楊 歡，楊曉康，杜 晨，原張曉，魏芬絨，羅斌莉，王 海

（西安賽特思邁鈦業(yè)有限公司，陜西 西安 710000）

鈦合金由于高的比強(qiáng)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(guó)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(duì)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(duì)于鈦合金的熔煉一般是在真空或惰性氣氛中進(jìn)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(jì)算機(jī)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(duì)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(diǎn)

真空自耗電弧熔煉的簡(jiǎn)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(fù)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(shí)，比重較輕的雜質(zhì)和氣體隨著凝固的進(jìn)行不斷上浮或沉積于鑄錠表面，從而使金屬得到精煉[1-3]。

圖1 真空自耗電弧熔煉裝置示意圖

在真空電弧熔煉過程中，自耗電極首先被局部熔化，整個(gè)鑄錠可以認(rèn)為是由若干個(gè)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(rèn)為此時(shí)將同時(shí)存在軸向與徑向溫度場(chǎng)。

真空自耗熔煉過程溫度場(chǎng)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(diǎn)：

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(duì)鈦及鈦合金鑄錠進(jìn)行二次以上熔煉，此時(shí)，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(chǎng)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(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(huì)極大提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益。再者，隨著近年來航空工業(yè)對(duì)于大型鍛件需求的不斷增強(qiáng)，高品質(zhì)大鑄錠的生產(chǎn)迫在眉睫。

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

可喜的是，諸多研究表明[4-6]，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(huì)較小，其綜合性能也將提高。而在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(dá)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(guó)目前采用的VAR爐尺寸較小，20世紀(jì)90年代增設(shè)了6t VAR爐，2002年后，寶鈦集團(tuán)先后引進(jìn)4臺(tái)10t爐，西部鈦業(yè)引進(jìn)2臺(tái)8t爐，西部超導(dǎo)也先后引進(jìn)4臺(tái)8t爐，鈦及鈦合金鑄錠生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)了大型化。

1.2.2 熔煉工藝參數(shù)的自動(dòng)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(zhǎng)短與深度，影響熔煉過程中軸向溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)分布和熔池深度，對(duì)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(duì)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(shí)短路次數(shù)在一定范圍內(nèi)，而達(dá)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(dòng)控制過程的實(shí)現(xiàn)[1]。

熔煉速度直接決定鑄錠組織與成分分布。Williamson[7]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(dòng)態(tài)熔速控制模型，實(shí)現(xiàn)了熔煉速率的自動(dòng)控制。Carpenter Technology Corporation的VAR熔煉實(shí)驗(yàn)表明[8，9]，該模型可以在熔煉起始階段，補(bǔ)縮階段和電極尺寸發(fā)生變化時(shí)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(qiáng)大的電流通過電路，將產(chǎn)生很強(qiáng)的“雜亂”磁場(chǎng)，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(chǎng)的影響，這對(duì)于改善鑄錠質(zhì)量較為有利。

1.2.4 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展

較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，對(duì)于鈦及鈦合金真空熔煉過程的溫度場(chǎng)，僅僅只是感性認(rèn)識(shí)，而對(duì)于其溫度場(chǎng)的分布地?cái)?shù)值特點(diǎn)，仍不清楚。

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)凝固理論的更深入認(rèn)識(shí)，鈦及鈦合金真空自耗熔煉過程中溫度場(chǎng)的數(shù)值解已趨于明朗。趙小花[11，12]等通過有限元模擬法得出熔煉過程溫度場(chǎng)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(dòng)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(duì)熔池溫度場(chǎng)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(duì)VAR過程熔池達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段的時(shí)間和鑄錠高度略有影響。對(duì)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(xì)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(duì)三大晶區(qū)的位置和分布有影響。NW Timofeev和寇宏超[13]等人的研究共同表明，自然對(duì)流對(duì)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(jìn)CET轉(zhuǎn)變。

真空熔煉過程中溫度場(chǎng)與凝固組織的模擬對(duì)于技術(shù)人員準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)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(diǎn)

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(shí)，宏觀偏析與微觀偏析仍會(huì)產(chǎn)生；且該技術(shù)必須用較大壓力機(jī)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(shí)，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(shí)，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(yán)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(guó)聯(lián)邦航空局的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，1962年～1990年間，美國(guó)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(yán)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(cè)出來。這就要求我們不斷研究改進(jìn)鈦及鈦合金熔煉工藝，減小甚至消除鑄錠偏析，針對(duì)此問題，電子束冷床熔煉技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

