真空自耗电弧熔炼制备钛合金技术的研究进展

刘欣欣

（商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000）

真空自耗熔炼（VAR）技术是利用直流电在真空条件中重新融化金属铸锭，从而在高温条件下可获得高质量低缺陷的钛合金材料。真空自耗工艺的主要流程为：原料制备→压制制备电极→形成自耗电极→熔炼→铸锭处理→检验。目前国际上虽然制备钛锭的方法较多（真空非自耗熔炼、真空感应凝壳熔炼、凝壳-自耗电极熔炼）但主要的制备方法仍为真空自耗熔炼（VAR）[1-2]。真空自耗技术的关键在于如何控制电极的熔化速率和重熔、冷却速率从而使得形成的钛锭缺陷最少。在多年的改进设计中仍然存在诸多缺陷问题，本文从VAR的基本原理和工艺出发，概述VAR技术目前发展的现状，以及提出此技术未来发展的趋势。

1 真空自耗熔炼技术的原理及特点

图1为VAR炉体的实物图和结构示意图，从图1中可以看出，电极在真空惰性气氛下，由于高电流的作用，电极将会溶解，在经过水冷坩埚后再次进行凝固，在此过程中，由于高电流电弧的作用，初始电极在熔融状态下有微量杂质元素挥发，从而达到精炼合金的作用[3-4]。虽然在实际生产过程中会根据原料采用不同真空自耗熔炼形式，但是基本的设备及工艺流程是不变的。目前在真空自耗控制系统上也做出了调整，多采用计算机来精准控制熔炼的整个过程，使得电极的前端可以和坩埚表面保持恒定的距离，从而形成恒定的凝固模式。

真空自耗熔炼技术（VAR）相比于其他熔炼技术具有以下特点：①可以去除氢、硫、氮等杂质元素；②降低整个熔炼气氛条件下的微量杂质元素；③得到从下向上的近定向凝固柱状晶，对于宏观和微观偏析具有明显的改善作用。

图1 VAR实物及示意图

2 真空自耗熔炼技术存在的问题

对于制备所得的钛合金质量一般用以下几个标准进行评价：①是否符合初始规定得到设计参数；②铸锭表面是否光滑，是否存在表面缺陷；③铸锭内部是否存在偏析；④所制备的铸锭内部杂质是否符合规定标准。其中对于合金成品影响最大的是铸锭内部的偏析，金属从高温液态到固态过程中，由于溶质的再分配将不可避免地出现局部成分不均匀即偏析现象。偏析的程度不仅与凝固速率有关，还和初始状态下原料的质量有着密切的关系，这就需要在合成前和过程中充分考虑各方面的影响因素。

2.1 宏观偏析

合金在凝固过程中由于热量的扩散不充分从而使得局部化学成份不均匀，这将导致溶质再分配现象，引发宏观偏析现象[5]。如图2 所示为钛合金铸锭的偏析模式示意图。钛合金的宏观偏析虽具有一般合金的宏观偏析的特征，但也具有自己独有的特征，其在某些特征上与金属具有类似性质。N.F.Anoshkin 等人通过对钛合金和铝合金铸锭的研究[6]得出了决定宏观偏析程度的几个因素：①表征元素偏析程度的溶质分配系数；②凝固温度范围和铸锭的冷却速度决定的固液两相区的宽度；③凝固收缩程度决定了流动到固液两相区中的富集溶质液相体积大小；④两相区中的液相和熔池的相互作用程度决定了两相区中和熔池中的化学成分。

图2 宏观偏析模型示意图

2.2 α微观偏析

除宏观偏析之外钛合金熔炼凝固过程中还存在一种微观偏析，其中α微观偏析又可分为I和Ⅱ型两种[7]。在早期的研究中人们无意中发现在钛合金材料α富集的微小区域中存在一些特殊的区域，这些区域的N、C、O 元素的含量较高且硬度会高于其他部分—就是所谓的α微观偏析中的I 型缺陷区域[8]，由于α微观偏析I 型缺陷区域的材料C 元素的富集使得此区域呈现一种硬而脆的物理特性，这对于航空材料来说是一种致命的缺陷。而Ⅱ型缺陷主要是由于在偏析区域Al 元素的富集，在其区域会变现除硬度低的特性，这种缺陷被称之为软偏析缺陷[9]。对于α微观偏析中的I 和Ⅱ型来说这两种缺陷对于材料本身的使用都是有害的。在研究中一直试图去减少此类缺陷的发生。

2.3 β微观偏析

β微观偏析即β相稳定富集存在区域[10]，β微观偏析形成的主要原因是因为在合金凝固过程中溶液前端将会因为热流扩散的不均匀形成等轴晶，这些等轴晶会发生沉淀再加之溶质再分配系数的不同将会发生元素偏析，而随着凝固的进行这些偏析将会被保存下来，这就形成了β微观偏析。为了减少β微观偏析的形成，在条件允许的情况下尽可能提升凝固的速率；一定程度的减少铸锭的尺寸，将使β微观偏析的杂质元素含量降到最低。

3 真空自耗熔炼目前主要研究进展

目前针对于真空自耗熔炼的研究主要集中在设备工艺参数的优化，熔炼过程中的传热传质条件、减低杂质富集等问题。L.A.Bertram 等人[11]利用Ta 及WC 等难熔物质对熔池的形状深度进行了测量，研究在不同熔炼电流条件下熔池深度和形状的变化。Lampasas G.Hosamani[12]在实验室条件下将热电偶插入坩埚边缘对熔炼过程中的温度变化进行了测量，分析熔炼过程中的传热理论。S.Spitans 等人[13]采用理论计算的方式对缺陷形成的位置进行了精准计算（见图3）。

图3 熔池铸锭的计算形貌及实物形貌图

随着计算机技术的发展，针对于合金铸锭在高温真空下的凝固过程有了新的研究方法，采用数值模拟的方法可以实现实验所无法完成的测试，通过对整个物理化学过程进行建模分析，可以得到VAR 过程中合金凝固融化过程的传热传质机理，从而为优化整个工艺流程提供理论指导意义，也是对于凝固的整个过程有图形化的认识。Miguel F.Soler[14]采用数值计算与实验对比的方法对VAR 前端的高温电弧的位置进行精确模拟及实验验证，其模拟测试结果如图4 所示。

Ashish Patel[15]采用轨迹运动模块对凝固过程中颗粒轨迹运动情况进行模拟，从微观粒子运动方面研究了钛合金中熔质颗粒的运动规律（见图5）。

图4 VAR实物及示意图

图5 颗粒运动轨迹模拟图

4 结 语

真空自耗熔炼制备钛合金作为制备钛合金领域主流的工艺技术，经过多年的发展以及工艺改进，已经具备了大规模生产应用的基础，但是在制备过程中仍然存在着各方面的缺陷问题，而计算机技术的发展也为此研究提供了一条全新的研究道路。这也将促使钛合金VAR技术的进一步发展。