冶金原理及工艺5.5典型合金的熔炼工艺-钛合金

冶金原理及工艺5.5典型合金的熔炼工艺-钛合金§5.5钛合金熔炼工艺用于钛合金熔炼、浇注的设备种类包括：真空自耗电弧凝壳炉真空非自耗凝壳炉电子束凝壳炉冷壁坩埚感应炉等离子凝壳炉2钛是非常活泼的金属,在液态下和氧、氮、氢及碳的反应相当快。钛合金的熔炼与其他金属相比有些不同，钛及其合金是一种高化学活性金属，在熔融状态下，几乎与所有的耐火材料发生化学反应，且不能在大气中进行熔炼。必须在水冷或Na-K冷却的铜坩埚中真空或氩气、氮气等惰性气氛中熔炼，因此，要掌握钛合金的熔炼技术难度较大，世界上只有少数国家掌握某些钛合金的熔炼技术。3钛及其合金的熔炼分为两类：真空自耗熔炼真空非自耗熔炼真空自耗熔炼主要包括：真空自耗电极电弧熔炼、电渣熔炼、真空凝壳炉熔炼。非真空自耗熔炼主要包括：真空非自耗电弧熔炼、电子束熔炼、等离子束（或等离子弧）熔炼等，后两种又称冷床炉熔炼。4熔炼用坩埚均采用水冷铜坩埚,具体的熔炼工艺主要有三种方式：1.非自耗电极电弧炉熔炼——合金熔炼在真空或惰性气体保护下进行。该工艺主要为自耗电极熔炼制备电极。2.真空自耗电极电弧炉熔炼——以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极,以水冷铜坩埚为阳极。熔化了的电极以液滴形式进入坩埚,形成熔池。熔池表面被电弧加热,始终呈液态,底部和坩埚接触的四周受到强制冷却,产生自下而上的结晶。熔池内的金属液凝固后成为钛锭。53.真空自耗电极凝壳炉熔炼——这种熔炉是在真空自耗电极电弧炉基础上发展起来的,它是一种将熔炼与离心浇注联成一体的铸造异形件的炉型。其最大的特点是在水冷铜坩埚与金属熔体之间存在一层钛合金固体薄壳,即所谓凝壳,这层铜材质的凝壳作为坩埚的内衬,用于形成熔池储存钛液,避免了坩埚对钛合金液的污染。浇注后,留在坩埚内的一层凝壳,可作为坩埚内衬继续使用。6它们的共同特点是都采用“凝壳”坩埚、即使用强制水冷的铜坩埚或石墨坩埚，熔炼时钛在坩埚上形成一个薄薄的凝固壳体。保护钛在熔融状态下不受污染，从而获得足够浇注铸件用的“纯净”液体钛。熔炼钛合金及其他活性金属的新方法及装备,主要有电子束炉、等离子体炉、真空感应炉等,并获得一定程度的应用。但从耗电量、熔化速度、成本等技术经济指标对比来看,自耗电极电弧炉(含凝壳炉)熔炼仍是目前最经济适用的熔炼方法。7真空自耗电弧凝壳炉利用电弧作热能，在低压环境下熔炼金属，1903年，首次利用自耗电极和水冷结晶器，在低压氩气保护下熔炼钛金属。从1937年起，真空自耗电弧重熔的方法获得了很大的进展，这是与钛冶金的发展紧密相联的。1949年后，大型真空电弧熔炼，已具备了工业生产的规模，工艺与设备也日趋完备。8水冷铜坩埚应用最为广泛，欧美、中国都主要采用这种坩埚。铜材埚的直径D由炉容量与电极直径d所决定，一般为d/D为0.45~0.75，而坩埚的合理深度H则与电流强度有关，一般铜坩埚的深度直径比H/D约为1.2～1.5。9真空自耗电弧炉熔炼(VAR)工艺一直是钛合金熔炼的主要方法，几十年来得到了迅速的发展与普及。工作原理是利用自耗电极与熔池间的电弧放电所产生的高温不断将自耗电极熔化，在坩埚内便可得到经提纯后的金属钛锭。其特点在于能将熔炼和铸造结合在一起，金属不与空气及耐火材料发生作用，并有独特的结晶条件，能有力排除金属中的杂质，如非金属夹杂和溶于金属中的气体等，使被熔金属得到很好的提纯。VAR法在熔炼之前都要进行电极材料的制备，电极材料经过电弧熔化后都进入了铸锭(或作为下一次熔炼的电极)，因此对电极材料的制备要进行严格控制，否则容易引进夹杂物。10钛合金熔炼容易引入的夹杂物主要有二类：•一类为低密度夹杂（硬α夹杂物）；•另一类为高密度夹杂。在任何存在氧化反应的地方，都是硬α夹杂物这种缺陷产生的潜在原因，包括燃烧、炉子漏气、焊接时保护不好、外来杂质、低级残料及未混合均匀的TiO2添加剂等。