劉欣欣

（商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000）

真空自耗熔煉（VAR）技術(shù)是利用直流電在真空條件中重新融化金屬鑄錠，從而在高溫條件下可獲得高質(zhì)量低缺陷的鈦合金材料。真空自耗工藝的主要流程為：原料制備→壓制制備電極→形成自耗電極→熔煉→鑄錠處理→檢驗(yàn)。目前國際上雖然制備鈦錠的方法較多（真空非自耗熔煉、真空感應(yīng)凝殼熔煉、凝殼-自耗電極熔煉）但主要的制備方法仍為真空自耗熔煉（VAR）[1-2]。真空自耗技術(shù)的關(guān)鍵在于如何控制電極的熔化速率和重熔、冷卻速率從而使得形成的鈦錠缺陷最少。在多年的改進(jìn)設(shè)計(jì)中仍然存在諸多缺陷問題，本文從VAR的基本原理和工藝出發(fā)，概述VAR技術(shù)目前發(fā)展的現(xiàn)狀，以及提出此技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。

1 真空自耗熔煉技術(shù)的原理及特點(diǎn)

圖1為VAR爐體的實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖，從圖1中可以看出，電極在真空惰性氣氛下，由于高電流的作用，電極將會溶解，在經(jīng)過水冷坩堝后再次進(jìn)行凝固，在此過程中，由于高電流電弧的作用，初始電極在熔融狀態(tài)下有微量雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)，從而達(dá)到精煉合金的作用[3-4]。雖然在實(shí)際生產(chǎn)過程中會根據(jù)原料采用不同真空自耗熔煉形式，但是基本的設(shè)備及工藝流程是不變的。目前在真空自耗控制系統(tǒng)上也做出了調(diào)整，多采用計(jì)算機(jī)來精準(zhǔn)控制熔煉的整個過程，使得電極的前端可以和坩堝表面保持恒定的距離，從而形成恒定的凝固模式。

真空自耗熔煉技術(shù)（VAR）相比于其他熔煉技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①可以去除氫、硫、氮等雜質(zhì)元素；②降低整個熔煉氣氛條件下的微量雜質(zhì)元素；③得到從下向上的近定向凝固柱狀晶，對于宏觀和微觀偏析具有明顯的改善作用。

圖1 VAR實(shí)物及示意圖

2 真空自耗熔煉技術(shù)存在的問題

對于制備所得的鈦合金質(zhì)量一般用以下幾個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價：①是否符合初始規(guī)定得到設(shè)計(jì)參數(shù)；②鑄錠表面是否光滑，是否存在表面缺陷；③鑄錠內(nèi)部是否存在偏析；④所制備的鑄錠內(nèi)部雜質(zhì)是否符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。其中對于合金成品影響最大的是鑄錠內(nèi)部的偏析，金屬從高溫液態(tài)到固態(tài)過程中，由于溶質(zhì)的再分配將不可避免地出現(xiàn)局部成分不均勻即偏析現(xiàn)象。偏析的程度不僅與凝固速率有關(guān)，還和初始狀態(tài)下原料的質(zhì)量有著密切的關(guān)系，這就需要在合成前和過程中充分考慮各方面的影響因素。

2.1 宏觀偏析

合金在凝固過程中由于熱量的擴(kuò)散不充分從而使得局部化學(xué)成份不均勻，這將導(dǎo)致溶質(zhì)再分配現(xiàn)象，引發(fā)宏觀偏析現(xiàn)象[5]。如圖2 所示為鈦合金鑄錠的偏析模式示意圖。鈦合金的宏觀偏析雖具有一般合金的宏觀偏析的特征，但也具有自己獨(dú)有的特征，其在某些特征上與金屬具有類似性質(zhì)。N.F.Anoshkin 等人通過對鈦合金和鋁合金鑄錠的研究[6]得出了決定宏觀偏析程度的幾個因素：①表征元素偏析程度的溶質(zhì)分配系數(shù)；②凝固溫度范圍和鑄錠的冷卻速度決定的固液兩相區(qū)的寬度；③凝固收縮程度決定了流動到固液兩相區(qū)中的富集溶質(zhì)液相體積大??；④兩相區(qū)中的液相和熔池的相互作用程度決定了兩相區(qū)中和熔池中的化學(xué)成分。

