楊歡  楊曉康  杜晨  原張曉  魏芬絨  羅斌  王海  西安賽特思邁鈦業(yè)有限公司

　　隨著工業(yè)上對高品質(zhì)鈦合金材料的不斷需求，鈦合金熔煉技術(shù)的研究日益引起重視。本文介紹了生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的真空自耗電弧熔煉及電子束冷床爐熔煉技術(shù)，預(yù)測了它們的發(fā)展方向，為合理化熔煉工藝的制定提供了依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞 ：鈦及鈦合金 ；真空自耗熔煉 ；電子束冷床爐熔煉

　　鈦合金由于高的比強度，良好的耐熱性與耐蝕性，而在航空航天、兵器、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來，世界各國都在積極研究開發(fā)各種高效低耗能的鈦合金制備工藝，作為鈦合金型材加工的起始環(huán)節(jié)，熔煉工藝的合理與否對材料的綜合力學(xué)性能起重要作用，其研究意義是重大的。

　　鈦及鈦合金是一種高化學(xué)活性金屬，它極易與空氣中的氧與氮等元素結(jié)合生成化合物而使材料變脆，因此，對于鈦合金的熔煉一般是在真空或惰性氣氛中進行。目前，鈦及鈦合金熔煉工藝工藝主要分為兩類 ：真空自耗和真空非自耗熔煉。其中，真空自耗熔煉主要由真空自耗電弧熔煉 （VAR）、電渣熔煉和真空凝殼爐熔煉構(gòu)成，而真空非自耗熔煉主要包括真空非自耗電弧熔煉，冷坩堝感應(yīng)熔煉和冷床爐熔煉。

　　隨著凝固理論的日益完善和計算機技術(shù)的發(fā)展，鈦及鈦合金的熔煉技術(shù)不斷發(fā)展。本文主要介紹真空自耗電弧熔煉和電子束冷床熔煉這兩種生產(chǎn)上應(yīng)用極為廣泛的熔煉技術(shù)， 并對他們的發(fā)展做以展望。

　　1 真空自耗電弧熔煉技術(shù)及發(fā)展

　　1.1 真空自耗電弧熔煉的原理與特點

　　真空自耗電弧熔煉的簡易裝置如下圖 1 所示。熔煉過程中，自耗電極和水冷坩堝分別連接電源的負極和正極，在一定的電壓下，位于自耗電極和水冷坩堝之間的稀薄氣體被激發(fā)產(chǎn)生釋放出熱電子且在兩極之間電弧，緊接著，自耗電極被高能量的熱電子不斷熔化成滴，最后，熔化的金屬溶滴掉落到激冷坩堝表面被凝固。同時，比重較輕的雜質(zhì)和氣體隨著凝固的進行不斷上浮或沉積于鑄錠表面，從而使金屬得到精煉。

圖 1 真空自耗電弧熔煉裝置示意圖

1- 水冷坩堝壁，2- 自耗電極，3- 輔助電極 4- 熔池，5- 鑄錠

　　在真空電弧熔煉過程中，自耗電極首先被局部熔化，整個鑄錠可以認為是由若干個圓形橫截面依次凝結(jié)構(gòu)成。此外，根據(jù)熔煉過程中電弧的分布特征，可以認為此時將同時 存在軸向與徑向溫度場。

　　真空自耗熔煉過程溫度場分布規(guī)律等特征，使其凝固與結(jié)晶組織主要表現(xiàn)出以下特點 ：

　　第一，熔煉速度快。由于真空自耗熔煉過程中，熔池體積較小，這就導(dǎo)致凝固過程大的溫度梯度的形成，大的溫度梯度使金屬熔液被迅速冷卻而凝固。

　　第二，鑄錠組織偏析傾向小。已經(jīng)提到，真空熔煉速度較快，而在大的熔煉速率下，宏觀偏析使較難產(chǎn)生的 ；另外， 現(xiàn)階段多對鈦及鈦合金鑄錠進行二次以上熔煉，此時，多次區(qū)域熔煉同樣減小了枝晶內(nèi)部與枝晶主干間的微觀偏析。

　　第三，有利于易揮發(fā)性雜質(zhì)的分離。在真空熔煉條件下，高蒸汽壓金屬雜質(zhì)及氣體很容易排除，這樣，金屬得到凈化，綜合性能得到提高。

　　第四，軸向與徑向溫度場分布使其凝固規(guī)程中，等軸晶形成傾向明顯，大量等軸晶的形成又在一定程度上抑制了宏觀偏析的產(chǎn)生。

　　1.2 真空自耗熔煉技術(shù)的發(fā)展

　　經(jīng)過 50 多年的發(fā)展，VAR 技術(shù)日臻成熟，其代表性的進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面 ：

