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(guó)防軍工以及日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越多，從而對(duì)鈦及鈦合金c和性能的要求越來(lái)越高，而鈦合金原料的 熔煉無(wú)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(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)VAR法)

　　隨著真空技術(shù)的發(fā)展和計(jì)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(guò)兩次重熔。

　　用VAR法生產(chǎn)鈦鑄錠，世界各國(guó)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(lèi)，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(guò)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(shì)：

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

　　(2)坩堝內(nèi)電校可在X 軸向/Y軸向上微調(diào);

　　(3)具有精確的電極稱(chēng)重系統(tǒng)，熔煉速率得到自動(dòng)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(tái)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(chǎng)對(duì)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(guò)先進(jìn)的電控系統(tǒng)和重量傳感器來(lái)確保熔煉過(guò)程中電弧的長(zhǎng)度和熔化速率的恒定，從而控制了凝同過(guò)程。可以有效的防止偏析現(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(shí)為了保 證自耗電極成分的均勻性，還需要配置布料、稱(chēng)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(shí)來(lái)不及平衡分布就凝固所產(chǎn)生;后者是由于原料或工藝過(guò)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(guò)程中無(wú)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(jiǎn)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(tái)金電投或石墨電扳，解決了工業(yè)污染問(wèn)題，從而使NC法成為熔煉鈦及鈦臺(tái)金的 重要方法，幾噸級(jí)的NC爐已在歐美運(yùn)轉(zhuǎn)。 水冷銅電極分為兩種類(lèi)型：一種是自旋轉(zhuǎn)的;另一種是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的，其目的在于防止電弧對(duì)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。

　　1535337183761705.jpg

　　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(zhǎng)時(shí)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(guò)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(lái)看是相當(dāng)有利的。通常，NC爐和VAR 爐聯(lián)臺(tái)使用，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

　　1.3 冷爐床熔煉法(簡(jiǎn)稱(chēng)CHM法)

　　由原料的污染和熔煉工藝過(guò)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(tái)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(dòng)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(guò)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(shì)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(shí)，在精煉區(qū)，低密度夾雜(LDI)顆粒在高溫液體中滯留時(shí)間延長(zhǎng)， 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(shuō).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(jiǎn)稱(chēng)EBCHM法) 電子束熔煉(簡(jiǎn)稱(chēng)EB)，是利用高速電子的能量，使材料本身產(chǎn)生熱量來(lái)進(jìn)行熔煉和精煉的工藝過(guò)程。帶有冷爐床的EB爐，就稱(chēng)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(wú)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(yàn);

　　(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(chēng)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(guò)程中無(wú)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(tái)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(duì)于鈦及鈦合金來(lái)說(shuō)，一次熔煉就可以得到理想的鑄錠。

　　現(xiàn)代PCHM 法優(yōu)勢(shì)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(lèi)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(jià)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(duì)于合金來(lái)說(shuō)，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(dòng)化控制，包括工藝參數(shù)(熔煉速度、熔煉與凝固過(guò)程中溫度的分布、熔煉時(shí)成分的變化、不溶性?shī)A雜的去除程度等)及質(zhì)量。

　　1.4 冷堝熔煉法(簡(jiǎn)稱(chēng)CCM法)

　　8O年代美國(guó)硅鐵公司，發(fā)展了無(wú)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(lái)在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，CCM法已經(jīng)開(kāi)始步人工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，鑄 錠最大直徑為l m，長(zhǎng)度2m，其發(fā)展前景令人矚目。

　　CCM 法熔煉過(guò)程是在一個(gè)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?jī)蓚€(gè)塊間的間隙都是一個(gè)增強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)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(wú)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但從目前來(lái)看該技術(shù)仍處于發(fā)展階段。

　　1.5 電渣熔煉法(簡(jiǎn)稱(chēng)ESR法)

　　ESR法是利用電流通過(guò)導(dǎo)電電渣時(shí)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(chēng)重系統(tǒng)和熔煉速率控制系統(tǒng);

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

　　2、不同熔煉方法的分析

　　熔鑄鈦錠質(zhì)量對(duì)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?jī)?yōu)劣主要從以下幾個(gè)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(wú)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(wú)玲隔，頭部縮孔切除量大小。

　　當(dāng)今的航空航天技術(shù)對(duì)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(guò)程質(zhì)量外，還應(yīng)采用多次熔煉，其中至少有一次熔煉過(guò)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(guò)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(wèn)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(shì)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(lái)必將會(huì)成為鈦標(biāo)準(zhǔn)熔煉工藝的一個(gè)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)。