隨著工業上對高(gao)品質鈦合(he)金材料的(de)不斷需求，鈦合(he)金熔煉技術的(de)研(yan)究日(ri)益引起(qi)重視(shi)。本文介紹了生產上廣泛應(ying)用的(de)真空自耗(hao)電(dian)弧(hu)熔煉及(ji)電(dian)子束冷床爐(lu)熔煉技術，預測了它們的(de)發展方向，為合(he)理化熔煉工藝(yi)的(de)制(zhi)定提供了依據。

關(guan)鍵詞 ：鈦及鈦合金 ；真空(kong)自(zi)耗熔煉 ；電子(zi)束(shu)冷床爐熔煉

鈦合金(jin)(jin)由于(yu)高的(de)(de)(de)比(bi)強度(du)，良好的(de)(de)(de)耐(nai)熱性與耐(nai)蝕性，而在航(hang)空航(hang)天、兵器(qi)、汽車工(gong)業等領(ling)域得到(dao)廣泛應用，近年來，世界各國都在積極研(yan)究開發各種高效低耗能的(de)(de)(de)鈦合金(jin)(jin)制備工(gong)藝，作(zuo)為鈦合金(jin)(jin)型材(cai)加工(gong)的(de)(de)(de)起(qi)始環節，熔煉工(gong)藝的(de)(de)(de)合理與否(fou)對材(cai)料的(de)(de)(de)綜合力(li)學性能起(qi)重要作(zuo)用，其研(yan)究意義(yi)是重大的(de)(de)(de)。

鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金是(shi)一種高化(hua)學(xue)活(huo)性(xing)(xing)金屬，它極(ji)易與空(kong)(kong)(kong)(kong)氣中(zhong)的氧與氮等(deng)元素(su)結合(he)生成化(hua)合(he)物而(er)使材料變脆，因此，對于鈦(tai)合(he)金的熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)一般是(shi)在真空(kong)(kong)(kong)(kong)或惰性(xing)(xing)氣氛中(zhong)進(jin)行。目前，鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)工藝工藝主要分(fen)為(wei)兩類 ：真空(kong)(kong)(kong)(kong)自(zi)耗(hao)和(he)(he)真空(kong)(kong)(kong)(kong)非(fei)自(zi)耗(hao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)。其中(zhong)，真空(kong)(kong)(kong)(kong)自(zi)耗(hao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)主要由真空(kong)(kong)(kong)(kong)自(zi)耗(hao)電弧熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian) （VAR）、電渣熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)和(he)(he)真空(kong)(kong)(kong)(kong)凝殼爐熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)構成，而(er)真空(kong)(kong)(kong)(kong)非(fei)自(zi)耗(hao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)主要包(bao)括真空(kong)(kong)(kong)(kong)非(fei)自(zi)耗(hao)電弧熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)，冷(leng)坩堝感(gan)應(ying)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)和(he)(he)冷(leng)床爐熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)。

隨(sui)著凝固理論(lun)的(de)日益(yi)完善和計算機技術(shu)的(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)，鈦(tai)及(ji)鈦(tai)合金的(de)熔(rong)煉(lian)技術(shu)不斷(duan)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)。本文主要介紹真空自耗電(dian)弧(hu)熔(rong)煉(lian)和電(dian)子束(shu)冷(leng)床熔(rong)煉(lian)這兩(liang)種生產上應用極為廣泛的(de)熔(rong)煉(lian)技術(shu)， 并對他們的(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)做以展(zhan)(zhan)望。

1 真空自耗電(dian)弧熔煉技術及發展

1.1 真空自耗(hao)電弧熔煉的原理與特點

真空自(zi)耗(hao)(hao)電(dian)(dian)(dian)弧熔(rong)煉(lian)(lian)的簡易(yi)裝置如下(xia)圖 1 所示。熔(rong)煉(lian)(lian)過程(cheng)中(zhong)，自(zi)耗(hao)(hao)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)水冷(leng)坩堝(guo)分別連接電(dian)(dian)(dian)源的負極(ji)(ji)和(he)(he)正極(ji)(ji)，在一定的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)下(xia)，位于自(zi)耗(hao)(hao)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)(he)水冷(leng)坩堝(guo)之間的稀薄氣(qi)體被(bei)(bei)激發產(chan)生釋放(fang)出熱電(dian)(dian)(dian)子且在兩極(ji)(ji)之間電(dian)(dian)(dian)弧，緊接著(zhu)，自(zi)耗(hao)(hao)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)被(bei)(bei)高能(neng)量(liang)的熱電(dian)(dian)(dian)子不斷熔(rong)化成滴，最后，熔(rong)化的金(jin)屬溶滴掉落到(dao)激冷(leng)坩堝(guo)表面(mian)被(bei)(bei)凝(ning)固。同時(shi)，比重(zhong)較輕的雜質和(he)(he)氣(qi)體隨著(zhu)凝(ning)固的進行(xing)不斷上(shang)浮(fu)或沉積(ji)于鑄錠表面(mian)，從而(er)使(shi)金(jin)屬得到(dao)精煉(lian)(lian)。

