鈦及鈦合金熔煉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

王易山

（洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

隨著新時(shí)代的到來(lái)，金屬熔煉的技術(shù)也在不斷的進(jìn)步完善，盡管新熔煉技術(shù)不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)材料的品質(zhì)以及產(chǎn)量也大幅提升，但是仍然有著耗能損耗大、技術(shù)低等一系列的問(wèn)題，因此，原有的熔煉技術(shù)的分析將對(duì)今后熔煉技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。跟其他金屬不同的是，鈦及鈦合金屬于高化學(xué)的活性金屬，因此，在熔融條件下，基本都會(huì)與全部耐火原料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并且在大氣中也不能熔煉，只有在真空或者惰性氣氛條件下才能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，由于熔煉技術(shù)的難度大，所以，目前只有極少數(shù)國(guó)家才能掌控鈦及鈦合金的熔煉技術(shù)。目前，鈦及鈦合金熔煉技術(shù)主要有真空自耗熔煉以及真空非自耗熔煉[1]。文章重點(diǎn)介紹真空自耗電弧熔煉技術(shù)、冷床爐熔煉技術(shù)、PACHM技術(shù)以及真空自耗熔煉技術(shù)。

1 真空自耗電弧熔煉技術(shù)

（1）真空自耗電弧熔煉技術(shù)的原理。當(dāng)今，鈦及鈦合金大多利用真空自耗電弧熔煉技術(shù)，首先將自耗電極壓制好并將其設(shè)置為負(fù)極，而銅坩堝設(shè)置為正極，將鈦及鈦合金放在真空或者惰性環(huán)境中，將電極放在電弧的高溫下加熱，將其迅速熔化并進(jìn)行一定攪拌，同時(shí)將易揮發(fā)的雜質(zhì)快速擴(kuò)散去除，通過(guò)充分地?cái)嚢枋蛊渚鶆颉?/p>

（2）真空自耗電弧熔煉技術(shù)的特點(diǎn)。真空自耗電弧熔煉技術(shù)的特點(diǎn)是熔煉的速度極快，熔煉工藝的自動(dòng)化高、熔煉操作較簡(jiǎn)單，可以達(dá)到一般的工業(yè)目標(biāo)，并且對(duì)于那些極易揮發(fā)的雜質(zhì)和一些氮?dú)獾葰怏w的去除效果極好

（3）真空自耗電弧熔煉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。真空自耗電弧熔煉技術(shù)自產(chǎn)生以來(lái)已經(jīng)有50多年時(shí)間，技術(shù)發(fā)展已達(dá)到成熟期，其主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面：①成品尺寸實(shí)現(xiàn)大型化。電弧熔煉屬于批次生產(chǎn)的工藝，所以如果進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)其效率將大幅提高，并且，隨著新時(shí)代的不斷發(fā)展，工業(yè)對(duì)于大型從產(chǎn)品的需求也與日俱增，需要更多更大規(guī)格的產(chǎn)品，因此，真空自耗電弧熔煉技術(shù)便很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。②工藝實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。目前真空自耗電弧熔煉爐已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。目前我國(guó)的真空自耗電弧熔煉爐大多選用線上自動(dòng)化電控盒的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以利用重熔的配方通過(guò)電腦來(lái)控制生產(chǎn)工藝，并監(jiān)控熔煉過(guò)程中的問(wèn)題，大大地提高了產(chǎn)品的成品率。在實(shí)際的真空電弧熔煉中，電極的間隙是重要參數(shù)，直接關(guān)系著電弧的長(zhǎng)短和深度，也將影響軸向溫度和濃度，對(duì)于產(chǎn)品的宏觀分析也具有重要的影響。很多研究人員通過(guò)檢測(cè)每秒為單位電極兩端的短路次數(shù)，精確控制電極間隙，利用過(guò)濾的算法加速電極間隙的自動(dòng)控制。同時(shí)，熔煉的速度也將直接關(guān)系到鈦產(chǎn)品的成分與質(zhì)量，Williamson為代表的團(tuán)隊(duì)通過(guò)整體全面的考慮影響因素，例如電極間隙、和電極重量等相關(guān)數(shù)據(jù)，研究出了動(dòng)態(tài)熔速控制模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熔煉自動(dòng)化。③生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效化。由于自耗電極的質(zhì)量大幅提高，使得真空自耗電弧熔煉技術(shù)工藝的穩(wěn)定性與重復(fù)性也大大提高，并且，在國(guó)外，真空自耗電弧熔煉技術(shù)大多選擇雙工位布置模式，熔煉時(shí)可交替進(jìn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效化，大大地降低人工成本，極大地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間，縮小與大國(guó)之間的差距。④供電趨于穩(wěn)定。最開(kāi)始，真空自耗熔煉技術(shù)大多采用非同軸的形式來(lái)供電，但是，若是強(qiáng)大電流經(jīng)過(guò)，會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的復(fù)雜磁場(chǎng)，熔煉過(guò)程極不穩(wěn)定。目前的新型真空自耗電弧熔煉爐都使用同軸型的供電方式，能夠抵制磁場(chǎng)影響，阻止偏析的產(chǎn)生。⑤引入數(shù)值模擬方法。以前，對(duì)鈦及鈦合金的真空熔煉，僅僅是感性的認(rèn)識(shí)，對(duì)溫度場(chǎng)的數(shù)值也不清楚。雖然真空自耗電弧熔煉技術(shù)的工藝較為簡(jiǎn)單并且操作較為方便，但是因?yàn)闊嵩刺攸c(diǎn)將導(dǎo)致熔體的溫度不均，使得產(chǎn)品存在成分和組織的不均勻，并且也容易出現(xiàn)缺陷。近來(lái)，計(jì)算機(jī)的模擬技術(shù)深入發(fā)展，很多人對(duì)與凝固理論意識(shí)加深，我國(guó)研究人員趙小花采用有限元模擬的方法，了解熔煉過(guò)程的溫度場(chǎng)分布情況，進(jìn)而分析不同階段熔煉規(guī)律。

