TC11鈦棒、TC4鈦棒、鈦合金棒等鈦材料熔煉的方法、工藝、技術(shù)展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，鈦在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防軍工以及日常生活中的應(yīng)用越來越多，從而對鈦及鈦合金c和性能的要求越來越高，而鈦合金原料的 熔煉無疑是最重要最關(guān)鍵的一環(huán)，其熔煉的優(yōu)劣直接影響到后續(xù)加工的成品的性能指標(biāo)是否達(dá)到產(chǎn)品要求，從而推動了鈦合金現(xiàn)代熔煉技術(shù)的發(fā)展，其中包括電子束、等離子冷床爐等新技術(shù)的發(fā)展，為提高鈦合金鑄錠的冶金質(zhì)量和力學(xué)性能創(chuàng)造了良好的條件和基礎(chǔ)。

1、鈦合金熔煉方法

1.1 真空自耗電弧爐熔煉法(簡稱VAR法)

隨著真空技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)的應(yīng)用，VAR法很快成為鈦的成熟的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，今天的鈦及其合金鑄錠絕大部分是使用此方法生產(chǎn)的。VAR法顯著特點(diǎn)是功率消耗低、熔化速度高和良 好的質(zhì)量重現(xiàn)性，VAR法熔煉的鑄錠具有良好的結(jié)晶組織和均勻的化學(xué)成分。通常， 成品鑄錠應(yīng)由VAR法熔煉制得. 至少要經(jīng)過兩次重熔。

用VAR法生產(chǎn)鈦鑄錠，世界各國生產(chǎn)廠家使用的工藝基本相似，差別在于使用不同的電極制備方式和設(shè)備.電極制備可分為三大類，一是采用按份加料連續(xù)壓制的整體電極，排除了電 極焊接工序：二是單塊電極壓制，拼焊成自耗電極。并通過等離子氬弧焊或真空焊焊接成一體;三是利用其它熔煉法制備鑄造電極。

現(xiàn)代先進(jìn)的VAR爐的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：

(1)全同軸功率輸入，也就是說整個爐體高度上的完全同軸性，稱 同軸供電’，減少偏析現(xiàn)象的產(chǎn)生;

(2)坩堝內(nèi)電?？稍赬 軸向/Y軸向上微調(diào);

(3)具有精確的電極稱重系統(tǒng)，熔煉速率得到自動控制，實(shí)現(xiàn)了恒速熔煉’。保證了熔煉質(zhì)量;

(4)保證每次熔煉的重復(fù)性和一致性;

(5)靈活性，即一臺爐子能夠生產(chǎn)多種錠型以及鑄錠的 大型化，可大幅度提高生產(chǎn)率;

(6)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

“同軸供電”方式可以避免因坩堝供給電流不平衡所造成的磁偏漏.減弱或消除感應(yīng)磁場對熔煉產(chǎn)品的不利影響.并且提高了電效率，從而獲得質(zhì)量穩(wěn)定的鑄錠。

“恒速熔煉”的目的是為了提高鑄錠質(zhì)量，通過先進(jìn)的電控系統(tǒng)和重量傳感器來確保熔煉過程中電弧的長度和熔化速率的恒定，從而控制了凝同過程?？梢杂行У姆乐蛊霈F(xiàn)象，保障 了鑄錠的內(nèi)在質(zhì)量。

現(xiàn)代鈦熔煉用VAR爐除具有以上兩大特點(diǎn)外，還實(shí)現(xiàn)了VAR爐的大型化，現(xiàn)代VAR爐可熔煉直徑為1.5m,重32t的大型鑄錠.vAR法是現(xiàn)代鈦及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)熔煉法.還有以下技術(shù)需 要解決.第一，電極制備方法.制備電極工藝非常繁瑣.需要用昂貴的壓力機(jī)將海綿鈦、中間合金和返回殘料壓制成整體電極或單塊小電扳.單塊電極還需要焊接成自耗電極.同時為了保 證自耗電極成分的均勻性，還需要配置布料、稱料、混料等相應(yīng)的設(shè)施。第二，偶爾存在的偏析等冶金缺陷.如成分偏析和凝固偏析。前者是由于雜質(zhì)元素或合金元素在電極中分布不均勻 .熔煉時來不及平衡分布就凝固所產(chǎn)生;后者是由于原料或工藝過程偶爾帶入了 高密度夾雜物(HDI) 和低密度夾雜物(LDI)，這些夾雜物質(zhì)在熔煉過程中無法徹底溶解，從而導(dǎo)致產(chǎn)生危 害極大的夾雜等冶金缺陷。