圖(tu) 1 真空(kong)自耗電弧(hu)熔煉(lian)裝(zhuang)置示意圖(tu)

1- 水(shui)冷(leng)坩堝(guo)壁，2- 自耗(hao)電極(ji)，3- 輔助電極(ji) 4- 熔池，5- 鑄錠

在真空(kong)電(dian)弧熔(rong)(rong)煉(lian)過程中(zhong)，自耗電(dian)極首先被局部熔(rong)(rong)化(hua)，整個鑄錠可以認為是由若(ruo)干(gan)個圓形橫截(jie)面依次凝結構成。此外，根據熔(rong)(rong)煉(lian)過程中(zhong)電(dian)弧的分(fen)布特(te)征，可以認為此時將同(tong)時 存(cun)在軸向與徑向溫度場。

真空(kong)自耗(hao)熔煉過程溫度(du)場分布規(gui)律等特征，使其凝固與(yu)結(jie)晶組織主要表現出以(yi)下特點 ：

第一(yi)，熔煉速度(du)快。由于真空自(zi)耗(hao)熔煉過(guo)程(cheng)中，熔池體積較小，這就導致凝固(gu)過(guo)程(cheng)大(da)的溫(wen)度(du)梯度(du)的形成，大(da)的溫(wen)度(du)梯度(du)使金屬熔液(ye)被(bei)迅速冷卻而凝固(gu)。

第二，鑄(zhu)錠組(zu)織偏析傾向小(xiao)。已經提到(dao)，真(zhen)空熔煉速度(du)較快，而在大(da)的熔煉速率下，宏觀偏析使較難產生的 ；另外(wai)， 現階段多(duo)對鈦(tai)及鈦(tai)合金(jin)鑄(zhu)錠進(jin)行二次以上熔煉，此時，多(duo)次區域熔煉同樣減小(xiao)了枝(zhi)晶內部(bu)與枝(zhi)晶主干(gan)間的微觀偏析。

第三，有利于易揮發(fa)性雜質(zhi)的分離。在(zai)真(zhen)空熔煉條(tiao)件下，高蒸汽壓金(jin)屬雜質(zhi)及氣體很容易排除(chu)，這(zhe)樣，金(jin)屬得到凈(jing)化，綜合性能(neng)得到提(ti)高。

第四，軸(zhou)向與徑(jing)向溫度場分布使其凝固規程中，等軸(zhou)晶形成(cheng)傾向明顯，大(da)量(liang)等軸(zhou)晶的形成(cheng)又在一定程度上抑制了(le)宏(hong)觀偏析的產生。

1.2 真(zhen)空自(zi)耗熔煉技術的發展(zhan)

經過 50 多年的發(fa)展，VAR 技術日臻成熟，其代(dai)表性的進(jin)展主要體現在(zai)以下幾(ji)個方面 ：

1.2.1 大規格(ge)鑄錠的批量(liang)化生產

由于電弧熔煉是(shi)一種批次生(sheng)產工(gong)藝(yi)，若(ruo)能增大鑄錠尺(chi)寸，將(jiang)會極大提高(gao)生(sheng)產效率，產生(sheng)一定經濟效益(yi)。再(zai)者，隨(sui)著近年(nian)來(lai)航空工(gong)業(ye)對于大型鍛件需求的不斷增強，高(gao)品質(zhi)大鑄錠的生(sheng)產迫在(zai)眉(mei)睫。

當(dang)鑄錠(ding)尺寸增大(da)時(shi)，中心(xin)等軸(zhou)晶區(qu)域將增大(da)，此時(shi)宏(hong)觀偏析(xi)與微觀偏析(xi)都易產生。

可喜的是，諸(zhu)多研(yan)究表明，通過(guo)改變(bian)鈦(tai)(tai)及鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)過(guo)程中(zhong)中(zhong)間(jian)合(he)(he)金(jin)的加入方式，合(he)(he)理控(kong)制熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)電流以及適當調整單茨熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)過(guo)程各(ge)階段的熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)電流大小(xiao)，鑄(zhu)錠的偏析(xi)傾向都會較(jiao)小(xiao)，其綜合(he)(he)性能也將提高。而在工業(ye)發達國家，大型(xing)尺寸(cun)鑄(zhu)錠的生產工藝已較(jiao)為完善，目前可熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)直徑為 Φ1524mm， 質量達30t 的大尺寸(cun)鑄(zhu)錠，其 VAR 爐(lu)的噸位多在 8t~15t 之 間(jian) ；相(xiang)比之下，我(wo)國目前采用的 VAR 爐(lu)尺寸(cun)較(jiao)小(xiao)，20 世(shi)紀 90 年代增設了 6t VAR 爐(lu)，2002 年后，寶(bao)鈦(tai)(tai)集(ji)團先后引(yin)進 4 臺 10t 爐(lu)，西部鈦(tai)(tai)業(ye)引(yin)進 2 臺 8t 爐(lu)，西部超導也先后引(yin)進 4 臺 8t 爐(lu)，鈦(tai)(tai)及鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)鑄(zhu)錠生產基本實現了大型(xing)化(hua)。