在真空熔煉的過(guò)程中，其溫度場(chǎng)和凝固的組織模擬，將對(duì)技術(shù)工人精準(zhǔn)了解工藝具有重要的作用，并且避免了實(shí)際開(kāi)發(fā)失敗的損失，提高生產(chǎn)效率。

2 冷床爐熔煉技術(shù)

冷床爐熔煉技術(shù)大多是用在航空鈦合金的生產(chǎn)上，可以提高鈦合金的質(zhì)量和可靠性，彌補(bǔ)真空自耗電弧熔煉技術(shù)的不足，同時(shí)也適合工業(yè)的生產(chǎn)。

（1）冷床爐熔煉的原理。冷床爐熔煉分為3個(gè)部分，即熔化部分、精煉部分和結(jié)晶部分。在熔化部分中，將原材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，將液態(tài)鈦液引入精煉部分；在精煉部分中，鈦液在冷床爐上停留一段時(shí)間，能夠有效地剔除易揮發(fā)的雜質(zhì)，例如鈣和鎂等；最后，在結(jié)晶部分中，將處理后的鈦液引入結(jié)晶器中塑形。

（2）冷床爐熔煉的優(yōu)勢(shì)。①生產(chǎn)的成品種類繁多，并且不需要壓制電極，大大地縮短時(shí)間，同時(shí)降低成本，提高從產(chǎn)品品質(zhì)；②可以大量運(yùn)用經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)原料；③可以有效地剔除易揮發(fā)、低密度和高密度的雜質(zhì)；④可以通過(guò)功率來(lái)控制產(chǎn)品的密度，同時(shí)也可以控制鈦液在冷床處理的時(shí)間，大大地提高其均勻性、穩(wěn)定性和靈活性；⑤可以生產(chǎn)出不同型號(hào)的產(chǎn)品，并且減少生產(chǎn)中損耗，提高產(chǎn)品的成品率；⑥可以實(shí)現(xiàn)一次成型，一爐多型，提高生產(chǎn)的效率。

3 PACHM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

PAM爐主要在美國(guó)運(yùn)用的較多，開(kāi)發(fā)時(shí)間也最早，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，多國(guó)已經(jīng)具備批量生產(chǎn)高質(zhì)量鈦合金的能力美國(guó)、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將其大規(guī)模地引入航空航天領(lǐng)域，例如，美國(guó)海軍的F-16飛機(jī)利用等離子冷床爐熔煉技術(shù)生產(chǎn)出F110發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)航空的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部大多采用“HEARTH+VAR”的鈦合金工藝，這說(shuō)明單一冷床爐熔煉技術(shù)在航空鈦合金的生產(chǎn)也是可行的并且可以節(jié)約產(chǎn)品的加工成本，提高成品率。

我國(guó)采用PACHM技術(shù)的時(shí)間較短，最先引進(jìn)的是北京航空材料研究院，在2003年購(gòu)買了1臺(tái)美國(guó)生產(chǎn)的PACHM爐，其總功率是600kW，可以實(shí)現(xiàn)拉錠和澆鑄一體化。其生產(chǎn)的TC4和TiAl鑄錠，在合金的雜質(zhì)元素含量、夾雜物和合金化元素含量控制等方面均取得了較大的成功。上海寶鋼集團(tuán)為提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大熔鑄能力，于2008年引進(jìn)一臺(tái)單結(jié)晶室雙坩堝PACHM爐。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，PACHM爐也加入了氦氣回收再生體系，既可以回收氣體降低成本，又可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的保護(hù)。為了進(jìn)一步地優(yōu)化PAM生產(chǎn)工藝，美國(guó)也開(kāi)發(fā)了冷床爐熔煉的模擬軟件，這種軟件可以實(shí)時(shí)觀察鈦溶液的流動(dòng)方向、溫度高低等，并且該模擬軟件已經(jīng)逐漸地應(yīng)用到鈦合金生產(chǎn)領(lǐng)域。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著新時(shí)代的不斷發(fā)展以及我國(guó)鈦工業(yè)的深入發(fā)展，鈦及鈦合金的真空熔煉技術(shù)也不斷進(jìn)步并且趨于成熟，雖然我國(guó)的發(fā)展速度較快，但是距離其他發(fā)達(dá)國(guó)家之間還具有一定的差距。但是，新熔煉技術(shù)也不斷地出現(xiàn)，這將解決耗能大和指標(biāo)低問(wèn)題，因此，我國(guó)要緊跟時(shí)代的步伐，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率和利潤(rùn)，推動(dòng)新時(shí)代我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的全面發(fā)展。