　　1.2.1 大規(guī)格鑄錠的批量化生產(chǎn)

　　由于電弧熔煉是一種批次生產(chǎn)工藝，若能增大鑄錠尺寸，將會極大提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)生一定經(jīng)濟效益。再者，隨著近年來航空工業(yè)對于大型鍛件需求的不斷增強，高品質(zhì)大鑄錠的生產(chǎn)迫在眉睫。

　　當(dāng)鑄錠尺寸增大時，中心等軸晶區(qū)域?qū)⒃龃?，此時宏觀偏析與微觀偏析都易產(chǎn)生。

　　可喜的是，諸多研究表明，通過改變鈦及鈦合金熔煉過程中中間合金的加入方式，合理控制熔煉電流以及適當(dāng)調(diào)整單茨熔煉過程各階段的熔煉電流大小，鑄錠的偏析傾向都會較小，其綜合性能也將提高。而在工業(yè)發(fā)達國家，大型尺寸鑄錠的生產(chǎn)工藝已較為完善，目前可熔煉直徑為 Φ1524mm， 質(zhì)量達30t 的大尺寸鑄錠，其 VAR 爐的噸位多在 8t~15t 之 間 ；相比之下，我國目前采用的 VAR 爐尺寸較小，20 世紀 90 年代增設(shè)了 6t VAR 爐，2002 年后，寶鈦集團先后引進 4 臺 10t 爐，西部鈦業(yè)引進 2 臺 8t 爐，西部超導(dǎo)也先后引進 4 臺 8t 爐，鈦及鈦合金鑄錠生產(chǎn)基本實現(xiàn)了大型化。

　　1.2.2  熔煉工藝參數(shù)的自動控制

　　真空電弧熔煉過程中，電極間隙是很重要的參數(shù)，它直接決定電弧長短與深度，影響熔煉過程中軸向溫度場與濃度場分布和熔池深度，對鑄錠組織宏觀偏析有重要影響。因此，合理電極間隙的設(shè)定對獲得良好性能鑄錠的作用是顯而易見的。

　　E.W.Johnonson 等人通過控制每秒內(nèi)電極端部熔滴與熔池的瞬時短路次數(shù)在一定范圍內(nèi)，而達到電極間隙的較為精確的控制。后來，Kalman 過濾算法的使用加速了電極間 隙等參數(shù)自動控制過程的實現(xiàn)。熔煉速度直接決定鑄錠組織與成分分布。Williamson等人綜合考慮了電極熱邊界層、電極間隙、 電極行程位置和電極重量等參數(shù)，開發(fā)了動態(tài)熔速控制模型，實現(xiàn)了熔煉速率的自動控制。Carpenter Technology Corporation 的 VAR 熔煉實驗表明 ，該模型可以在熔煉起始階段，補縮階段和電極尺寸發(fā)生變化時精確地控制熔煉速率。

　　1.2.3 供電方式的改變

　　早期，真空自耗熔煉采用非同軸供電，這樣一來，一旦強大的電流通過電路，將產(chǎn)生很強的“雜亂”磁場，使熔煉過程變得不穩(wěn)定。現(xiàn)代新型 VAR 爐都采用同軸供電方式，這將抵消外部磁場的影響，這對于改善鑄錠質(zhì)量較為有利。

　　1.2.4   計算機模擬技術(shù)的發(fā)展

　　較長一段時期內(nèi)，對于鈦及鈦合金真空熔煉過程的溫度場，僅僅只是感性認識，而對于其溫度場的分布地數(shù)值特點， 仍不清楚。

　　近些年來，隨著計算機模擬技術(shù)的發(fā)展以及人們對凝固理論的更深入認識，鈦及鈦合金真空自耗熔煉過程中溫度場的數(shù)值解已趨于明朗。趙小花等通過有限元模擬法得出熔煉過程溫度場的分布，以此為基礎(chǔ)，分析了熔煉不同階段熔池分布有最初的動態(tài)過程轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的遞變規(guī)律。他們還模擬得到了熔煉速率與冷卻條件對熔池溫度場的影響，并且指出，熔池寬度和深度都與熔煉速率呈正相關(guān)，而冷卻條件僅對 VAR 過程熔池達到穩(wěn)態(tài)階段的時間和鑄錠高度略有 影響。對鈦及鈦合金熔煉過程中凝固組織的數(shù)值模擬，也取得了一些結(jié)果。張穎娟等人的結(jié)果表明，真空自耗熔煉鈦及鈦合金的組織仍然由表面細晶區(qū)，內(nèi)部柱狀晶和中心等軸晶構(gòu)成。