1.2.2 熔煉工藝(yi)參數(shu)的自(zi)動控制

真(zhen)空電弧熔煉過程中，電極間(jian)隙(xi)是(shi)很重要的(de)參(can)數，它直接決定電弧長(chang)短與深度(du)，影響熔煉過程中軸向溫(wen)度(du)場(chang)與濃度(du)場(chang)分布(bu)和熔池深度(du)，對鑄錠(ding)組(zu)織宏(hong)觀偏(pian)析有重要影響。因此，合理電極間(jian)隙(xi)的(de)設定對獲得良好性能(neng)鑄錠(ding)的(de)作用是(shi)顯而易見的(de)。

E.W.Johnonson 等(deng)人(ren)通過控制(zhi)每秒內電(dian)(dian)(dian)極(ji)端(duan)部熔滴與(yu)熔池(chi)的(de)瞬時(shi)短路次(ci)數(shu)(shu)(shu)在一定范圍(wei)內，而(er)達到電(dian)(dian)(dian)極(ji)間(jian)隙的(de)較為(wei)精(jing)確的(de)控制(zhi)。后(hou)來(lai)，Kalman 過濾算法的(de)使用(yong)加速(su)(su)了(le)電(dian)(dian)(dian)極(ji)間(jian) 隙等(deng)參數(shu)(shu)(shu)自(zi)動控制(zhi)過程的(de)實(shi)(shi)現。熔煉速(su)(su)度(du)直(zhi)接決定鑄錠組織與(yu)成分(fen)分(fen)布。Williamson等(deng)人(ren)綜合考慮了(le)電(dian)(dian)(dian)極(ji)熱邊界層(ceng)、電(dian)(dian)(dian)極(ji)間(jian)隙、 電(dian)(dian)(dian)極(ji)行程位置(zhi)和電(dian)(dian)(dian)極(ji)重量等(deng)參數(shu)(shu)(shu)，開發(fa)了(le)動態(tai)熔速(su)(su)控制(zhi)模型，實(shi)(shi)現了(le)熔煉速(su)(su)率的(de)自(zi)動控制(zhi)。Carpenter Technology Corporation 的(de) VAR 熔煉實(shi)(shi)驗表明 ，該模型可以(yi)在熔煉起始(shi)階段，補縮階段和電(dian)(dian)(dian)極(ji)尺寸發(fa)生(sheng)變化(hua)時(shi)精(jing)確地控制(zhi)熔煉速(su)(su)率。

1.2.3 供電方(fang)式的改變

早期，真空(kong)自耗熔煉(lian)(lian)采用非同軸供電，這樣一來(lai)，一旦強(qiang)大的電流通過(guo)電路，將(jiang)產生很強(qiang)的“雜亂”磁場，使熔煉(lian)(lian)過(guo)程變(bian)得不穩定。現(xian)代新型(xing) VAR 爐都采用同軸供電方式，這將(jiang)抵(di)消外部磁場的影響，這對于(yu)改善鑄(zhu)錠質量(liang)較為有(you)利(li)。

1.2.4 計(ji)算(suan)機(ji)模擬技術的發展(zhan)

較長一段時期內，對(dui)于鈦及(ji)鈦合(he)金真空熔(rong)煉過程的(de)溫度場(chang)，僅(jin)僅(jin)只(zhi)是(shi)感(gan)性認識，而對(dui)于其溫度場(chang)的(de)分布地數值特(te)點， 仍不清楚(chu)。