圖2 宏觀偏析模型示意圖

2.2 α微觀偏析

除宏觀偏析之外鈦合金熔煉凝固過程中還存在一種微觀偏析，其中α微觀偏析又可分為I和Ⅱ型兩種[7]。在早期的研究中人們無意中發(fā)現(xiàn)在鈦合金材料α富集的微小區(qū)域中存在一些特殊的區(qū)域，這些區(qū)域的N、C、O 元素的含量較高且硬度會高于其他部分—就是所謂的α微觀偏析中的I 型缺陷區(qū)域[8]，由于α微觀偏析I 型缺陷區(qū)域的材料C 元素的富集使得此區(qū)域呈現(xiàn)一種硬而脆的物理特性，這對于航空材料來說是一種致命的缺陷。而Ⅱ型缺陷主要是由于在偏析區(qū)域Al 元素的富集，在其區(qū)域會變現(xiàn)除硬度低的特性，這種缺陷被稱之為軟偏析缺陷[9]。對于α微觀偏析中的I 和Ⅱ型來說這兩種缺陷對于材料本身的使用都是有害的。在研究中一直試圖去減少此類缺陷的發(fā)生。

2.3 β微觀偏析

β微觀偏析即β相穩(wěn)定富集存在區(qū)域[10]，β微觀偏析形成的主要原因是因?yàn)樵诤辖鹉踢^程中溶液前端將會因?yàn)闊崃鲾U(kuò)散的不均勻形成等軸晶，這些等軸晶會發(fā)生沉淀再加之溶質(zhì)再分配系數(shù)的不同將會發(fā)生元素偏析，而隨著凝固的進(jìn)行這些偏析將會被保存下來，這就形成了β微觀偏析。為了減少β微觀偏析的形成，在條件允許的情況下盡可能提升凝固的速率；一定程度的減少鑄錠的尺寸，將使β微觀偏析的雜質(zhì)元素含量降到最低。

3 真空自耗熔煉目前主要研究進(jìn)展

目前針對于真空自耗熔煉的研究主要集中在設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化，熔煉過程中的傳熱傳質(zhì)條件、減低雜質(zhì)富集等問題。L.A.Bertram 等人[11]利用Ta 及WC 等難熔物質(zhì)對熔池的形狀深度進(jìn)行了測量，研究在不同熔煉電流條件下熔池深度和形狀的變化。Lampasas G.Hosamani[12]在實(shí)驗(yàn)室條件下將熱電偶插入坩堝邊緣對熔煉過程中的溫度變化進(jìn)行了測量，分析熔煉過程中的傳熱理論。S.Spitans 等人[13]采用理論計(jì)算的方式對缺陷形成的位置進(jìn)行了精準(zhǔn)計(jì)算（見圖3）。

圖3 熔池鑄錠的計(jì)算形貌及實(shí)物形貌圖

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，針對于合金鑄錠在高溫真空下的凝固過程有了新的研究方法，采用數(shù)值模擬的方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所無法完成的測試，通過對整個物理化學(xué)過程進(jìn)行建模分析，可以得到VAR 過程中合金凝固融化過程的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，從而為優(yōu)化整個工藝流程提供理論指導(dǎo)意義，也是對于凝固的整個過程有圖形化的認(rèn)識。Miguel F.Soler[14]采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對比的方法對VAR 前端的高溫電弧的位置進(jìn)行精確模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其模擬測試結(jié)果如圖4 所示。

Ashish Patel[15]采用軌跡運(yùn)動模塊對凝固過程中顆粒軌跡運(yùn)動情況進(jìn)行模擬，從微觀粒子運(yùn)動方面研究了鈦合金中熔質(zhì)顆粒的運(yùn)動規(guī)律（見圖5）。

圖4 VAR實(shí)物及示意圖

圖5 顆粒運(yùn)動軌跡模擬圖

4 結(jié) 語

真空自耗熔煉制備鈦合金作為制備鈦合金領(lǐng)域主流的工藝技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展以及工藝改進(jìn)，已經(jīng)具備了大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)，但是在制備過程中仍然存在著各方面的缺陷問題，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也為此研究提供了一條全新的研究道路。這也將促使鈦合金VAR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。