代思偉，代湘龍

（1.陜西華西鈦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721013；2.寶雞市華西工貿(mào)有限公司，陜西 寶雞 721199）

鈦是我國金屬鑄件市場上常用的金屬原料之一。傳統(tǒng)鈦鑄件大多與鎳、鉻等金屬組成鈦合金，不僅價格昂貴，顏色、硬度、抗腐蝕性效果等均不理想，且鎳、鉻等元素對人體具有輕微危害，因此被逐漸淘汰。此外，鈦合金鑄件的導(dǎo)熱性能也弱于一般金屬合金鑄件，其導(dǎo)熱性系數(shù)僅為鋁合金的17分之1，因為其優(yōu)越的物理性，鈦合金鑄件已經(jīng)成為我國金屬鑄件市場應(yīng)用最廣泛的原料，而提高其物理性，使之可以不斷應(yīng)用新的領(lǐng)域，也是鈦合金研究人員所面對的最大挑戰(zhàn)。目前雖然國內(nèi)鈦合金研究學(xué)者已經(jīng)通過在鈦金屬中添加如Zr、Mo、Nb、Ta等金屬的方式提高鈦合金鑄件的金屬硬度，但是上述金屬造成了鑄件成本大幅提高，其實際應(yīng)用價值并不理想，如何減少貴重金屬含量，且能有效提高鈦合金鑄件物理性及使用壽命，這就需要對其進(jìn)行元素優(yōu)化。對此研究將純鈦元素添加β元素Mo、Nb、Fe、Mn等有益化學(xué)元素，制作新型鈦合金鑄件，通過模擬仿真，測試其物理性。同時采用可以有效提高元素計算可靠性的BP算法，研究各金屬化學(xué)元素對鈦合金鑄件的影響，提出鈦合金鑄件優(yōu)化方法[1]。

1 鈦合金鑄件優(yōu)化方法設(shè)計

1.1 鈦合金鑄件化學(xué)參數(shù)影響分析

因為Zr、Mo、Nb、Ta等金屬化學(xué)元素的成本較高，所以采用Fe和Mn作為添加元素[2]。因為Fe元素的加入很有可能引起鈦元素金屬材料本身腐蝕性脆弱問題，所以需要根據(jù)上述元素對鈦合金β相的臨界值濃度，各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 元素方法設(shè)計

將1級海綿鈦、電解錳、工業(yè)級純鉻粉，以及各元素按照不同的添加比例采用真空環(huán)境下，自豪電機烘爐熔煉設(shè)備制造不同成分的上述金屬鈦合金，再利用數(shù)控線性切割機床統(tǒng)一切割成邊長為7毫米的鈦合金金屬試樣，最后利用NHD顯微硬度測量測試其硬度。利用HDV恒電儀測試其電力弱化曲線，陽極曲線再根據(jù)電流三點法測算其電流密度，其測試人工模擬體液配比為：

表2 體液化學(xué)配比圖

驗證結(jié)果顯示，制備的鈦合金壓縮強度明顯比鈦合金金屬強度更優(yōu)秀。鉻合金腐蝕性明顯增強。為了實現(xiàn)最優(yōu)配比，需要僅以科學(xué)計算元素質(zhì)量參數(shù)。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法設(shè)計

為了綜合研究各元素配比，需要引入邏輯數(shù)學(xué)領(lǐng)域的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法。將需要研究的鈦合金鑄件金屬元素看做是一個整體研究系統(tǒng)，將FE、MO、Mn、Nb、Zr、Ti等化學(xué)元素作為其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所獲取的輸出分?jǐn)?shù)即為材料硬度參數(shù)，從而獲取一個自己映射。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差的逆向傳遞規(guī)則，可以設(shè)計其映射規(guī)律。設(shè)計的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法共設(shè)置了五個傳輸節(jié)點，輸出端設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和兩個輸出隱層，第一層輸出神經(jīng)元設(shè)計為7個，第二層為5個。利用隱函數(shù)作為輸出層，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)層示意圖

將各金屬參數(shù)作為輸入量，需要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論直接帶入第一隱層，ns為量子間隔量，θv為量子間隔，其中v值取1到ns之間的正整數(shù)，其大小的選擇與鈦合金金屬量等同。sfFe元素計算因子。根據(jù)神經(jīng)元計算結(jié)構(gòu)，設(shè)計計算函數(shù)為：

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

2 實驗驗證

為了實際驗證設(shè)計的鈦合金鑄件化學(xué)成分優(yōu)化方法是否真實有效，進(jìn)行對比實驗。設(shè)立對比組和實驗組，令對比組選擇傳統(tǒng)鑄件方式，令實驗組選擇優(yōu)化后的鑄件方式，進(jìn)行實際驗證。為了保證實驗結(jié)果公平性，以上數(shù)據(jù)均采用第三方軟件進(jìn)行測試量化，其結(jié)果如表3所示

表3 實驗數(shù)據(jù)對比表

3 結(jié)語

設(shè)計了鈦合金化學(xué)成分優(yōu)化方法，通過添加FE、MO、Mn、Nb、Zr等元素提高鈦合金金屬鑄件的物理硬度。為了科學(xué)探究最加成分，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行成分計算分析，實驗證明具有明顯優(yōu)勢性。