近些年(nian)來，隨著計算機模擬(ni)技術的(de)(de)發展(zhan)以(yi)(yi)及人(ren)們對凝(ning)固(gu)理論的(de)(de)更深(shen)入認識(shi)，鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金真(zhen)空自耗熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)溫度(du)(du)(du)場的(de)(de)數值解已趨于明(ming)(ming)朗(lang)。趙小花(hua)等(deng)通過(guo)有(you)(you)限(xian)元模擬(ni)法得(de)出熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)過(guo)程(cheng)(cheng)溫度(du)(du)(du)場的(de)(de)分(fen)布，以(yi)(yi)此為基礎，分(fen)析了(le)熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)不(bu)同階(jie)段熔(rong)(rong)(rong)池分(fen)布有(you)(you)最(zui)初的(de)(de)動(dong)態(tai)過(guo)程(cheng)(cheng)轉變為穩(wen)態(tai)的(de)(de)遞(di)變規律。他們還(huan)模擬(ni)得(de)到(dao)(dao)了(le)熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)速率(lv)與冷(leng)卻(que)條件(jian)對熔(rong)(rong)(rong)池溫度(du)(du)(du)場的(de)(de)影響，并且(qie)指出，熔(rong)(rong)(rong)池寬度(du)(du)(du)和(he)深(shen)度(du)(du)(du)都與熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)速率(lv)呈正相關，而冷(leng)卻(que)條件(jian)僅對 VAR 過(guo)程(cheng)(cheng)熔(rong)(rong)(rong)池達(da)到(dao)(dao)穩(wen)態(tai)階(jie)段的(de)(de)時間和(he)鑄錠高度(du)(du)(du)略有(you)(you) 影響。對鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)凝(ning)固(gu)組(zu)織的(de)(de)數值模擬(ni)，也取(qu)得(de)了(le)一些結果。張(zhang)穎娟等(deng)人(ren)的(de)(de)結果表(biao)明(ming)(ming)，真(zhen)空自耗熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金的(de)(de)組(zu)織仍(reng)然由(you)表(biao)面細(xi)晶區，內部(bu)柱狀晶和(he)中(zhong)(zhong)心(xin)等(deng)軸(zhou)晶構成。

且熔煉參數(shu)對(dui)三大晶(jing)(jing)(jing)區的(de)(de)位置和分(fen)布有(you)影(ying)響。NW Timofeev 和寇宏超(chao)等人的(de)(de)研究共同表明(ming)，自然對(dui)流對(dui)真(zhen)空電弧熔煉過程中柱(zhu)狀(zhuang) 晶(jing)(jing)(jing) - 等軸晶(jing)(jing)(jing)轉變 (CET Transition) 和晶(jing)(jing)(jing)粒尺寸影(ying)響較大，表現為促進 CET 轉變。

真空熔煉過程中溫(wen)度場與(yu)凝固組(zu)織的(de)模擬對于(yu)技(ji)術(shu)人 員準確認識凝固過程以及后期工藝(yi)優化有重要(yao)作(zuo)用(yong)。

2 電子束冷(leng)床(chuang)爐熔煉技術

2.1 電(dian)子(zi)束冷床爐熔煉技(ji)術原理與特點

前(qian)已述及(ji)，通常情況下，真(zhen)空(kong)自(zi)耗(hao)電(dian)弧熔煉可有效降低(di)鑄錠偏(pian)析(xi)(xi)，然而，當熔煉易偏(pian)析(xi)(xi)合(he)金(jin)元素較多的(de)金(jin)屬時，宏觀偏(pian)析(xi)(xi)與微觀偏(pian)析(xi)(xi)仍會產生 ；且(qie)該技(ji)術必(bi)須用(yong)較大(da)壓力機制備組分分布較為均勻的(de)自(zi)耗(hao)電(dian)極，這將(jiang)造(zao)成電(dian)能(neng)的(de)過度(du)損 耗(hao)，降低(di)能(neng)源利用(yong)率。

同時(shi)，由于真空(kong)熔煉速(su)率較快，鑄錠容(rong)易出現縮孔縮松等缺(que)陷。

特別值得注意(yi)的是，當海(hai)綿鈦中(zhong)的碳(tan)、氮、氧等元素在(zai)大(da)冷速下(xia)無法排出而滯(zhi)留在(zai)鑄(zhu)錠內部(bu)時，將產生所謂的Ⅰ型 α 偏析(xi)，此類偏析(xi)增大(da)了材料的脆性，可能導致材料發生無明顯(xian)征兆的脆段，其后果極為嚴(yan)重。再者，真空(kong)自(zi)耗熔煉過程中(zhong)，高密度(du)夾雜很容(rong)易滯(zhi)留于鑄(zhu)錠內部(bu)，使鑄(zhu)錠性能下(xia)降。

據美國聯邦航空(kong)局的(de)(de)統計(ji)結果，1962 年 ~1990 年間， 美國共(gong)育 25 起飛行事故是由和熔(rong)煉工藝(yi)缺陷引起零件的(de)(de)失效和早期斷(duan)裂引起的(de)(de)，其(qi)中最嚴重的(de)(de)當屬硬(ying) α 缺陷和高密度夾(jia)雜物。

遺憾的是，僅(jin)有(you) 1/10000 的 硬 α 缺陷可以被檢測出來。這(zhe)就要求我們不斷研(yan)究改進鈦(tai)及鈦(tai)合金熔煉工藝，減(jian)小甚至消除鑄錠(ding)偏(pian)析，針對此(ci)問題，電子束冷床熔煉技(ji)術(shu)應運而生(sheng)。

圖 2 電子束冷床熔(rong)煉(lian)裝置示意圖

1- 高能電子束，2- 進(jin)料區，3- 金屬熔液，4- 凝殼 5- 鑄錠，6- 水冷坩堝(guo)

