钛合金等离子冷炉床熔炼技术的发展

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1、钛合金等离子冷炉床熔炼技术的发展马济民蔡建明郝孟一李臻熙宋晋北京航空材料研究院北京宝鸡有色金属加工厂陕西宝鸡摘要真空白耗电弧熔炼Ⅵ是当前钛合金生产的主要方法。但是与工艺相关的冶金缺陷及其造成的危害深受航空界的关注。本文主要探讨改进钛合金冶金质量的途径和介绍等离子冷炉床熔炼技术。关键词等离子冷炉床熔炼低密度夹杂物高密度夹杂物中图法分类号文献标识码文章编号前言随着钛合金在航空工业中使用量的增加其重要性显得愈加突出。在航空飞行史上有不少飞行事故是由于钛合金零件的早期断裂而导致发动机失效的。据美国联邦航空局的报告报道从年至年间美国共有起飞行事故是由熔炼工艺有关的钛合金缺陷引起零件

2、的失效或早期断裂造成的而其中影响最为严重的冶金缺陷是硬口夹杂物和高密度夹杂物【】。有数据统计表明能被检测出硬硖杂只占总数的十万分之一大部分的硬口夹杂没有被检测出来。因此提高钛合金的冶金质量成为钛发展和研究的关键技术之一直接影响航空发动机和飞机的使用可靠性。特别是在年美国州城发生的一坠机事件造成人遇难。经调查事故原因是因发动机的钛合金一级风扇盘上存在硬口夹杂造成了盘件的早期疲劳断裂。这次灾难性事故进一步说明了钛合金部件冶金质量的重要性【】。在该事件之后在美国的资助下成立了一个钛工业界委员会以指导钛合金工业界生产优质钛合金【】。同时也触动了航空发动机制造商和钛

3、制造商必须尽快致力于寻求解决钛合金中的硬泖高密度夹杂物的方法其中一个重要的途径是引入了冷炉床熔炼技术。由于航空工业对钛制造商的产品冶金质量等方面的要求和压力很大程度上限制了单纯采用次或次真空白耗电弧熔炼生产钛合金铸锭的应用。经过余年冷炉床熔炼的实践认为采用冷炉床熔炼技术对于消除硬口和高密度夹杂物效果显著并逐步在一些工业标准中实施如美国公司等在接受多起“硬谳陷”破坏性事故的严重教训后已正式在企业标准中规定关键性的发动机转子零件用钛合金必须经过次冷炉床电子束或等离子束熔炼【。目前我国航空用钛合金的熔炼基本上采用真空自耗电弧炉熔炼方法。对于质量要求高的钛合金铸锭一般要经过次熔

4、炼以获得成分均匀、缺陷率低的铸锭。在我国用工艺生产的钛合金铸锭、随后的半成品和铸件中曾发现过多起的夹杂物和成分偏析等冶金缺陷严重影响了材料的使用可靠性造成的经济损失也很大。为了提高我国钛合金的熔炼水平和航空用钛合金的质量控制我国的航空部门和冶金部门等相关单位非常重视截止年先后有个单位已经各自引进并安装了电子束冷炉床熔炼炉和等离子冷炉床熔铸炉。本文综合评述了钛合金中的典型冶金缺陷及对使用的危害性通过与冷炉床熔炼技术和熔炼技术的对比分析了等离子冷炉床熔炼技术在熔炼钛合金方面的特点和优势并简要回顾了在短短十几年内等离子冷炉床熔炼的发展及实际应用情况介绍了北京航空材料研究院等离子冷

5、炉床熔铸炉的基本结构、特点及前期的研究开发。钛合金中的主要冶金缺陷及对使用性能的影响钛合金的冶金缺陷主要是指夹杂物和化学成分偏析具体分类见图。钛合金中的夹杂物一般分为两类即低密度夹杂物也和高密度夹杂物。常见的主要是钛的氧化物或氮化物尽管钛的氧化物和氮化物的密度收到初稿日期收到修改稿日期作者简介马济民男年生研究员北京航空材料研究院北京电话二————————————』堕塑型塑一堑鲞还略高于钛基体如的密度为钛的密以检查薄壁表面的硬‖”。据最近报度为但因与相比要低得多的密度而

6、得导蓝色阳极化在检查零件表面的硬口夹杂中得到了其名。另外因钛的氧、氮化物的硬度远高于钛基体成功的应用。之外一些钛合金生产商和航空发动机而且很脆因为这些都是口稳定元素所以还形象地生产商也发展了超声波检测技术如采用超声波定位被称为硬硖杂。主要是指熔炼过程中因未完全检测技术和多区超声波检测技术等明显提高了缺陷熔解而残余的高熔点金属或金属间化合物常见的有的发现率。、、、等。图钛合金中主要冶金缺陷的分类硬硖杂具有比钛高得多的熔点如的熔点为℃的熔点约为℃而边熔

7、化边凝固方式的熔炼时熔池的温度一般在℃左右而且熔池液态保持时间较短难以将钛的氧化物或氮化物彻底熔化。因的熔点更高因此更难于熔化与相比在实际中出现的几率更大。图显示了钛合金某锻件上发现的硬【在经过变形之后在硬口区的中心已形成孔洞。或者零件在工作时由于硬口夹杂和基体对应力反应的显著差异容易在夹杂区过早形成裂纹。硬口的存在极大地降低了钛合金的高、低周疲劳寿命因此可以认为是钛合金中最为危险的冶金缺陷。钛合金中的硬口夹杂和基体的密度差别不大因此对超声波反应的声学性能没有明显差别除非被