　　且熔煉參數(shù)對三大晶區(qū)的位置和分布有影響。NW Timofeev 和寇宏超等人的研究共同表明，自然對流對真空電弧熔煉過程中柱狀 晶 - 等軸晶轉(zhuǎn)變 (CET Transition) 和晶粒尺寸影響較大，表現(xiàn)為促進 CET 轉(zhuǎn)變。

　　真空熔煉過程中溫度場與凝固組織的模擬對于技術(shù)人 員準確認識凝固過程以及后期工藝優(yōu)化有重要作用。

　　2 電子束冷床爐熔煉技術(shù)

　　2.1 電子束冷床爐熔煉技術(shù)原理與特點

　　前已述及，通常情況下，真空自耗電弧熔煉可有效降低鑄錠偏析，然而，當(dāng)熔煉易偏析合金元素較多的金屬時，宏觀偏析與微觀偏析仍會產(chǎn)生 ；且該技術(shù)必須用較大壓力機制備組分分布較為均勻的自耗電極，這將造成電能的過度損 耗，降低能源利用率。

　　同時，由于真空熔煉速率較快，鑄錠容易出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷。

　　特別值得注意的是，當(dāng)海綿鈦中的碳、氮、氧等元素在大冷速下無法排出而滯留在鑄錠內(nèi)部時，將產(chǎn)生所謂的Ⅰ型 α 偏析，此類偏析增大了材料的脆性，可能導(dǎo)致材料發(fā)生無明顯征兆的脆段，其后果極為嚴重。再者，真空自耗熔煉過程中，高密度夾雜很容易滯留于鑄錠內(nèi)部，使鑄錠性能下降。

　　據(jù)美國聯(lián)邦航空局的統(tǒng)計結(jié)果，1962 年 ~1990 年間， 美國共育 25 起飛行事故是由和熔煉工藝缺陷引起零件的失效和早期斷裂引起的，其中最嚴重的當(dāng)屬硬 α 缺陷和高密度夾雜物。

　　遺憾的是，僅有 1/10000 的 硬 α 缺陷可以被檢測出來。這就要求我們不斷研究改進鈦及鈦合金熔煉工藝，減小甚至消除鑄錠偏析，針對此問題，電子束冷床熔煉技術(shù)應(yīng)運而生。

圖 2 電子束冷床熔煉裝置示意圖

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

　　圖 2 為電子束冷床熔煉工作示意圖。電子束冷床熔煉由三個區(qū)域構(gòu)成，即熔化區(qū)，精煉區(qū)和結(jié)晶區(qū)。在熔化區(qū)， 原料從垂直進料口，經(jīng)高能電子束的轟擊熔化后在重力作用下流入精煉區(qū)，由于電子束的持續(xù)轟擊，熔體可在精煉區(qū)停留一定時間，在此階段內(nèi)，低密度雜質(zhì)（LDI）與易揮發(fā)氣體（如 H、Cl、Ca 等）上浮至熔池表面而被去除，而高密度雜質(zhì) （HDI）則被冷床底部的凝殼捕獲，這樣，熔體中的低密度與高密度雜質(zhì)分別被分離與沉積，金屬得到凈化，最后，金屬熔體滑落到結(jié)晶區(qū)在水冷坩堝器的冷卻作用下凝固成圓形或扁形錠。

　　與真空自耗電弧熔煉相比，電子束冷爐床熔煉主要具有以下優(yōu)點 ：

　　第一，在進行電子束冷爐床熔煉時，原料未經(jīng)壓制電極而被直接加入熔煉裝置，這簡化了熔煉工序，降低了成本， 同時提高了生產(chǎn)效率 ；

　　第二，電子束熔煉過程中，合金液會在精煉得到充分凈化，因此允許原料以合金殘料的形式加入，廢料回收利用率得到提高 ；

　　第二，精煉區(qū)的存在不僅使真空熔煉過程中無法去除的高密度夾雜得以沉降，而且，由于電子束冷床爐熔煉過程中， 真空度較真空電弧爐熔煉過程高至少一個數(shù)量級，這樣，低密度氣體也可以充分揮發(fā)溶解，使Ⅰ型 α 偏析大大減少，鑄錠質(zhì)量得到改善 ；

　　第三，除了圓柱形鑄錠，此工藝還可生產(chǎn)空心錠，減少了管材的后續(xù)加工，而采用矩形板坯生產(chǎn)的鑄坯用于板坯生產(chǎn)可提高金屬收得率。