圖 2 為電(dian)(dian)子(zi)(zi)束冷(leng)床熔煉(lian)(lian)工作(zuo)示意圖。電(dian)(dian)子(zi)(zi)束冷(leng)床熔煉(lian)(lian)由三個區(qu)(qu)域(yu)構(gou)成，即熔化區(qu)(qu)，精(jing)(jing)煉(lian)(lian)區(qu)(qu)和結晶區(qu)(qu)。在熔化區(qu)(qu)， 原料從垂直進料口，經高(gao)能電(dian)(dian)子(zi)(zi)束的(de)(de)轟(hong)擊(ji)熔化后(hou)在重力作(zuo)用下流(liu)入精(jing)(jing)煉(lian)(lian)區(qu)(qu)，由于電(dian)(dian)子(zi)(zi)束的(de)(de)持續轟(hong)擊(ji)，熔體(ti)可在精(jing)(jing)煉(lian)(lian)區(qu)(qu)停留一定時間，在此階段內，低(di)密(mi)度(du)雜(za)(za)質(zhi)（LDI）與易揮發氣體(ti)（如(ru) H、Cl、Ca 等）上浮至(zhi)熔池表(biao)面而(er)被(bei)(bei)(bei)去除，而(er)高(gao)密(mi)度(du)雜(za)(za)質(zhi) （HDI）則被(bei)(bei)(bei)冷(leng)床底部的(de)(de)凝殼捕獲，這樣，熔體(ti)中(zhong)的(de)(de)低(di)密(mi)度(du)與高(gao)密(mi)度(du)雜(za)(za)質(zhi)分別被(bei)(bei)(bei)分離(li)與沉積，金(jin)屬得到凈化，最后(hou)，金(jin)屬熔體(ti)滑(hua)落到結晶區(qu)(qu)在水冷(leng)坩堝(guo)器的(de)(de)冷(leng)卻(que)作(zuo)用下凝固成圓(yuan)形(xing)或扁形(xing)錠。

 與(yu)真(zhen)空自耗(hao)電弧(hu)熔(rong)煉相比，電子(zi)束冷爐床熔(rong)煉主(zhu)要具有(you)以下(xia)優點 ：

第(di)一，在進行電(dian)子束冷爐床熔(rong)煉時，原料未(wei)經(jing)壓制(zhi)電(dian)極而被直接加入熔(rong)煉裝置，這簡化了(le)(le)熔(rong)煉工序，降低了(le)(le)成本， 同時提(ti)高了(le)(le)生產效率 ；

第二，電(dian)子束熔煉(lian)過程(cheng)中，合金(jin)液會在精煉(lian)得(de)到(dao)充分凈化，因此允許原(yuan)料以合金(jin)殘料的形式加入，廢料回收利用率(lv)得(de)到(dao)提高 ；

第(di)二，精煉(lian)(lian)區(qu)的存在不僅使真空熔(rong)煉(lian)(lian)過程(cheng)中無法去除的高密度夾雜得以(yi)沉降，而且，由(you)于電子束冷床爐熔(rong)煉(lian)(lian)過程(cheng)中， 真空度較真空電弧(hu)爐熔(rong)煉(lian)(lian)過程(cheng)高至(zhi)少一個數量(liang)級，這樣，低密度氣體也可以(yi)充分揮發(fa)溶(rong)解，使Ⅰ型 α 偏(pian)析(xi)大大減少，鑄錠質(zhi)量(liang)得到改善 ；

第三，除了(le)圓(yuan)柱形鑄(zhu)錠，此工藝還(huan)可生(sheng)產(chan)空心錠，減少了(le)管材的后(hou)續加工，而(er)采(cai)用矩形板坯生(sheng)產(chan)的鑄(zhu)坯用于板坯生(sheng)產(chan)可提高金屬收得率。

第四(si)，由(you)于在一次熔(rong)(rong)煉條(tiao)件下合金(jin)熔(rong)(rong)體可以得到充分凈化，省去了二次熔(rong)(rong)煉與(yu)三(san)次熔(rong)(rong)煉，此外，原料的連續加入(ru)可實現一爐(lu)多錠，生產效率(lv)較真空自耗熔(rong)(rong)煉得到明顯提高。

2.2 電(dian)子束冷床爐(lu)熔煉技術的發展

冷床(chuang)爐技(ji)術(shu)在國外發(fa)展較快，應用較廣，其(qi)中，以美(mei)國的冷床(chuang)爐 熔煉技(ji)術(shu)最為成(cheng)熟，1999 年，美(mei)國 Allavc 公司裝(zhuang)備(bei)了全(quan)世界最大(da)的 EB 冷床(chuang)爐，最大(da)錠重為 22.7t，可(ke)生產(chan) 860mm×1420mm 扁錠，且該鑄錠可(ke)不經后續鍛(duan)造而直接(jie)軋制(zhi)成(cheng)板(ban)材(cai)(cai)，采用單次(ci)熔煉工藝生產(chan)的 TC4 板(ban)材(cai)(cai)代替多次(ci) VAR 板(ban)材(cai)(cai)產(chan)品，在軍用以及民用領域均得到廣泛應用。