1.2 非自耗真空電弧爐熔煉法(簡禰NC法) 目前，水冷銅電極已經(jīng)取代了鈦工業(yè)起步階段的鎢一釷臺金電投或石墨電扳，解決了工業(yè)污染問題，從而使NC法成為熔煉鈦及鈦臺金的 重要方法，幾噸級的NC爐已在歐美運(yùn)轉(zhuǎn)。 水冷銅電極分為兩種類型：一種是自旋轉(zhuǎn)的;另一種是旋轉(zhuǎn)磁場的，其目的在于防止電弧對電極的燒損。NC爐也可分為兩種：一種是在水冷銅坩 堝內(nèi)熔煉原料，在水冷銅模中澆鑄成鑄錠;另一種是在水冷銅坩堝內(nèi)連續(xù)投人原料，熔煉和凝固。

NC法熔煉的優(yōu)點(diǎn)是：

①可以省去壓制電極和焊接電極工序;

②可以使電弧在物料上停留較長時間，從而提高鑄錠成分均勻化程度;

③可以使用不同形狀和尺寸的原料，在熔煉過程 中 還可以加入100%殘料，實(shí)現(xiàn)鈦的再循環(huán)利用。NC法作為一次熔煉，從提高殘料回收率和降低成本來看是相當(dāng)有利的。通常，NC爐和VAR 爐聯(lián)臺使用，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

1.3 冷爐床熔煉法(簡稱CHM法)

由原料的污染和熔煉工藝過程異常引起的鈦及鈦舍金鑄錠的冶金夾雜缺陷，一直影 響著鈦及鈦臺金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用.為了消除鈦合金飛機(jī)發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)部件中的冶金 夾雜，冷爐 床熔煉技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CHM法最大的特點(diǎn)是將熔化，精煉和凝固過程的分離，即熔化的爐料進(jìn)入玲爐床后先進(jìn)行熔化，然后進(jìn)入冷爐床的精煉區(qū)進(jìn)行精煉，最后在結(jié)晶區(qū)凝固成錠。

CHM 技術(shù)顯著的優(yōu)勢是在冷爐床床壁能形成凝殼，它的“粘滯區(qū)”能夠捕捉如WC，Mo，Ta等高密度夾雜物(HDI)，同時，在精煉區(qū)，低密度夾雜(LDI)顆粒在高溫液體中滯留時間延長， 可以確保LDI的完全溶解，從而有效地清除夾雜缺陷。也就是說.冷爐床熔煉的提純機(jī)理可分為比重分離和熔解分離兩種。

1.3.1電子束冷爐床熔煉法(簡稱EBCHM法) 電子束熔煉(簡稱EB)，是利用高速電子的能量，使材料本身產(chǎn)生熱量來進(jìn)行熔煉和精煉的工藝過程。帶有冷爐床的EB爐，就稱為EBCHM。 EBCHM法具有傳統(tǒng)熔煉法不具備的優(yōu)異功能：

(1)有效地去除鉭,鉬,鎢,碳化鎢等高密度夾雜(HDI)和氮化鈦。氧化鈦等低密度夾雜(LDI);

(2)可以接受多種加料方式，鈦殘料回收較為容易，即可以使用其它熔煉法無法使用的廢料，仍能制得純凈的鈦錠，大幅度降低產(chǎn)品的成本;

(3)可直接由金屬液中取樣分析化驗;

(4)可生產(chǎn)異型錠坯，減少生產(chǎn)工序，降低原料消耗，提高成品率;EBCHM法還存在以下缺點(diǎn)：

(1)熔煉需要在高真空條件下進(jìn)行，因此不能使用含氯化物較高的海綿鈦直接熔煉;

(2)合金元素易揮發(fā)，難以控制化學(xué)成分。

1.3.2 等離子冷妒床熔煉法(筒稱PCHM法)

PCHM法利用惰性氣體電離產(chǎn)生的等離子弧作為熱源，可在從低真空到近大氣壓很寬的壓力范圍完成熔煉。該方法顯著特點(diǎn)是可保證不同蒸氣壓的合金組分，在熔煉過程中無明顯的燒損 ，同樣可消除HDI和LDI冶金缺陷。

該方法具有提供改進(jìn)傳統(tǒng)臺金屬性的能力，可實(shí)現(xiàn)多元化合金的熔煉，是一種較傳統(tǒng)熔煉方法經(jīng)濟(jì)的熔煉法。

采用該方法熔煉，對于鈦及鈦合金來說，一次熔煉就可以得到理想的鑄錠。

現(xiàn)代PCHM 法優(yōu)勢在于：

①設(shè)備投資低，易操作，安全可靠;

②可以使用不同種類和形態(tài)的原料，殘料回收率高;

③保證多元化合金的化學(xué)成分;