　　第四，由于在一次熔煉條件下合金熔體可以得到充分凈化，省去了二次熔煉與三次熔煉，此外，原料的連續(xù)加入可實現(xiàn)一爐多錠，生產(chǎn)效率較真空自耗熔煉得到明顯提高。

　　2.2 電子束冷床爐熔煉技術(shù)的發(fā)展

　　冷床爐技術(shù)在國外發(fā)展較快，應(yīng)用較廣，其中，以美國的冷床爐 熔煉技術(shù)最為成熟，1999 年，美國 Allavc 公司裝備了全世界最大的 EB 冷床爐，最大錠重為 22.7t，可生產(chǎn) 860mm×1420mm 扁錠，且該鑄錠可不經(jīng)后續(xù)鍛造而直接軋制成板材，采用單次熔煉工藝生產(chǎn)的 TC4 板材代替多次 VAR 板材產(chǎn)品，在軍用以及民用領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

　　成熟的熔煉工藝使電子束冷床爐熔煉技術(shù)在美國得到較好推廣應(yīng) 用，據(jù)了解，該技術(shù)產(chǎn)能約占美國鈦及鈦合金熔煉總產(chǎn)能的 45% ；而德國 DTG 公司 從 ALD 購買的1臺 EB 爐最多可生產(chǎn)15t 的 鑄 錠，日本友邦公司采用改造過的 1800kw 電子束冷床爐可生產(chǎn)尺 寸為 600mm×1350mm×2750mm 優(yōu)質(zhì)扁形純鈦鑄錠。烏克蘭 科學(xué)院巴頓焊接研究所研制的輝光放電冷陰極運用于電子束冷床爐時，可使生產(chǎn)效率提高 1 倍多，熔煉可在較低真空度甚至大氣壓下進行，可明顯降低 Al、Sn、Mn 等高蒸汽壓合金元素的燒損，實現(xiàn)復(fù)雜鈦合金熔煉過程中組分的精確控制。

　　此外，巴頓所還掌握了直接添加大塊未破碎的海綿鈦進行熔煉的工藝技術(shù)、電子束表面熔修技術(shù)和電子束冷床爐熔煉空心錠技術(shù)。

　　我國的電子束冷床熔煉技術(shù)起步較晚，2000 年西北有色金屬研究院購買了我國第一臺電子束冷床熔煉爐，總功率 為 500kW，主要用于小型鑄錠的生產(chǎn) ；寶鈦集團于 2005 年引進 2400kW 電子束冷床爐，可實現(xiàn)圓錠和扁錠的生產(chǎn)，其中，圓錠尺寸可達 Φ736mm，方錠尺寸可為，最大質(zhì)量達 10t。

　　青海聚能 2012 年從美國引進的 44800kW 雙工位電子束冷床爐，此為，目前國內(nèi)功率最大的冷床爐，每年可實現(xiàn) 50000t 鈦及鈦合金鑄錠的生產(chǎn)。

　　近些年來，對于電子束冷床爐熔煉工藝優(yōu)化的研究主要集中在兩個方面，一是從原料入手，開發(fā)合理的大塊海綿鈦直接成錠技術(shù) ；第二，在電子束冷床爐熔煉過程中，蒸汽壓高的元素如 Al 和 Sn 等容易揮發(fā)燒損，因此，減少易揮發(fā)元素的損失成為改善工藝的又一目標，以下將對這兩方面的發(fā)展做以評述。

　　2.2.1  海綿鈦剁直接成錠

　　相比于真空自耗熔煉，電子束冷床爐熔煉對于原料狀態(tài)的要求較低。大塊海綿鈦剁直接成錠技術(shù)一旦成熟，海綿鈦將不再需要破碎，會縮短工藝流程，節(jié)省熔煉時間。

　　烏克蘭巴頓所在世界上首次研究開發(fā)出 0.7t 海綿剁的電子束冷床熔煉工藝，金屬凝固過程中，鈦剁被連續(xù)地進給到加熱工作室進行預(yù)熱，已除氣和去除表面附著的揮發(fā)性雜質(zhì)，接著在電子束的掃描下，不斷熔化最后在水冷結(jié)晶器的冷卻作用下凝結(jié)。

　　研究表明，海綿鈦剁的熔煉速率與塊狀廢料的熔煉速率相接近，而熔化海綿鈦剁比熔煉粒度為 10mm~70mm 的破 碎海綿鈦的損失率低 30%~40%，工藝經(jīng)濟指標提高 20%。生產(chǎn)的純鈦試驗板坯組織均勻，無氣孔，非金屬夾雜等缺陷。目前，烏克蘭亦掌握了重達 4t 海綿鈦剁的直接成錠，但相關(guān)標準還未制定。

