,…K ；m= 1 ,2,3… ，M 。

2 实验验证

为了实际验证设计的钛合金铸件化学成分优化方法是否真实有效，进行对比实验。设立对比组和实验组，令对比组选择传统铸件方式，令实验组选择优化后的铸件方式，进行实际验证。为了保证实验结果公平性，以上数据均采用第三方软件进行测试量化，其结果如表3所示

表3 实验数据对比表

3 结语

设计了钛合金化学成分优化方法，通过添加FE、MO、Mn、Nb、Zr等元素提高钛合金金属铸件的物理硬度。为了科学探究最加成分，引入BP神经网络结构，进行成分计算分析，实验证明具有明显优势性。