【工业生产】钛棒、钛合金棒等钛合金材料熔炼的工艺与技术展望

    钛棒、钛合金棒等钛合金材料熔炼的工艺与技术展望

随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，钛在工业生产、航空航天、国防军工以及日常生活中的应用越来越多，从而对钛及钛合金c和性能的要求越来越高，而钛合金原料的熔炼无疑是最重要最关键的一环，其熔炼的优劣直接影响到后续加工的成品的性能指标是否达到产品要求，从而推动了钛合金现代熔炼技术的发展，其中包括电子束、等离子冷床炉等新技术的发展，为提高钛合金铸锭的冶金质量和力学性能创造了良好的条件和基础。

1、钛合金熔炼方法

1.1真空自耗电弧炉熔炼法(简称var法)

随着真空技术的发展和计算机的应用，var法很快成为钛的成熟的工业生产技术，今天的钛及其合金铸锭绝大部分是使用此方法生产的。var法显着特点是功率消耗低、熔化速度高和良好的质量重现性，var法熔炼的铸锭具有良好的结晶组织和均匀的化学成分。通常，成品铸锭应由var法熔炼制得.至少要经过两次重熔。

用var法生产钛铸锭，世界各国生产厂家使用的工艺基本相似，差别在于使用不同的电极制备方式和设备.电极制备可分为三大类，一是采用按份加料连续压制的整体电极，排除了电极焊接工序：二是单块电极压制，拼焊成自耗电极。并通过等离子氩弧焊或真空焊焊接成一体;三是利用其它熔炼法制备铸造电极。

现代先进的var炉的技术特点和优势：

(1)全同轴功率输入，也就是说整个炉体高度上的完全同轴性，称同轴供电’，减少偏析现象的产生;

(2)坩埚内电校可在x轴向/y轴向上微调;

(3)具有精确的电极称重系统，熔炼速率得到自动控制，实现了恒速熔炼’。保证了熔炼质量;

(4)保证每次熔炼的重复性和一致性;

(5)灵活性，即一台炉子能够生产多种锭型以及铸锭的大型化，可大幅度提高生产率;

(6)具有良好的经济性。

“同轴供电”方式可以避免因坩埚供给电流不平衡所造成的磁偏漏.减弱或消除感应磁场对熔炼产品的不利影响.并且提高了电效率，从而获得质量稳定的铸锭。

“恒速熔炼”的目的是为了提高铸锭质量，通过先进的电控系统和重量传感器来确保熔炼过程中电弧的长度和熔化速率的恒定，从而控制了凝同过程。可以有效的防止偏析现象，保障了铸锭的内在质量。

现代钛熔炼用var炉除具有以上两大特点外，还实现了var炉的大型化，现代var炉可熔炼直径为1.5m,重32t的大型铸锭.var法是现代钛及钛合金标准的工业熔炼法.还有以下技术需要解决.第一，电极制备方法.制备电极工艺非常繁琐.需要用昂贵的压力机将海绵钛、中间合金和返回残料压制成整体电极或单块小电扳.单块电极还需要焊接成自耗电极.同时为了保证自耗电极成分的均匀性，还需要配置布料、称料、混料等相应的设施。第二，偶尔存在的偏析等冶金缺陷.如成分偏析和凝固偏析。前者是由于杂质元素或合金元素在电极中分布不均匀.熔炼时来不及平衡分布就凝固所产生;后者是由于原料或工艺过程偶尔带入了高密度夹杂物(hdi)和低密度夹杂物(ldi)，这些夹杂物质在熔炼过程中无法彻底溶解，从而导致产生危害极大的夹杂等冶金缺陷。

1.2非自耗真空电弧炉熔炼法(简祢nc法)目前，水冷铜电极已经取代了钛工业起步阶段的钨一钍台金电投或石墨电扳，解决了工业污染问题，从而使nc法成为熔炼钛及钛台金的重要方法，几吨级的nc炉已在欧美运转。水冷铜电极分为两种类型：一种是自旋转的;另一种是旋转磁场的，其目的在于防止电弧对电极的烧损。nc炉也可分为两种：一种是在水冷铜坩埚内熔炼原料，在水冷铜模中浇铸成铸锭;另一种是在水冷铜坩埚内连续投人原料，熔炼和凝固。

nc法熔炼的优点是：

①可以省去压制电极和焊接电极工序;

②可以使电弧在物料上停留较长时间，从而提高铸锭成分均匀化程度;

③可以使用不同形状和尺寸的原料，在熔炼过程中还可以加入100%残料，实现钛的再循环利用。nc法作为一次熔炼，从提高残料回收率和降低成本来看是相当有利的。通常，nc炉和var炉联台使用，以充分发挥各自的优势。

1.3冷炉床熔炼法(简称chm法)

由原料的污染和熔炼工艺过程异常引起的钛及钛舍金铸锭的冶金夹杂缺陷，一直影响着钛及钛台金在航空航天领域的应用.为了消除钛合金飞机发动机旋转部件中的冶金夹杂，冷炉床熔炼技术应运而生。chm法最大的特点是将熔化，精炼和凝固过程的分离，即熔化的炉料进入玲炉床后先进行熔化，然后进入冷炉床的精炼区进行精炼，最后在结晶区凝固成锭。

chm技术显着的优势是在冷炉床床壁能形成凝壳，它的“粘滞区”能够捕捉如wc，mo，ta等高密度夹杂物(hdi)，同时，在精炼区，低密度夹杂(ldi)颗粒在高温液体中滞留时间延长，可以确保ldi的完全溶解，从而有效地清除夹杂缺陷。也就是说.冷炉床熔炼的提纯机理可分为比重分离和熔解分离两种。