　　2.2.2  易揮發(fā)元素的燒損

　　已知電子束冷床熔煉過程中，真空度極低，這給易揮發(fā)金屬元素（如 Al 和 Sn 等）的溢出創(chuàng)造了條件。合金元素的不斷揮發(fā)，可能造成鑄錠化學(xué)成分的偏差，影響合金的性能。

　　因此，電子束熔煉過程中高蒸汽壓元素揮發(fā)機制的揭示對于實現(xiàn)合金元素精確控制方面有重要意義。

　　現(xiàn)階段，對鈦合金中最常見 Al 元素的揮發(fā)特點及其影響因素成為研究的重點。有研究結(jié)果表明，熔煉速率 對 Al 元素揮發(fā)有影響，當(dāng)熔功率一定時，隨著熔化速率由 70Kg/h 提高到 140kg/h，Al 元素揮發(fā)速率相應(yīng)地由22% 降至 12%，毛小南等人的研究結(jié)果顯示，當(dāng)原料加入方式和其他熔煉條件相同的條件下，500Kw 冷床爐采用 100kg/h 的速率進行熔煉，TC4 合金的成分與國標作為接 近。電子束掃描頻率作為熔煉關(guān)鍵參數(shù)，對 Al 元素的揮發(fā)也有影響。

　　隨著電子束掃描頻率的提高，熔池表面溫差降低，Al 燒損量也在降低，這是因為，當(dāng)表面溫差較大時，熔池內(nèi)部溫度分布不均勻，Al 元素由局部過熱區(qū)散失，而當(dāng)熔池溫差較小時，熔池各點溫度分布較為一致，不易出現(xiàn)溫度過高區(qū)域，此時，Al 元素的揮發(fā)也將不再明顯。因此，適當(dāng)提高電子束掃描頻率，可以降低熔池表面溫差，避免熔體局部過熱，減少 Al 元素的揮發(fā)。

　　數(shù)值模擬方面，雷文光等人對于熔煉速率與 Al 揮發(fā)速率關(guān)系的研究結(jié)果與趨勢較為一致 ；烏克蘭的 Akhonin等建立了 TC4 合金在冷床熔煉過程 Al 元素揮發(fā)的動力學(xué)模型，結(jié)合質(zhì)量能量平衡方程來研究熔煉速率，電子束功率等鑄錠最終成分的影響，并通過實驗驗證了模擬結(jié)果的合理性。

　　目前，主要通過補償法來避免熔煉過程中合金元素的損失，有結(jié)果表明，當(dāng) Al 元素加入量接近 7.3% 時，所熔煉 TC4 合金的化學(xué)成為最靠近名義成分 6% ；烏克蘭巴頓所以合金成分揮發(fā)過程數(shù)學(xué)模擬結(jié)果為指導(dǎo)，優(yōu)化了熔煉工藝，成功熔煉出直徑為 Φ400mm 且符合 GOST 標準的 VT6 和 VT22 鈦合金鑄錠，此項研究意義重大，它借助理論研究成果，實現(xiàn)了合金揮發(fā)過程的精確控制，是此項技術(shù)未來發(fā)展的方向。

　　3 展望

　　綜合以上分析可知，截止目前，鈦及鈦合金熔煉工藝已較為成熟，真空自耗電弧熔煉與冷床爐熔煉技術(shù)的配合使用，可有效減小鑄錠偏析，雜質(zhì)元素也得到較徹底清除，熔速的有效控制使鑄錠內(nèi)部縮孔縮松缺陷得以改善。隨著工業(yè)對于鈦材質(zhì)量要求的不斷提高，鈦合金熔煉工藝仍需持續(xù)改進。

　　鈦合金真空熔煉的理論研究主要集中在溫度場，流場和濃度場對鑄錠凝固組織與成分的影響，而凝固過程中電流， 電壓等熔煉參數(shù)與鑄錠組織與成分的演變關(guān)系尚不明確，然而，熔煉參數(shù)對于凝固過程影響規(guī)律的闡明對于真空自耗熔煉過程的自動化控制的實現(xiàn)起決定作用。

　　因此，接下來，熔煉參數(shù)與凝固組織成分對應(yīng)關(guān)系的闡釋很有必要，以此為基礎(chǔ)，真空熔煉過程的自動控制也將成為研究的著力點。

　　電子束冷床熔煉技術(shù)雖已日趨成熟，但合金元素的損失揮發(fā)及氮元素偏析等缺陷仍然無法避免，這主要是由于理論研究方面相對匱乏導(dǎo)致的。而目前大部分研究集中在實驗上。因此，后續(xù)理論的完善將對熔煉工藝的優(yōu)化提供有力支撐。