④ 實(shí)現(xiàn)了價格昂貴的惰性氣體回收再 利用，降低了生產(chǎn)成本。PCHM法缺點(diǎn)為電效率較低。

EBCHM和PCHM相同之處在于都能夠消除HDI和LDI。一般熔煉純鈦使用前者較為適宜;而對于合金來說，后者更合適。

同VAR法一樣，以上兩種方法電實(shí)現(xiàn)了大范圍的工藝自動化控制，包括工藝參數(shù)(熔煉速度、熔煉與凝固過程中溫度的分布、熔煉時成分的變化、不溶性夾雜的去除程度等)及質(zhì)量。

1.4 冷堝熔煉法(簡稱CCM法)

8O年代美國硅鐵公司，發(fā)展了無渣感應(yīng)熔煉工藝，把CCM 法推向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，用于生產(chǎn)鈦錠和鈦的精密鑄件.近年來在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，CCM法已經(jīng)開始步人工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，鑄 錠最大直徑為l m，長度2m，其發(fā)展前景令人矚目。

CCM 法熔煉過程是在一個彼此不導(dǎo)電的水冷弧形塊或銅管組合的金屬坩堝里進(jìn)行，這種組合的最大優(yōu)點(diǎn)在于，每兩個塊間的間隙都是一個增強(qiáng)磁場，磁場產(chǎn)生的強(qiáng)烈攪拌使化學(xué)成分和 溫度一致，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

CCM 法兼有VAR 法和難熔材料坩堝感應(yīng)熔煉的特點(diǎn)，不需耐火材料，不必制作電極即可 獲得一次熔煉成分均勻而無坩堝污染的高質(zhì)量鑄錠。

CCM 法與VAR 法相比具有設(shè)備成本低，操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，但從目前來看該技術(shù)仍處于發(fā)展階段。

1.5 電渣熔煉法(簡稱ESR法)

ESR法是利用電流通過導(dǎo)電電渣時帶電粒子的相互碰撞，而將電能轉(zhuǎn)化為熱能的。即以熔渣電阻產(chǎn)生的熱能將爐料熔化和精煉。ESR法使用自耗電極在非活性渣(CaF2)中進(jìn)行電渣熔煉， 它可直接熔鑄成同形狀的錠坯，并且具有良好的表面質(zhì)量，適宜于下道工序直接加工。該法的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)ESR爐完全同軸性保證了最佳質(zhì)量鑄錠的可重復(fù)性;

(2)鑄錠軸向結(jié)晶，組織致 密、均勻;

(3)具有極高精度的電極稱重系統(tǒng)和熔煉速率控制系統(tǒng);

(4)設(shè)備簡單，操作方便。缺點(diǎn)在于不能排路熔渣對鑄錠的污染。

2、不同熔煉方法的分析

熔鑄鈦錠質(zhì)量對其后續(xù)的冷，熱加工材的組織和性能起著決定性的影響。鈦及鈦合金鑄錠質(zhì)量優(yōu)劣主要從以下幾個方面衡量：

① 鑄錠的不同部位化學(xué)成分是否均勻一致;

②主要雜質(zhì) (Fe、O等)是否控制在適當(dāng)?shù)姆秶?

③鑄錠內(nèi)部有無夾雜、偏析、氣孔、裂紋，縮孔和疏橙等缺陷;

④ 鑄錠表面是否光滑，無玲隔，頭部縮孔切除量大小。

當(dāng)今的航空航天技術(shù)對鈦及鈦合金鑄錠提出了更為嚴(yán)格的質(zhì)量要求。除嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝過程質(zhì)量外，還應(yīng)采用多次熔煉，其中至少有一次熔煉過程是在真空中進(jìn)行的，以獲得優(yōu)質(zhì)鑄錠。這就要求必須綜合利用每一種熔煉方法的特性，實(shí)現(xiàn)鈦及鈦合金的物理冶金過程，從而獲得性能優(yōu)異的，連續(xù)重現(xiàn)的高質(zhì)量鈦及鈦合金鑄錠。

3、展望

從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，VAR法作為主要的生產(chǎn)方法將繼續(xù)為航空領(lǐng)域和非航空領(lǐng)域提供高質(zhì)量鈦材，仍將是鈦及鈦合金熔煉的理想方法。但還需解決電極制備和鑄錠清潔問題，NC法主要 適用于返回爐料的回收熔煉，EBCHM和PCHM法以其特有的優(yōu)勢可為航空航天等領(lǐng)域提供質(zhì)量要求更高的鈦及鈦合金鑄錠。在不久的將來必將會成為鈦標(biāo)準(zhǔn)熔煉工藝的一個重要組成部分，CCM 法和ESR法仍需進(jìn)一步改進(jìn)和完善也有可能進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。