钛合金的五种熔炼方法

钛合金的五种熔炼方法

钛合金的熔炼方法一般分为: 1. 真空自耗电弧炉熔炼方法; 2. 非自耗真空电弧炉熔炼方法; 3. 冷炉床熔炼法; 4. 冷坩埚熔炼法; 5. 电渣熔化的五种方法.

1. 真空自耗电弧炉熔炼方法 (简称VAR法)

随着真空技术的发展和计算机的应用, VAR法迅速成为成熟的钛工业生产技术. 今天, 绝大多数钛及其合金锭都是用这种方法生产的. VAR方法的显着特点是低功耗, 高熔化速度, 和良好的质量再现性. VAR法熔炼的钢锭晶体结构良好，化学成分均匀. 通常, 成品钢锭应采用VAR法熔炼，并至少经过两次重熔过程. 采用VAR法生产钛锭, 而且世界各地厂家采用的工艺基本相似, 区别在于采用不同的电极制备方法和设备. 电极制备可分为三类: 第一的, 采用一体式电极，通过批量加料连续压制, 不包括电极焊接工艺; 第二, 单电极压制并拼接成自耗电极. 并通过等离子氩弧焊或真空焊焊接在一起; 三是采用其他熔炼方法制备铸造电极.

现代先进VAR炉的技术特点和优势:

(1) 全同轴电源输入, 指整个炉膛高度的完全同轴度, 称为同轴电源, 减少偏析现象的发生;

(2) 坩埚内部电气校准可在X轴/Y轴方向微调;

(3) 配备精确的电极称重系统, 自动控制熔化速度, 实现恒定的熔化速度并确保熔化质量;

(4) 确保每个熔炼过程的重复性和一致性;

(5) 灵活性是指一炉生产多种锭型以及锭的规模化生产的能力, 可以显着提高生产力;

(6) 具有良好的经济可行性. 这 “同轴电源” 方法可避免因坩埚供电不平衡而造成漏磁, 减弱或消除感应磁场对熔化产品的不利影响, 并提高电力效率, 从而获得质量稳定的铸锭. 目的 “恒速熔化” 是为了提高钢锭的质量, 采用先进的电控系统和重量传感器，保证熔化过程中弧长和熔化速率恒定, 从而控制凝固过程. 能有效防止偏析，保证铸锭内在质量.

除了以上两个特点外, 现代钛熔炼VAR炉也实现了VAR炉的规模化生产. 现代VAR炉可熔炼直径1.5m、重32t的大钢锭.

VAR法是一种工业熔炼方法，是钛及钛合金的现代标准. 但仍有以下技术需要解决:

首先, 电极制备方法. 电极制备过程非常复杂, 需要使用昂贵的压力机来压缩海绵钛, 中间合金, 并将剩余材料返回到整体电极或单个小电板中. 单根电极也需要焊接成自耗电极. 同时, 以保证自耗电极成分的均匀性, 布料等相应设施, 称重, 并需要配置混合.

第二, 偶尔出现冶金缺陷，例如偏析, 例如成分偏析和凝固偏析.

前者是由于电极中杂质元素或合金元素分布不均匀造成的, 在熔化过程中达到平衡分布之前凝固; 后者是由于偶尔引入高密度夹杂物所致 (人类发展指数) 和低密度夹杂物 (LDI) 进入原材料或过程, 熔化过程中不能完全溶解, 导致产生高度危险的冶金缺陷，例如夹杂物.

2. 非自耗真空电弧炉熔炼方法 (简化为 NC 方法)

现在, 水冷铜电极在钛工业初期已取代钨钍电极或石墨电极, 解决工业污染问题，使数控法成为熔炼钛及钛合金的重要方法. 数吨数控炉已在欧美运行.

水冷铜电极有两种类型: 一个是自转的; 另一种类型是旋转磁场, 旨在防止电弧引起的电极烧毁.

数控炉也可分为两种: 一种是将原料在水冷铜坩埚中熔化，在水冷铜模中浇铸成锭; 另一种方法是将原料连续送入水冷铜坩埚中熔化、凝固.

NC熔炼法的优点是: ① 可以省去压制电极和焊接电极的工序; ② 可使电弧在材料上停留较长时间, 从而提高铸锭成分的均匀性; ③ 可采用不同形状、尺寸的原材料, 和 100% 可在熔炼过程中添加剩余材料，实现钛的回收利用.

数控方法, 作为冶炼过程, 对于提高残料回收率、降低成本方面颇有优势. 通常, NC炉与VAR炉配合使用，充分发挥各自优势.

3. 冷炉床熔炼法 (简称CHM法)

由于原材料污染和熔炼工艺异常造成的钛及钛合​​金锭中的冶金夹杂物缺陷，一直影响着钛及钛合金在航空航天领域的应用。. 为了消除钛合金航空发动机旋转部件中的冶金夹杂物, 引进冷炉床熔炼技术.

