钛及钛合金熔炼技术发展现状

王易山

（洛阳双瑞精铸钛业有限公司，河南 洛阳 471000）

随着新时代的到来，金属熔炼的技术也在不断的进步完善，尽管新熔炼技术不断出现，生产材料的品质以及产量也大幅提升，但是仍然有着耗能损耗大、技术低等一系列的问题，因此，原有的熔炼技术的分析将对今后熔炼技术的发展具有重要意义。跟其他金属不同的是，钛及钛合金属于高化学的活性金属，因此，在熔融条件下，基本都会与全部耐火原料产生化学反应，并且在大气中也不能熔炼，只有在真空或者惰性气氛条件下才能进行化学反应，由于熔炼技术的难度大，所以，目前只有极少数国家才能掌控钛及钛合金的熔炼技术。目前，钛及钛合金熔炼技术主要有真空自耗熔炼以及真空非自耗熔炼[1]。文章重点介绍真空自耗电弧熔炼技术、冷床炉熔炼技术、PACHM技术以及真空自耗熔炼技术。

1 真空自耗电弧熔炼技术

（1）真空自耗电弧熔炼技术的原理。当今，钛及钛合金大多利用真空自耗电弧熔炼技术，首先将自耗电极压制好并将其设置为负极，而铜坩埚设置为正极，将钛及钛合金放在真空或者惰性环境中，将电极放在电弧的高温下加热，将其迅速熔化并进行一定搅拌，同时将易挥发的杂质快速扩散去除，通过充分地搅拌使其均匀。

（2）真空自耗电弧熔炼技术的特点。真空自耗电弧熔炼技术的特点是熔炼的速度极快，熔炼工艺的自动化高、熔炼操作较简单，可以达到一般的工业目标，并且对于那些极易挥发的杂质和一些氮气等气体的去除效果极好

（3）真空自耗电弧熔炼技术发展现状。真空自耗电弧熔炼技术自产生以来已经有50多年时间，技术发展已达到成熟期，其主要表现在以下5个方面：①成品尺寸实现大型化。电弧熔炼属于批次生产的工艺，所以如果进行大规模生产其效率将大幅提高，并且，随着新时代的不断发展，工业对于大型从产品的需求也与日俱增，需要更多更大规格的产品，因此，真空自耗电弧熔炼技术便很好地解决了这个问题。②工艺实现全自动化。目前真空自耗电弧熔炼炉已实现全自动化。目前我国的真空自耗电弧熔炼炉大多选用线上自动化电控盒的数据系统，可以利用重熔的配方通过电脑来控制生产工艺，并监控熔炼过程中的问题，大大地提高了产品的成品率。在实际的真空电弧熔炼中，电极的间隙是重要参数，直接关系着电弧的长短和深度，也将影响轴向温度和浓度，对于产品的宏观分析也具有重要的影响。很多研究人员通过检测每秒为单位电极两端的短路次数，精确控制电极间隙，利用过滤的算法加速电极间隙的自动控制。同时，熔炼的速度也将直接关系到钛产品的成分与质量，Williamson为代表的团队通过整体全面的考虑影响因素，例如电极间隙、和电极重量等相关数据，研究出了动态熔速控制模型，进而实现熔炼自动化。③生产实现高效化。由于自耗电极的质量大幅提高，使得真空自耗电弧熔炼技术工艺的稳定性与重复性也大大提高，并且，在国外，真空自耗电弧熔炼技术大多选择双工位布置模式，熔炼时可交替进行，进而实现生产的高效化，大大地降低人工成本，极大地提高了生产效率，节省生产时间，缩小与大国之间的差距。④供电趋于稳定。最开始，真空自耗熔炼技术大多采用非同轴的形式来供电，但是，若是强大电流经过，会产生极强的复杂磁场，熔炼过程极不稳定。目前的新型真空自耗电弧熔炼炉都使用同轴型的供电方式，能够抵制磁场影响，阻止偏析的产生。⑤引入数值模拟方法。以前，对钛及钛合金的真空熔炼，仅仅是感性的认识，对温度场的数值也不清楚。虽然真空自耗电弧熔炼技术的工艺较为简单并且操作较为方便，但是因为热源特点将导致熔体的温度不均，使得产品存在成分和组织的不均匀，并且也容易出现缺陷。近来，计算机的模拟技术深入发展，很多人对与凝固理论意识加深，我国研究人员赵小花采用有限元模拟的方法，了解熔炼过程的温度场分布情况，进而分析不同阶段熔炼规律。

