鈦及鈦合金熔煉技術發展現狀

王易山

（洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司，河南 洛陽 471000）

隨著新時代的到來，金屬熔煉的技術也在不斷的進步完善，盡管新熔煉技術不斷出現，生產材料的品質以及產量也大幅提升，但是仍然有著耗能損耗大、技術低等一系列的問題，因此，原有的熔煉技術的分析將對今后熔煉技術的發展具有重要意義。跟其他金屬不同的是，鈦及鈦合金屬于高化學的活性金屬，因此，在熔融條件下，基本都會與全部耐火原料產生化學反應，并且在大氣中也不能熔煉，只有在真空或者惰性氣氛條件下才能進行化學反應，由于熔煉技術的難度大，所以，目前只有極少數國家才能掌控鈦及鈦合金的熔煉技術。目前，鈦及鈦合金熔煉技術主要有真空自耗熔煉以及真空非自耗熔煉[1]。文章重點介紹真空自耗電弧熔煉技術、冷床爐熔煉技術、PACHM技術以及真空自耗熔煉技術。

1 真空自耗電弧熔煉技術

（1）真空自耗電弧熔煉技術的原理。當今，鈦及鈦合金大多利用真空自耗電弧熔煉技術，首先將自耗電極壓制好并將其設置為負極，而銅坩堝設置為正極，將鈦及鈦合金放在真空或者惰性環境中，將電極放在電弧的高溫下加熱，將其迅速熔化并進行一定攪拌，同時將易揮發的雜質快速擴散去除，通過充分地攪拌使其均勻。

（2）真空自耗電弧熔煉技術的特點。真空自耗電弧熔煉技術的特點是熔煉的速度極快，熔煉工藝的自動化高、熔煉操作較簡單，可以達到一般的工業目標，并且對于那些極易揮發的雜質和一些氮氣等氣體的去除效果極好

（3）真空自耗電弧熔煉技術發展現狀。真空自耗電弧熔煉技術自產生以來已經有50多年時間，技術發展已達到成熟期，其主要表現在以下5個方面：①成品尺寸實現大型化。電弧熔煉屬于批次生產的工藝，所以如果進行大規模生產其效率將大幅提高，并且，隨著新時代的不斷發展，工業對于大型從產品的需求也與日俱增，需要更多更大規格的產品，因此，真空自耗電弧熔煉技術便很好地解決了這個問題。②工藝實現全自動化。目前真空自耗電弧熔煉爐已實現全自動化。目前我國的真空自耗電弧熔煉爐大多選用線上自動化電控盒的數據系統，可以利用重熔的配方通過電腦來控制生產工藝，并監控熔煉過程中的問題，大大地提高了產品的成品率。在實際的真空電弧熔煉中，電極的間隙是重要參數，直接關系著電弧的長短和深度，也將影響軸向溫度和濃度，對于產品的宏觀分析也具有重要的影響。很多研究人員通過檢測每秒為單位電極兩端的短路次數，精確控制電極間隙，利用過濾的算法加速電極間隙的自動控制。同時，熔煉的速度也將直接關系到鈦產品的成分與質量，Williamson為代表的團隊通過整體全面的考慮影響因素，例如電極間隙、和電極重量等相關數據，研究出了動態熔速控制模型，進而實現熔煉自動化。③生產實現高效化。由于自耗電極的質量大幅提高，使得真空自耗電弧熔煉技術工藝的穩定性與重復性也大大提高，并且，在國外，真空自耗電弧熔煉技術大多選擇雙工位布置模式，熔煉時可交替進行，進而實現生產的高效化，大大地降低人工成本，極大地提高了生產效率，節省生產時間，縮小與大國之間的差距。④供電趨于穩定。最開始，真空自耗熔煉技術大多采用非同軸的形式來供電，但是，若是強大電流經過，會產生極強的復雜磁場，熔煉過程極不穩定。目前的新型真空自耗電弧熔煉爐都使用同軸型的供電方式，能夠抵制磁場影響，阻止偏析的產生。⑤引入數值模擬方法。以前，對鈦及鈦合金的真空熔煉，僅僅是感性的認識，對溫度場的數值也不清楚。雖然真空自耗電弧熔煉技術的工藝較為簡單并且操作較為方便，但是因為熱源特點將導致熔體的溫度不均，使得產品存在成分和組織的不均勻，并且也容易出現缺陷。近來，計算機的模擬技術深入發展，很多人對與凝固理論意識加深，我國研究人員趙小花采用有限元模擬的方法，了解熔煉過程的溫度場分布情況，進而分析不同階段熔煉規律。

