钛及钛合金熔炼技术的发展现状

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1、第37卷增刊32008年9月稀有金属材料与工程RAREMETAL～L狐RIAISANDENGIIqEERⅡ叮GV01．37，Suppl．3September2008钛及钛合金熔炼技术的发展现状曲银化，刘茵琪，张俊旭(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471039)摘要：介绍了真空自耗电弧熔炼、电子柬冷床熔炼、等离子束冷床熔炼技术的原理、特点及其最新进展。关键词：钛及钛台金；真空自耗熔炼；电子束冷床熔炼：等离子束冷床熔炼中图法分类号：TG146．2+3文献标识码：A文章编号：1002—185x(2008)$3—0135．061前言海绵钛是多孔疏松状材

2、料，含有一定量的湿气和MgCl2，必须通过进一步的熔炼转化成固体铸锭，才能用于后续的加工材生产。然而钛是活性金属，在高温下极容易与氧、氮等气体反应，也几乎与所有的坩埚材料(如耐火材料，石墨、陶瓷等)起反应，使金属钛被污染而失去原有的良好工艺性能及力学性能。所以它必须在真空或惰性气体保护的水冷铜坩埚中进行熔炼。自20世纪50年代以来，全世界已发展了多种钛及钛合金的熔炼方法，如真空白耗电弧熔炼(VAR)、电子束冷床熔炼(EBCHM)、等离子束冷床熔炼(PACHM)、感应壳熔炼、真空电弧双电极熔炼、凝壳熔炼、旋转电极熔炼等，在特殊情况下也采用一些复合的方法，例如V

3、AR+EB，或PAM+VAR，或、，AR+EB+VAR。工业化生产中最有历史的并且最常用的钛熔炼设备是VAR炉(真空电弧熔炼炉)，VAR法在20世纪70年代中期成为钛及钛合金铸锭熔炼的主要方法：近年来发展最快的是电子束冷床熔炼炉和等离子束冷床熔炼炉，在20世纪80年代，钛的冷床熔炼开始发展，首先是用电子束，然后是等离子束，随后该技术快速发展并加入到了过去由VAR熔炼主导的工业领域中。本文系统地介绍了真空白耗电弧熔炼、电子束冷床熔炼、等离子束冷床熔炼技术的原理、特点及其发展现状。2真空电弧熔炼(VAR)2．1VAR炉的工作原理图1为VAR炉的结构和熔炼过程示意

4、图。VAR炉由真空系统、电极驱动机械系统、铜坩埚及冷却循环系统、直流电源、自动和手动控制系统、稳弧搅拌系统、监测和自动记录系统等部分组成。VAR通过真空电弧对电极进行持续熔炼。应用直流电源在电极和放于水冷套中的铜模底板之间产生电弧(起弧)。电弧产生的高热熔化了电极，而坩埚因为有水冷却未被熔化。随着电极的熔化，熔融的金属从电极上落入到坩埚底部，从坩埚底部开始形成铸锭。随着电弧下的熔池从坩埚底部的不断提升，熔化金属也不断凝固形成铸锭，就像填满一个玻璃杯一样。VAR熔炼与电弧焊相似，焊条在焊接过程中被消耗掉，在VAR熔炼中，钛电极被消耗掉。当整个钛电极消耗掉后，经

5、过冷却，就在坩埚内形成了一个铸锭。其过程的实质是借助于直流电弧的热能，把已知化学成分的钛及其合金的自耗电极在低压或惰性气氛中进行重新熔炼。为了提高铸锭的纯度和化学均匀性，二次熔炼是必图1VAR炉示意图Fig．IVARfurnaceschematicdiagram收稿日期：2008．06-01作者简介：曲银化，男，1980年生，硕士，洛阳船舶材料研究所，河南洛阳471039．电话：0379—67256950·136·稀有金属栩料与工程第37卷要的。一次熔炼的铸锭作为二次熔炼的电极，一次熔炼是铸锭初步合金化、均匀化及去除挥发性物质和气体；二次熔炼获得成分分布均匀

6、、表面质最好的铸锭。一些特殊用途的铸锭要进行三次甚至多次重熔【1．2】。2．2VAR技术特点VAR法是熔炼高温合金、特种钢、钛、锆、钨、钼等活泼金属和难熔金属的主要熔炼方法之一。在真空下重熔自耗电极的主要好处在于：①对于易挥发杂质和某些气体(如氢气、氮气)的去除有良好的效果；②利用高蒸气压减少不需要的微鼍元素：③提高氧化物清洁度；④实现了铸锭从底部到顶部的定向凝固，顺序凝固的熔铸方式有利于不溶杂质的上浮，因此避免了宏观偏析并减少了微脱偏析；⑤多次重熔后铸锭的一致性和均匀性较好；⑥工艺自动化程度高，操作简单。真空自耗电弧熔炼法作为生产钛锭的．}要方法，其工艺技

7、术已较为完善，但足它仍有一些无法克服的缺点，如：对原材料和电极的质昔要求较高；残料利用率低(最大添加比例为30％)；不能有效地去除低密度夹杂(LDIs)和高密度夹杂(HDIs)，精炼效果不如电子束和等离子束熔炼。VAR工艺是一个费时且繁重的批次生产工艺，生产成本昂贵，在一定程度}限制了钛及钛合金的推广应用。2．3VAR技术发展现状VAR技术经过50多年的发展，已较为完善，近年来的技术发展主要表现在以下3个方面：①铸锭尺寸大型化。电弧熔炼是一种批次工艺，因州增；、批次规模会提高效率。同时随着钛钢联合生产模式的不断发展，许多钛生产商利用钢铁厂的大型轧机轧制钛产品

8、以提高生产效率和产品收得率。现代工业对大型锻件的需求