成熟的(de)(de)(de)熔煉(lian)(lian)工藝使(shi)電子(zi)束冷床爐(lu)熔煉(lian)(lian)技(ji)術在美(mei)國(guo)得到較好推廣應 用(yong)(yong)，據了解，該技(ji)術產(chan)能(neng)約占美(mei)國(guo)鈦及鈦合金(jin)(jin)熔煉(lian)(lian)總(zong)產(chan)能(neng)的(de)(de)(de) 45% ；而德國(guo) DTG 公司 從 ALD 購買的(de)(de)(de)1臺(tai) EB 爐(lu)最多可(ke)生產(chan)15t 的(de)(de)(de) 鑄(zhu) 錠，日本友(you)邦(bang)公司采用(yong)(yong)改造(zao)過(guo)(guo)的(de)(de)(de) 1800kw 電子(zi)束冷床爐(lu)可(ke)生產(chan)尺 寸為 600mm×1350mm×2750mm 優質扁形純鈦鑄(zhu)錠。烏克蘭(lan) 科學院(yuan)巴頓(dun)焊接研究所研制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)輝光放(fang)電冷陰極運用(yong)(yong)于(yu)電子(zi)束冷床爐(lu)時，可(ke)使(shi)生產(chan)效率(lv)提高 1 倍多，熔煉(lian)(lian)可(ke)在較低真空度甚至大(da)氣壓下進行，可(ke)明顯降低 Al、Sn、Mn 等高蒸汽壓合金(jin)(jin)元素的(de)(de)(de)燒損，實(shi)現(xian)復(fu)雜鈦合金(jin)(jin)熔煉(lian)(lian)過(guo)(guo)程(cheng)中組分的(de)(de)(de)精(jing)確控(kong)制(zhi)(zhi)。

此外，巴(ba)頓所還(huan)掌握了直接(jie)添加大(da)塊未(wei)破碎的海綿(mian)鈦進行熔(rong)煉的工藝技(ji)術、電子(zi)束表面(mian)熔(rong)修技(ji)術和電子(zi)束冷床爐(lu)熔(rong)煉空心錠技(ji)術。

我(wo)國的(de)電子束(shu)冷(leng)床熔(rong)煉技術起步較晚，2000 年西北有色(se)金屬研究院(yuan)購買了我(wo)國第一臺(tai)電子束(shu)冷(leng)床熔(rong)煉爐(lu)，總(zong)功率(lv) 為(wei) 500kW，主要用于小(xiao)型鑄(zhu)錠(ding)的(de)生產(chan) ；寶鈦集團于 2005 年引進 2400kW 電子束(shu)冷(leng)床爐(lu)，可實(shi)現圓錠(ding)和扁錠(ding)的(de)生產(chan)，其(qi)中，圓錠(ding)尺寸可達 Φ736mm，方錠(ding)尺寸可為(wei)，最大質(zhi)量達 10t。

青海聚能 2012 年(nian)從美國(guo)引進的 44800kW 雙(shuang)工位電子束(shu)冷床(chuang)爐，此為，目前國(guo)內功率(lv)最大的冷床(chuang)爐，每(mei)年(nian)可(ke)實現(xian) 50000t 鈦(tai)及(ji)鈦(tai)合金鑄錠(ding)的生產。

近些(xie)年來，對(dui)于(yu)電(dian)子束冷床爐熔煉工(gong)藝(yi)優化的研究主要集(ji)中在(zai)兩個方面，一(yi)(yi)是從原料入手，開發(fa)合理的大塊(kuai)海綿鈦直接成錠技術(shu) ；第二，在(zai)電(dian)子束冷床爐熔煉過程中，蒸汽壓高的元(yuan)素如 Al 和(he) Sn 等(deng)容(rong)易(yi)(yi)揮發(fa)燒損，因此，減少易(yi)(yi)揮發(fa)元(yuan)素的損失成為(wei)改善工(gong)藝(yi)的又一(yi)(yi)目標(biao)，以下(xia)將對(dui)這兩方面的發(fa)展(zhan)做以評(ping)述。

2.2.1 海綿(mian)鈦剁直接(jie)成錠

相比(bi)于真空自耗熔(rong)煉，電子束冷床爐熔(rong)煉對(dui)于原(yuan)料狀態的(de)要(yao)求較(jiao)低。大塊海綿鈦剁直接成錠技術一旦成熟(shu)，海綿鈦將不(bu)再需要(yao)破碎(sui)，會縮短工藝流程(cheng)，節省(sheng)熔(rong)煉時間(jian)。

