钛合金铸造设备与工艺

1钛及钛合金的熔炼铸造设备与工艺一、概述„钛和钛合金的熔炼与铸造，必须在特制的专用设备上进行，且必须满足如下要求：(1)采用的热源能直接为熔化的钛及其合金提供高密度的热流，保证熔融金属具有较高的温度，同时避免外界大气或外来杂质进入设备内部，污染熔融的金属液；(2)在熔炼原材料加热、熔化及熔融金属液浇入铸型，铸件凝固与冷却等过程中，设备内部应始终维持在真空状态下或处于保护气氛中；(3)装载熔融金属液的坩埚，工作过程中其内壁能自动形成一层凝壳，把熔融金属液与坩埚材料隔离，防止熔融金属液被坩埚材料污染。二、钛和钛合金的熔炼铸造设备„图1为铸钛工业生产中正在使用的各种熔炼铸造设备与方法图1铸钛工业生产中正在使用的各种熔炼铸造设备与方法„真空自耗电极电弧凝壳炉应用得最普遍，目前世界上生产的绝大部分钛和钛合金铸件，都是用真空自耗电极电弧凝壳炉浇铸的。„真空自耗电极电弧熔炼炉（以下简称自耗炉）和真空自耗电极电弧凝壳炉（以下简称凝壳炉），是目前铸钛工业中使用最多最频繁的两种熔炼铸造设备，自耗炉主要用于熔炼母合金棒料（铸造或锻造用）——自耗电极，凝壳炉主要用于重熔浇铸各种铸件。它们的熔炼原理、操作程序、熔炼工艺都极为相似，但在一些主要构件的结构和组件的配置上是有区别的。1自耗炉„图2为真空自耗炉的结构示意图。„图3为自耗炉的外观。2图2真空自耗炉的结构示意图1-电极传动机构2-熔炼炉室3-熔炼电源4-母排/电缆5-电极导杆6-铜坩埚/冷却水套7-真空系统8-X-Y.调节9-负载传感系统图3自耗炉的外观2凝壳炉„图4为真空自耗电极电弧凝壳炉及其主要构成组件的结构示意图，由图4可见，它的基本结构和组成构件与真空自耗电极电弧熔炼炉大致相似，但在某些重要构件和构成组件的配置上有很大不同的。两者的区别在于，凝壳炉：(1)采用了大尺寸的熔铸室（炉膛）和与此匹配的具有大抽速的真空系统；(2)设置了大容量、短粗的可翻转的坩埚（结晶器）；(3)增大了输入电功率；(4)为获得致密薄壁铸件，在炉膛内熔炼坩埚的下方增设了离心铸造装置；(5)增加了气动快速升降电极机构。图4真空自耗电极电弧凝壳炉及其主要构成组件的结构示意图1-电极传动机构2-电极导杆3-自耗电极4-水冷铜坩埚5-离心盘6-离心装置7-油增压泵8-罗茨泵9-阀门10-机械泵11-电磁阀12-硅整流电源1）炉体（a）卧式炉„目前国产的凝壳炉大多都是卧式炉（见图5）图5卧式真空自耗电极电弧凝壳炉的外观（b）立式炉„图6为德国LEYBOLD.AG公司设计制造的L300SM立式凝壳炉。„图7为L300SM立式凝壳炉的内部详细结构示意图。„图8为德国LEYBOLD.AG公司设计制造的另一种结构型式的大型（750kg）立式凝壳炉1）炉体图6德国LEYBOLD.AG公司设计制造的L300SM立式凝壳炉的外观［11］3图7L300SM立式凝壳炉的内部详细结构示意图1-电极快速提升机构2-电源电缆3-电源4-电极导杆5-自耗电极6-坩埚7-炉门与坩埚滑车8-离心铸造装置9-真空系统10-型模11-抽气口图8德国LEYBOLD.AG公司设计制造的另一种结构型式的大型（750kg）立式凝壳炉（C）双室炉和多室炉„双室炉是把原有的一个熔铸室分为熔炼室与铸型冷却室两部分，两者间用真空闸板阀隔开（见图9）1）炉体图9双室凝壳炉的的外观„多室炉是双室炉的进一步发展，如图10所示的俄罗斯的вдл-160M型凝壳炉就属于这种炉子［1］。图10俄罗斯的вдл-160M型多室凝壳炉（d）连续式炉„图11为连续式炉的结构示意图。1）炉体图11连续式真空自耗电极电弧凝壳炉结构示意图1-炉门2-真空室3-闸板阀4-铸型预热室5-电极导杆6-电极升降机构7-熔炼室8-坩埚9-自耗电极10-进料室11-铸件预冷室12-铸件冷却室4„一般工业电弧炉的炉体都是用不锈钢板做成双层水冷式的，这种结构的冷却效果最佳，在冷却水进口温度处于常温的情况下，可以保证炉体各部分（尤其是连接法兰部位和真空密封处）及炉门冷却到40℃以下。