CHM法最大的特点是熔体分离, 精制, 和凝固过程. 那是, 熔化的炉料首先进入凌炉床熔化, 然后进入冷炉床精炼区进行精炼, 最后在结晶区凝固成锭. CHM技术的显着优点是可以在冷炉床壁上形成冷凝壳, 和它的 “粘性区” 可以捕获高密度夹杂物 (人类发展指数) 比如厕所, 莫, 面向, ETC. 同时, 在精密区, 低密度夹杂物的停留时间 (LDI) 高温液体中颗粒物延长, 保证LDI完全溶解，有效去除夹杂缺陷. 也就是说, 冷炉床熔炼的净化机理可分为两种: 比重分离和熔融分离.

3.1 电子束冷床熔炼 (EBCHM) 电子束熔炼 (EB) 是利用高速电子的能量在材料本身中产生热量以进行熔化和精炼的过程. 具有冷炉床的EB炉称为EBCHM. EBCHM方法具有传统熔化方法所不具备的优异功能:

(1) 有效去除高密度夹杂物 (人类发展指数) 例如钽, 钼, 钨, 碳化钨, 和氮化钛. 低密度包裹体 (LDI) 比如氧化钛;

(2) 多种喂养方式均可, 钛渣的回收也比较容易. 即使其他冶炼方法无法利用的废料也可以利用, 纯钛锭仍可生产, 大大降低了产品的成本;

(3) 可以直接取样, 分析过的, 并通过液态金属进行测试;

(4) 可生产不规则形状钢锭, 减少生产工序, 降低原材料消耗, 并提高产品良率;

EBCHM方法还存在以下缺点:

(1) 熔化需要在高真空条件下进行, 所以氯化物含量高的海绵钛不能直接熔炼;

(2) 合金元素易挥发，化学成分难以控制.

3.2 等离子冷床熔化法 (PCHM管法)

PCHM法利用惰性气体电离产生的等离子弧作为热源, 并能在低真空至近大气压的较宽压力范围内完成熔化. 该方法的显着特点是可以保证不同蒸气压合金的成分, 熔化过程中没有明显差异. 该方法能够改善传统表金属性能，并能实现多样化合金的熔炼. 与传统熔化方法相比，这是一种经济的熔化方法. 通过使用这种方法进行熔化, 一次熔炼即可获得理想的钛及钛合​​金铸锭. 现代PCHM方法的优点是:

① 设备投资低, 操作简单, 安全可靠;

②可采用不同种类、不同形式的原料, 残余物料回收率高;

③ 保证多样化合金的化学成分;

④ 实现了惰性气体昂贵的回收再利用, 降低生产成本.

PCHM方法的缺点是电效率低. EBCHM 和 PCHM 的相似之处在于它们能够消除 HDI 和 LDI. 前者一般更适合熔炼纯钛; 对于合金, 后者更合适. 就像VAR方法一样, 以上两种方法实现大规模过程自动化控制, 包括工艺参数 (熔化速度, 熔化和凝固过程中的温度分布, 熔化过程中成分的变化, 不溶夹杂物去除程度, ETC。) 和质量.

4. 冷坩埚熔炼法 (简称CCM法)

20世纪80年代, 美国硅铁公司开发无渣感应熔炼技术, 将CCM方法推向工业生产应用，用于生产钛锭和精密铸件. 最近几年, 在一些经济发达国家, CCM法已开始进入工业化生产规模, 锭最大直径1m，长度2m, 其发展前景十分可观. CCM熔炼过程是在由不导电水冷弧形块或铜管组成的金属坩埚中进行. 这种组合的最大优点是每两个块之间的间隙是一个增强磁场, 磁场产生的强烈搅拌使化学成分和温度一致, 从而提高产品质量. CCM法结合了VAR法和坩埚内耐火材料感应熔炼的特点. 不需要耐火材料或电极，一次熔炼即可获得成分均匀、无坩埚污染的优质铸锭. 与VAR方法比较, CCM法具有设备成本低、操作简便等优点, 但从目前来看, 这项技术仍处于开发阶段.

5. 电渣熔炼法 (简称 ESR 法)

ESR法利用电流通过导电渣时带电粒子的碰撞将电能转化为热能. 利用炉渣阻力产生的热量来熔化和精炼炉料. ESR法使用自耗电极在非活性渣中进行电渣熔化 (氟化钙), 可直接熔炼成相同形状的钢锭，表面质量好, 适合下道工序直接加工. 该法的优点是:

(1) ESR炉的完全同轴性确保了最佳质量铸锭的重复性;

(2) 锭的轴向结晶, 结构致密、均匀;

(3) 高精度电极称重系统和熔化速率控制系统;

(4) 设备简单，操作方便. 缺点是无法排出炉渣对钢锭的污染.