烏克蘭(lan)巴頓所在世界上首次研究開發出 0.7t 海綿剁(duo)的電子(zi)束(shu)冷床(chuang)熔煉(lian)工(gong)藝(yi)，金屬凝固(gu)過程中，鈦(tai)剁(duo)被連(lian)續地(di)進給到加熱(re)(re)工(gong)作室進行預熱(re)(re)，已除(chu)氣和去除(chu)表面附著的揮(hui)發性雜質，接著在電子(zi)束(shu)的掃描下(xia)，不斷熔化最(zui)后在水冷結(jie)晶器的冷卻作用下(xia)凝結(jie)。

研究表明(ming)，海(hai)綿(mian)(mian)鈦(tai)(tai)(tai)剁的熔(rong)煉(lian)(lian)速率與塊狀(zhuang)廢料(liao)的熔(rong)煉(lian)(lian)速率相(xiang)接(jie)近，而熔(rong)化海(hai)綿(mian)(mian)鈦(tai)(tai)(tai)剁比熔(rong)煉(lian)(lian)粒度為 10mm~70mm 的破 碎海(hai)綿(mian)(mian)鈦(tai)(tai)(tai)的損失率低(di) 30%~40%，工藝經濟(ji)指標(biao)提高(gao) 20%。生產的純鈦(tai)(tai)(tai)試驗板坯組織均(jun)勻，無氣孔，非金屬夾(jia)雜等缺陷。目前，烏(wu)克蘭亦掌握了重(zhong)達 4t 海(hai)綿(mian)(mian)鈦(tai)(tai)(tai)剁的直接(jie)成錠，但(dan)相(xiang)關標(biao)準還未制定。

2.2.2 易揮發(fa)元素的燒損

已知電子束冷床熔(rong)煉過程中，真空度極(ji)低，這給易(yi)揮發金(jin)屬(shu)元素（如 Al 和 Sn 等(deng)）的(de)溢出創造了條件。合金(jin)元素的(de)不斷揮發，可能造成鑄錠化學成分的(de)偏(pian)差，影響合金(jin)的(de)性能。

因此，電子束(shu)熔煉(lian)過(guo)程中高蒸汽壓元素揮(hui)發機制(zhi)的揭示(shi)對于實現合(he)金元素精確控制(zhi)方(fang)面(mian)有重(zhong)要意義。

現階段，對(dui)鈦合(he)金中最常見 Al 元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)揮(hui)(hui)發特點(dian)及其影(ying)響因素成為(wei)(wei)研(yan)究的(de)(de)(de)(de)重(zhong)點(dian)。有研(yan)究結(jie)果表(biao)明，熔(rong)(rong)煉(lian)(lian)速(su)率(lv)(lv) 對(dui) Al 元(yuan)(yuan)(yuan)素揮(hui)(hui)發有影(ying)響，當熔(rong)(rong)功率(lv)(lv)一定時，隨著熔(rong)(rong)化速(su)率(lv)(lv)由 70Kg/h 提高到 140kg/h，Al 元(yuan)(yuan)(yuan)素揮(hui)(hui)發速(su)率(lv)(lv)相應地由22% 降(jiang)至(zhi) 12%，毛小南等人(ren)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究結(jie)果顯示(shi)，當原料加入方式和(he)其他熔(rong)(rong)煉(lian)(lian)條件相同的(de)(de)(de)(de)條件下，500Kw 冷(leng)床(chuang)爐采用(yong) 100kg/h 的(de)(de)(de)(de)速(su)率(lv)(lv)進行熔(rong)(rong)煉(lian)(lian)，TC4 合(he)金的(de)(de)(de)(de)成分(fen)與(yu)國標(biao)作為(wei)(wei)接 近(jin)。電子束掃(sao)描(miao)頻率(lv)(lv)作為(wei)(wei)熔(rong)(rong)煉(lian)(lian)關鍵參(can)數，對(dui) Al 元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)(de)揮(hui)(hui)發也有影(ying)響。

隨(sui)著電子(zi)束(shu)掃(sao)描頻率的提(ti)高，熔(rong)池(chi)(chi)表面(mian)(mian)溫(wen)差降(jiang)低，Al 燒損(sun)量(liang)也在降(jiang)低，這是因為(wei)，當表面(mian)(mian)溫(wen)差較(jiao)(jiao)大(da)時，熔(rong)池(chi)(chi)內部(bu)溫(wen)度(du)分布不(bu)均勻，Al 元(yuan)素(su)由(you)局部(bu)過(guo)熱(re)區散(san)失，而當熔(rong)池(chi)(chi)溫(wen)差較(jiao)(jiao)小時，熔(rong)池(chi)(chi)各點溫(wen)度(du)分布較(jiao)(jiao)為(wei)一致(zhi)，不(bu)易出現溫(wen)度(du)過(guo)高區域，此時，Al 元(yuan)素(su)的揮(hui)發也將不(bu)再明顯。因此，適當提(ti)高電子(zi)束(shu)掃(sao)描頻率，可以降(jiang)低熔(rong)池(chi)(chi)表面(mian)(mian)溫(wen)差，避免熔(rong)體(ti)局部(bu)過(guo)熱(re)，減少 Al 元(yuan)素(su)的揮(hui)發。