圖2 電子束冷床熔煉裝置示意圖

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(gè)區(qū)域構(gòu)成，即熔化區(qū)，精煉區(qū)和結(jié)晶區(qū)[2，14]。在熔化區(qū)，原料從垂直進(jìn)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(shí)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(diǎn)：

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

第二，電子束熔煉過程中，合金液會(huì)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)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(guó)外發(fā)展較快，應(yīng)用較廣，其中，以美國(guó)的冷床爐熔煉技術(shù)最為成熟，1999年，美國(guó)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(guó)得到較好推廣應(yīng)用，據(jù)了解，該技術(shù)產(chǎn)能約占美國(guó)鈦及鈦合金熔煉總產(chǎn)能的45%；而德國(guó)DTG公司從ALD購(gòu)買的1臺(tái)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(yùn)用于電子束冷床爐時(shí)，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(jìn)行，可明顯降低Al、Sn、Mn等高蒸汽壓合金元素的燒損，實(shí)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(jìn)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(guó)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(gòu)買了我國(guó)第一臺(tái)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(tuán)于2005年引進(jìn)2400kW電子束冷床爐，可實(shí)現(xiàn)圓錠和扁錠的生產(chǎn)，其中，圓錠尺寸可達(dá)Φ736mm，方錠尺寸可為，最大質(zhì)量達(dá)10t。

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

近些年來，對(duì)于電子束冷床爐熔煉工藝優(yōu)化的研究主要集中在兩個(gè)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(biāo)，以下將對(duì)這兩方面的發(fā)展做以評(píng)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(duì)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(huì)縮短工藝流程，節(jié)省熔煉時(shí)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[14]，金屬凝固過程中，鈦剁被連續(xù)地進(jìn)給到加熱工作室進(jìn)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(jì)指標(biāo)提高20%。生產(chǎn)的純鈦試驗(yàn)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(dá)4t海綿鈦剁的直接成錠，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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?fù)]發(fā)機(jī)制的揭示對(duì)于實(shí)現(xiàn)合金元素精確控制方面有重要意義。

現(xiàn)階段，對(duì)鈦合金中最常見Al元素的揮發(fā)特點(diǎn)及其影響因素成為研究的重點(diǎn)。有研究結(jié)果表明[21]，熔煉速率對(duì)Al元素?fù)]發(fā)有影響，當(dāng)熔煉功率一定時(shí)，隨著熔化速率由70Kg/h提高到140kg/h，Al元素?fù)]發(fā)速率相應(yīng)地由22%降至12%，毛小南[16]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(jìn)行熔煉，TC4合金的成分與國(guó)標(biāo)作為接近。電子束掃描頻率作為熔煉關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)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[23]，這是因?yàn)椋?dāng)表面溫差較大時(shí)，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(shí)，熔池各點(diǎn)溫度分布較為一致，不易出現(xiàn)溫度過高區(qū)域，此時(shí)，Al元素的揮發(fā)也將不再明顯[24]。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(duì)于熔煉速率與Al揮發(fā)速率關(guān)系的研究結(jié)果與趨勢(shì)較為一致；烏克蘭的Akhonin[15]等建立了TC4合金在冷床熔煉過程Al元素?fù)]發(fā)的動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性。

目前，主要通過補(bǔ)償法來避免熔煉過程中合金元素的損失，有結(jié)果表明[17]，當(dāng)Al元素加入量接近7.3%時(shí)，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[15]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(biāo)準(zhǔn)的VT6和VT22鈦合金鑄錠，此項(xiàng)研究意義重大，它借助理論研究成果，實(shí)現(xiàn)了合金揮發(fā)過程的精確控制，是此項(xiàng)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(duì)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(jìn)。

鈦合金真空熔煉的理論研究主要集中在溫度場(chǎng)，流場(chǎng)和濃度場(chǎng)對(duì)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(duì)于凝固過程影響規(guī)律的闡明對(duì)于真空自耗熔煉過程的自動(dòng)化控制的實(shí)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(duì)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(dòng)控制也將成為研究的著力點(diǎn)。

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(duì)匱乏導(dǎo)致的。而目前大部分研究集中在實(shí)驗(yàn)上。因此，后續(xù)理論的完善將對(duì)熔煉工藝的優(yōu)化提供有力支撐。