1.3.1电子束冷炉床熔炼法(简称ebchm法)电子束熔炼(简称eb)，是利用高速电子的能量，使材料本身产生热量来进行熔炼和精炼的工艺过程。带有冷炉床的eb炉，就称为ebchm。ebchm法具有传统熔炼法不具备的优异功能：

(1)有效地去除钽,钼,钨,碳化钨等高密度夹杂(hdi)和氮化钛。氧化钛等低密度夹杂(ldi);

(2)可以接受多种加料方式，钛残料回收较为容易，即可以使用其它熔炼法无法使用的废料，仍能制得纯净的钛锭，大幅度降低产品的成本;

(3)可直接由金属液中取样分析化验;

(4)可生产异型锭坯，减少生产工序，降低原料消耗，提高成品率;ebchm法还存在以下缺点：

(1)熔炼需要在高真空条件下进行，因此不能使用含氯化物较高的海绵钛直接熔炼;

(2)合金元素易挥发，难以控制化学成分。

1.3.2等离子冷妒床熔炼法(筒称pchm法)

pchm法利用惰性气体电离产生的等离子弧作为热源，可在从低真空到近大气压很宽的压力范围完成熔炼。该方法显着特点是可保证不同蒸气压的合金组分，在熔炼过程中无明显的烧损，同样可消除hdi和ldi冶金缺陷。

该方法具有提供改进传统台金属性的能力，可实现多元化合金的熔炼，是一种较传统熔炼方法经济的熔炼法。

采用该方法熔炼，对于钛及钛合金来说，一次熔炼就可以得到理想的铸锭。

现代pchm法优势在于：

①设备投资低，易操作，安全可靠;

②可以使用不同种类和形态的原料，残料回收率高;

③保证多元化合金的化学成分;

④实现了价格昂贵的惰性气体回收再利用，降低了生产成本。pchm法缺点为电效率较低。

ebchm和pchm相同之处在于都能够消除hdi和ldi。一般熔炼纯钛使用前者较为适宜;而对于合金来说，后者更合适。

同var法一样，以上两种方法电实现了大范围的工艺自动化控制，包括工艺参数(熔炼速度、熔炼与凝固过程中温度的分布、熔炼时成分的变化、不溶性夹杂的去除程度等)及质量。

1.4冷埚熔炼法(简称ccm法)

8o年代美国硅铁公司，发展了无渣感应熔炼工艺，把ccm法推向工业生产应用，用于生产钛锭和钛的精密铸件.近年来在一些经济发达国家，ccm法已经开始步人工业化生产规模，铸锭最大直径为l m，长度2m，其发展前景令人瞩目。

ccm法熔炼过程是在一个彼此不导电的水冷弧形块或铜管组合的金属坩埚里进行，这种组合的最大优点在于，每两个块间的间隙都是一个增强磁场，磁场产生的强烈搅拌使化学成分和温度一致，从而提高了产品质量。

ccm法兼有var法和难熔材料坩埚感应熔炼的特点，不需耐火材料，不必制作电极即可获得一次熔炼成分均匀而无坩埚污染的高质量铸锭。

ccm法与var法相比具有设备成本低，操作简便等优点，但从目前来看该技术仍处于发展阶段。

1.5电渣熔炼法(简称esr法)

esr法是利用电流通过导电电渣时带电粒子的相互碰撞，而将电能转化为热能的。即以熔渣电阻产生的热能将炉料熔化和精炼。esr法使用自耗电极在非活性渣(caf2)中进行电渣熔炼，它可直接熔铸成同形状的锭坯，并且具有良好的表面质量，适宜于下道工序直接加工。该法的优点在于：

(1)esr炉完全同轴性保证了最佳质量铸锭的可重复性;

(2)铸锭轴向结晶，组织致密、均匀;

(3)具有极高精度的电极称重系统和熔炼速率控制系统;

(4)设备简单，操作方便。缺点在于不能排路熔渣对铸锭的污染。

2、不同熔炼方法的分析

熔铸钛锭质量对其后续的冷，热加工材的组织和性能起着决定性的影响。钛及钛合金铸锭质量优劣主要从以下几个方面衡量：

①铸锭的不同部位化学成分是否均匀一致;

②主要杂质(fe、o等)是否控制在适当的范围;

③铸锭内部有无夹杂、偏析、气孔、裂纹，缩孔和疏橙等缺陷;

④铸锭表面是否光滑，无玲隔，头部缩孔切除量大小。

当今的航空航天技术对钛及钛合金铸锭提出了更为严格的质量要求。除严格控制生产工艺过程质量外，还应采用多次熔炼，其中至少有一次熔炼过程是在真空中进行的，以获得优质铸锭。这就要求必须综合利用每一种熔炼方法的特性，实现钛及钛合金的物理冶金过程，从而获得性能优异的，连续重现的高质量钛及钛合金铸锭。

3、展望

从经济的观点出发，var法作为主要的生产方法将继续为航空领域和非航空领域提供高质量钛材，仍将是钛及钛合金熔炼的理想方法。但还需解决电极制备和铸锭清洁问题，nc法主要适用于返回炉料的回收熔炼，ebchm和pchm法以其特有的优势可为航空航天等领域提供质量要求更高的钛及钛合金铸锭。在不久的将来必将会成为钛标准熔炼工艺的一个重要组成部分，ccm法和esr法仍需进一步改进和完善也有可能进入工业化规模生产。

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