數值模擬(ni)方面，雷文光等人對于熔(rong)煉(lian)速(su)(su)(su)率(lv)與(yu) Al 揮發速(su)(su)(su)率(lv)關系的(de)研究結果與(yu)趨(qu)勢較(jiao)為一致 ；烏克蘭的(de) Akhonin等建立了 TC4 合金(jin)在(zai)冷床(chuang)熔(rong)煉(lian)過程 Al 元素揮發的(de)動(dong)力學模型，結合質量能量平衡方程來研究熔(rong)煉(lian)速(su)(su)(su)率(lv)，電子束(shu)功率(lv)等鑄錠最終成分的(de)影響，并通過實(shi)驗驗證了模擬(ni)結果的(de)合理性(xing)。

 目前，主要(yao)通過補償法來避(bi)免熔煉過程中合(he)(he)金元素(su)的(de)(de)損(sun)失，有結果(guo)(guo)表明，當 Al 元素(su)加(jia)入量接近(jin) 7.3% 時，所熔煉 TC4 合(he)(he)金的(de)(de)化(hua)學(xue)成(cheng)(cheng)為最靠近(jin)名義(yi)成(cheng)(cheng)分(fen) 6% ；烏克蘭巴(ba)頓所以合(he)(he)金成(cheng)(cheng)分(fen)揮發(fa)過程數學(xue)模擬結果(guo)(guo)為指導(dao)，優(you)化(hua)了熔煉工藝，成(cheng)(cheng)功熔煉出直徑為 Φ400mm 且(qie)符合(he)(he) GOST 標(biao)準的(de)(de) VT6 和(he) VT22 鈦合(he)(he)金鑄錠(ding)，此項研究(jiu)意義(yi)重大，它(ta)借(jie)助理論研究(jiu)成(cheng)(cheng)果(guo)(guo)，實現了合(he)(he)金揮發(fa)過程的(de)(de)精確控(kong)制，是此項技術未(wei)來發(fa)展的(de)(de)方向。

3 展望

綜合以(yi)上分析可知，截止目(mu)前，鈦及(ji)鈦合金熔(rong)煉(lian)工(gong)藝已(yi)較為成熟，真(zhen)空自耗電弧熔(rong)煉(lian)與(yu)冷床爐(lu)熔(rong)煉(lian)技術的(de)配(pei)合使用，可有(you)效(xiao)(xiao)減小鑄錠(ding)偏析，雜質(zhi)元素也得(de)到較徹(che)底清除，熔(rong)速的(de)有(you)效(xiao)(xiao)控制使鑄錠(ding)內部縮(suo)孔縮(suo)松缺陷得(de)以(yi)改善(shan)。隨著工(gong)業對于鈦材質(zhi)量要求的(de)不(bu)斷提高，鈦合金熔(rong)煉(lian)工(gong)藝仍需持續改進。

鈦合金真(zhen)空熔(rong)煉(lian)的(de)(de)(de)(de)理論研(yan)究主要集(ji)中在溫度場(chang)，流(liu)場(chang)和濃度場(chang)對(dui)鑄錠凝(ning)固組(zu)織與成(cheng)分的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，而凝(ning)固過程(cheng)中電流(liu)， 電壓等熔(rong)煉(lian)參(can)數(shu)與鑄錠組(zu)織與成(cheng)分的(de)(de)(de)(de)演變關系尚不(bu)明確，然而，熔(rong)煉(lian)參(can)數(shu)對(dui)于(yu)(yu)凝(ning)固過程(cheng)影(ying)響規律的(de)(de)(de)(de)闡明對(dui)于(yu)(yu)真(zhen)空自(zi)耗熔(rong)煉(lian)過程(cheng)的(de)(de)(de)(de)自(zi)動化控(kong)制的(de)(de)(de)(de)實現起決定作用。

 因此(ci)，接下來(lai)，熔煉參數與凝固組織成分對應關(guan)系的闡釋(shi)很有(you)必要，以此(ci)為基礎(chu)，真空熔煉過程的自動控(kong)制也將成為研究的著力點。

電(dian)子束冷床熔煉技術雖已日趨(qu)成熟，但合(he)金元(yuan)素的(de)損(sun)失揮發及氮元(yuan)素偏析等(deng)缺陷仍然無法避免，這(zhe)主要(yao)是由(you)于理論研究方面相對匱乏導致(zhi)的(de)。而目前大部(bu)分研究集中在(zai)實驗(yan)上。因此，后(hou)續理論的(de)完善將對熔煉工(gong)藝的(de)優化提供有力支撐。