在真空熔炼的过程中，其温度场和凝固的组织模拟，将对技术工人精准了解工艺具有重要的作用，并且避免了实际开发失败的损失，提高生产效率。

2 冷床炉熔炼技术

冷床炉熔炼技术大多是用在航空钛合金的生产上，可以提高钛合金的质量和可靠性，弥补真空自耗电弧熔炼技术的不足，同时也适合工业的生产。

（1）冷床炉熔炼的原理。冷床炉熔炼分为3个部分，即熔化部分、精炼部分和结晶部分。在熔化部分中，将原材料由固态转为液态，将液态钛液引入精炼部分；在精炼部分中，钛液在冷床炉上停留一段时间，能够有效地剔除易挥发的杂质，例如钙和镁等；最后，在结晶部分中，将处理后的钛液引入结晶器中塑形。

（2）冷床炉熔炼的优势。①生产的成品种类繁多，并且不需要压制电极，大大地缩短时间，同时降低成本，提高从产品品质；②可以大量运用经济的生产原料；③可以有效地剔除易挥发、低密度和高密度的杂质；④可以通过功率来控制产品的密度，同时也可以控制钛液在冷床处理的时间，大大地提高其均匀性、稳定性和灵活性；⑤可以生产出不同型号的产品，并且减少生产中损耗，提高产品的成品率；⑥可以实现一次成型，一炉多型，提高生产的效率。

3 PACHM技术的发展现状

PAM炉主要在美国运用的较多，开发时间也最早，经过多年的发展，多国已经具备批量生产高质量钛合金的能力美国、俄罗斯等发达国家已经将其大规模地引入航空航天领域，例如，美国海军的F-16飞机利用等离子冷床炉熔炼技术生产出F110发动机。美国航空的发动机关键部大多采用“HEARTH+VAR”的钛合金工艺，这说明单一冷床炉熔炼技术在航空钛合金的生产也是可行的并且可以节约产品的加工成本，提高成品率。

我国采用PACHM技术的时间较短，最先引进的是北京航空材料研究院，在2003年购买了1台美国生产的PACHM炉，其总功率是600kW，可以实现拉锭和浇铸一体化。其生产的TC4和TiAl铸锭，在合金的杂质元素含量、夹杂物和合金化元素含量控制等方面均取得了较大的成功。上海宝钢集团为提升市场竞争力，扩大熔铸能力，于2008年引进一台单结晶室双坩埚PACHM炉。随着生产技术的不断发展，PACHM炉也加入了氦气回收再生体系，既可以回收气体降低成本，又可以实现环境的保护。为了进一步地优化PAM生产工艺，美国也开发了冷床炉熔炼的模拟软件，这种软件可以实时观察钛溶液的流动方向、温度高低等，并且该模拟软件已经逐渐地应用到钛合金生产领域。

4 结语

随着新时代的不断发展以及我国钛工业的深入发展，钛及钛合金的真空熔炼技术也不断进步并且趋于成熟，虽然我国的发展速度较快，但是距离其他发达国家之间还具有一定的差距。但是，新熔炼技术也不断地出现，这将解决耗能大和指标低问题，因此，我国要紧跟时代的步伐，优化生产工艺，提高生产效率和利润，推动新时代我国经济和社会的全面发展。