在真空熔煉的過程中，其溫度場和凝固的組織模擬，將對技術工人精準了解工藝具有重要的作用，并且避免了實際開發失敗的損失，提高生產效率。

2 冷床爐熔煉技術

冷床爐熔煉技術大多是用在航空鈦合金的生產上，可以提高鈦合金的質量和可靠性，彌補真空自耗電弧熔煉技術的不足，同時也適合工業的生產。

（1）冷床爐熔煉的原理。冷床爐熔煉分為3個部分，即熔化部分、精煉部分和結晶部分。在熔化部分中，將原材料由固態轉為液態，將液態鈦液引入精煉部分；在精煉部分中，鈦液在冷床爐上停留一段時間，能夠有效地剔除易揮發的雜質，例如鈣和鎂等；最后，在結晶部分中，將處理后的鈦液引入結晶器中塑形。

（2）冷床爐熔煉的優勢。①生產的成品種類繁多，并且不需要壓制電極，大大地縮短時間，同時降低成本，提高從產品品質；②可以大量運用經濟的生產原料；③可以有效地剔除易揮發、低密度和高密度的雜質；④可以通過功率來控制產品的密度，同時也可以控制鈦液在冷床處理的時間，大大地提高其均勻性、穩定性和靈活性；⑤可以生產出不同型號的產品，并且減少生產中損耗，提高產品的成品率；⑥可以實現一次成型，一爐多型，提高生產的效率。

3 PACHM技術的發展現狀

PAM爐主要在美國運用的較多，開發時間也最早，經過多年的發展，多國已經具備批量生產高質量鈦合金的能力美國、俄羅斯等發達國家已經將其大規模地引入航空航天領域，例如，美國海軍的F-16飛機利用等離子冷床爐熔煉技術生產出F110發動機。美國航空的發動機關鍵部大多采用“HEARTH+VAR”的鈦合金工藝，這說明單一冷床爐熔煉技術在航空鈦合金的生產也是可行的并且可以節約產品的加工成本，提高成品率。

我國采用PACHM技術的時間較短，最先引進的是北京航空材料研究院，在2003年購買了1臺美國生產的PACHM爐，其總功率是600kW，可以實現拉錠和澆鑄一體化。其生產的TC4和TiAl鑄錠，在合金的雜質元素含量、夾雜物和合金化元素含量控制等方面均取得了較大的成功。上海寶鋼集團為提升市場競爭力，擴大熔鑄能力，于2008年引進一臺單結晶室雙坩堝PACHM爐。隨著生產技術的不斷發展，PACHM爐也加入了氦氣回收再生體系，既可以回收氣體降低成本，又可以實現環境的保護。為了進一步地優化PAM生產工藝，美國也開發了冷床爐熔煉的模擬軟件，這種軟件可以實時觀察鈦溶液的流動方向、溫度高低等，并且該模擬軟件已經逐漸地應用到鈦合金生產領域。

4 結語

隨著新時代的不斷發展以及我國鈦工業的深入發展，鈦及鈦合金的真空熔煉技術也不斷進步并且趨于成熟，雖然我國的發展速度較快，但是距離其他發達國家之間還具有一定的差距。但是，新熔煉技術也不斷地出現，這將解決耗能大和指標低問題，因此，我國要緊跟時代的步伐，優化生產工藝，提高生產效率和利潤，推動新時代我國經濟和社會的全面發展。