2)坩埚系统„坩埚系统是凝壳炉的心脏。凝壳炉的坩埚与自耗炉的坩埚相比，是短粗型且可翻转的。整个系统由坩埚、冷却系统、翻转系统及馈电电缆等组成。„目前工业生产中凝壳炉使用的坩埚有两种：石墨坩埚和水冷铜坩埚。图12典型的石墨坩埚系统[1]1—石墨坩埚2-导电板3-不锈钢水冷套4-水套轴颈5-坩埚与水套固定装置图13可拆卸水套式铜坩埚冷却循环系统结构示意图1-底板固紧螺栓2-固紧中间隔水套的底板3-带稳弧线圈的中间隔水套4-外水套5-坩埚固紧螺栓6-橡胶密封圈7-水冷铜坩埚„坩埚冷却系统的冷却强度直接影响到熔池的深度和直径以及熔池中金属液的过热度。„凝壳炉熔炼过程形成的凝壳有两个作用：①防止熔池中液态金属被坩埚材料污染；②使液态金属不与坩埚壁直接接触，保护坩埚的工作面，不受到液态金属的破坏作用。3)离心铸造装置„生产用凝壳炉的离心铸造装置都采用立式离心铸造机（见图4）。离心机的转速范围为0～600转／分。离心盘直径的大小取决于炉膛的尺寸和炉子的容量，一般为600～1600mm。54)电极传动机构和控制系统„在熔炼和装炉过程中用以调节及传动电极杆升降的机构，电极传动有双电动机单式差动和多电动机复式差动齿轮传动两种方式（见图14a）（见图14b）。图14电极传动机构传动方式示意图a.单式差动齿轮双电机传动b.复式差动齿轮三电机传动„熔炼过程中电弧长度的自动控制是通过电极升降调节来实现的。图15电压信号自动调节电极升降原理图［7］5)电源„熔炼主电源是为真空自耗凝壳炉熔炼铸造钛和钛合金提供能源的直流电源装置。目前工业生产上使用的真空自耗凝壳炉都采用带有饱和电抗器的硅整流柜。6）真空系统和监测系统(a)真空系统„是保证密闭炉体系统获得熔炼浇铸所需的真空度，其典型配置见图17图17凝壳炉配置的典型真空系统［3］1.炉体2，4，6-阀门3-罗茨泵5-中间罗茨泵7-前级机械泵8-维持泵(机械泵)9-油增压泵(b)监测系统和控制系统为确保熔炼过程的安全，在操作室内配置有一系列监测装置，包括观测装置、计量指示记录及各种继电保护仪器等。（见图18）。6)真空系统和监测系统图18目前常用的观测装置之一1-炉体2-磨砂玻璃屏3-反射镜4-棱镜5-透镜管6三、钛和钛合金的熔炼与铸造工艺„钛和钛合金的工业生产，大多都是通过真空自耗电极电弧熔炼来获得的。1真空自耗电极电弧熔炼的基本原理及电弧的结构与特性(1)真空自耗电极电弧熔炼的基本原理（见图19）图19真空自耗电极电弧熔炼（正极性法）原理及各区域主要物理化学反应示意图1-钛自耗电极2-气相区（残余气体及反应气态生成物运动区3-弧柱区（脱气、分解、电离）4-钛熔池（脱气、分解、偏析、夹杂物上浮及再生）5-凝壳6-铜坩埚1)电弧的结构和特性（a）电弧的产生电弧的产生是一个弧光放电过程。（b）电弧的结构电弧是由阴极区、弧柱区、阳极区三大部分组成，如图20所示。图20电弧构造示意图1-阴极斑点2-正离子层3-弧柱4-阳极斑点（C）电弧的特性1)电弧中的电压降真空自耗电极电弧熔炼所利用的是弧光放电，这种放电是在低电压（十几伏到几十伏）和大电流（几千安到几万安）条件下产生的放电；放电过程产生强烈的白帜光和高温。弧光放电时两极间的电压降叫电弧电压。电弧电压U由阴极压降UK、弧柱压降UC和阳极压降UA组成：U=UK+UC+UA1)电弧的结构和特性图22电弧电压分布（C）电弧的特性2）电弧的稳定性„在熔炼过程中要十分注意确保电弧的稳定性。实践表明，气相压力在105～6.7×103Pa范围内电弧是稳定的，压力在6.7×103～67Pa时，电弧在坩埚内严重漂移，易产生边弧和散弧，这个气相压力范围称为危险区；在真空自耗熔炼过程中，气相压力必须避开危险区，经常保持在临界压力以下。1)电弧的结构和特性7图23真空自耗电极电弧熔炼时炉内压力分布„在真空自耗电弧熔炼炉的生产实践中，为了使电弧工作稳定，通常在坩埚外加稳弧线圈（见图24）。图24稳弧线圈示意图1.钛自耗电极2-铜坩埚2.3-水冷套4-稳弧线圈3.5-底垫（底结晶器）2真空自耗电极——铸锭的制备工艺„目前真空自耗电极电弧熔炼炉是为真空自耗电极电弧凝壳炉提供自耗电极的主要设备。图27为自耗熔炼炉生产钛和钛合金自耗电极的生产工艺流程。图27自耗熔炼炉生产钛和钛合金自耗电极的生产工艺流程3真空自耗电极电弧凝壳炉熔炼浇注工艺(1)概述„图28为凝壳炉的熔炼浇注工艺流程。凝壳炉的主要任务是重熔金属，并浇注成铸件。采用的炉料是预先制成的所需直径和长度的自耗电极。图28凝壳炉的熔炼浇注工艺流程8(2)自耗电极的来源和技术要求（见表3）表3凝壳炉使用的自耗电极的来源和技术要求不管哪种废料都须经净化处理，其表面不得有污物和氧化皮，内部不能有夹杂，化学成份和杂质应符合所需技术要求；使用方法有两种：第一种是把废料制成自耗重熔电极，它又有两种办法：①把废料加工成块料装到石墨加工成的电极锭模里，然后用凝壳熔炼部分液态金属浇入电极锭模内，把块料粘接成重熔自耗电极（见图30a）；②直接把块料焊接成重熔电极（见图30b），这种电极表面可能不规则，熔炼过程易产生爬弧和边弧，应尽量采用短弧熔炼以防击穿坩埚。第二种使用方法是把清理干净符合要求的废料直接放在凝壳内，每次的加入量不得超过要浇注金属量的5～8%，以保证被熔金属的过热度铸造产生的原料：浇冒系统、报废的铸件、废凝壳、铸件机加工的切屑、炉内大块干净的飞溅、锻件或锻棒的切头、钛及合金板的下脚料等回炉料锻棒的直径和长度应符合使用要求，表面和端部应平整，不得有污物和氧化皮，化学成份和杂质应符合所需技术要求自耗炉熔炼的二次大直径铸锭经开坯锻造成所需直径，然后经机加工扒皮制成锻棒采用一次或二次的铸锭，应根据浇注铸件的质量要求进行选择。航空航天和其它重要用途的铸件必须采用二次自耗熔炼的铸锭；一般民用铸件可采用一次铸锭。铸锭的直径和长度应满足使用要求，若长度不够可采用焊接或螺纹连接加点焊的方法接长（见图29[10]）。每批铸锭使用前必须先检查其化学成份和杂质，合格后方可使用；铸锭表面和端面不得有氧化皮和污物，如果存在严重氧化皮，应用机加工方法去除自耗熔炼炉熔炼的一次或二次铸锭铸锭技术要求来源类型图29不够长的电极与端头残极的螺纹连接示意图1.电极安装头2-自耗电极3-中间连接螺杆4-自耗残极5-阴螺纹ab图30回炉料制成的重熔自耗电极的方法a.铸造粘接成形法：1-过渡浇杯2-液态钛3,6-石墨锭模4-回炉料5-浇进的液态粘结钛b.焊接成形法:1-电极安装头2-回收料块3-焊点(3)凝壳炉的熔炼浇注过程„可分为准备期、引弧期、正常熔炼期、停弧浇注、铸件冷却等五个阶段。1）准备期2）引弧期3）正常熔炼期4）停弧浇注5）铸件冷却(4)凝壳炉的熔炼浇注工艺1)凝壳炉的熔炼工艺参数的选择(a)真空度的选择和漏气率的控制凝壳炉正常熔炼的真空度应在6.7～0.67Pa范围内。凝壳炉的漏气率应控制在0.4～0.7Pa·L/s范围内。(b)电极和坩埚的直径凝壳炉的电极直径d与坩埚直径D的比值d/D通常都在0.4～0.75范围内。(C)熔炼电参数的选择凝壳炉熔炼采用低电压大电流的电制度，起弧后的熔炼电压为30～45伏。为了获得较快的熔化速度和较高过热度的熔池，在不短路的情况下，应尽可能降低熔炼电压，采用短弧操作。1)凝壳炉的熔炼工艺参数的选择9„凝壳熔炼的熔化速度与熔化电流和电压成正比。v=KIV式中v——熔化速度(g/s)；K——常数（系数）,0.33(g/s·kW)；V——熔炼电压(v)；I——熔化电流(kA)。„图31为凝壳熔炼过程电参数和压力的变化。图31钛和钛合金凝壳熔炼过程电参数和压力的变化(d)金属熔化量的计算凝壳熔炼金属熔化量的计算通常都以熔炼时间作为变量进行计算的。(e)熔池的过热度熔池的过热度也就在60～200℃之间。(f)浇注和浇注方式的选择„铸型的浇注方式应根据浇注铸件的几何形状、尺寸大小、壁厚、重量和质量要求等综合考虑选择确定。对于形状复杂的薄壁（≤3mm）铸件必须采