11而已发现的高密度夹杂有两种类型：•难熔金属(W，Mo，Ta和Nb)；•其金属化合物(WC，TiW)等。难熔金属夹杂主要由于配料选择不当或意外造成的；TiW主要来源于所采用的氩弧焊接钨电极；WC主要来源于车削时使用的刀具。这些材料相对熔点和密度较高，难以熔化，并沉积在熔池底部。为了降低夹杂物出现的可能性，熔炼过程中必须对熔炼速度有很好的控制，因为熔炼速度与这些夹杂物有密切的关系。12熔炼时熔液如果没有在高温下保留长的时间，高熔点的硬α夹杂物难以充分熔化掉，但过高的过热度和长的熔体保持时间又易引起钛合金成分的偏析，如产生β斑缺陷等；因此，在实践中探索最适合的熔炼速度工艺对提高钛合金质量是至为关键的。对于通用的钛合金铸锭，一般采用2次VAR工艺；对于航空发动机转动零部件用钛合金，为了提高钛合金铸锭成分的均匀性和尽可能地消除偏析等，一般采用3次VAR工艺。1314将棒形钛料做为自耗电极（负极），水冷坩埚为正极（接地），二者均置于熔铸室内的真空状态下。当电极供以低电压大电流直流电时，二者之间产生电弧放电，自耗电极逐渐被熔入坩埚内。在熔炼过程中，借助于坩埚严格的热平衡，熔融材料不断自身结成凝壳，保持内部熔液不受污染，达到自身保护。熔炼完毕后，将钛液倾注在铸型中得到所需的铸件。真空自耗电极凝壳炉工作原理151617181920卧式真空自耗凝壳炉212223钛合金真空自耗电弧凝壳熔炼浇注工艺1．炉料淮备自耗电极是电弧凝壳熔铸的炉料，另外在坩埚里还可预置少量的炉料，自耗电极又称铸钛母合金棒，它的合金成分应严格符合铸件要求。母合金来源主要有三种：铸锭：航空铸件应采用真空自耗电弧炉生产的二次自耗熔炼铸锭，用作凝壳炉电极；而一般铸件则可采用一次锭。每炉批铸锭应检验其化学成分及杂质。铸锭直径和长度应符合所采用凝壳炉的技术条件，短锭可用焊接或螺纹机械联结。铸锭两端必须机加成平面，锭身可带原始铸造表面使用，但必须仔细清除锭身的沾污物；如果表面氧化严重，必须以机加工方法去除。24棒料：大铸锭可锻造成园棒，经加工去除氧化皮至规定尺寸，用作凝壳炉母合金电极使用。加工棒料表面光洁，熔炼中不易引发侧弧。铸锭经锻造变形后，合金成分希望得到均匀化。从成本计算，锻棒电极的整体成本低于小型铸锭的成本。因此，在钛铸件大批量生产中，全部使用扒皮钛合金棒料。回炉料：利用钛铸件废品和浇冒口等回炉料，是降低铸件生产成本重要途径。25用处理干净的回炉料制造的母合金电极有两种：1.一种方法是将切成小块的回炉料，经吹砂、酸洗后，装填入人造石墨的锭模中，在凝壳熔炼炉中浇入部分钛液(～30％重量)，镶合成符合电极尺寸的棒料，它的密度虽然只有致密金属的70％—80％，但已具有足够的强度与导电率，完全符合自耗电极的使用要求；2.另一种方法是将回炉料逐块焊接成一根棒料，这样的自耗电极，表面不规则，在熔炼过程中，容易出现爬弧、侧弧，因此应尽量控制较短的电弧，保持较低的熔炼电压，避免因侧弧引发击穿坩埚的危险。钛合金铸造产生的废料，一般占母合金投入的70％-80％。废料一般由以下部分组成：铸件浇冒口系统(75％-80％)；报废铸件浇口杯制壳、废凝壳、炉内飞溅物和铸件初加工钛屑。通常应用作回炉料的是化学成分合格的前面三个部分。262．电弧凝壳熔炼工序27电弧凝壳熔炼的特点电弧在熔池表面导入热能，达到一定的过热度，而熔池与凝壳交界处的温度为金属的结晶温度。这样池面与界面产生一个温度差，熔池形成一个变化的温度场。这个温度场的变化，决定于：1)电弧输入能量——电流、电压、电弧长短与熔炼速度；2)池面辐射能量损失——电极直径及与坩埚的比例；3)坩埚冷却水热传导——温度、压力，坩埚材料与结构；4)熔池尺寸及搅拌——弧压搅拌和电磁搅拌。28电子束冷床炉熔炼(EBM)电子束熔炼炉始于70年代的美国Viking公司，这是以切屑的再循环为目的建造的熔炼炉。真正的技术开发则始于1983年的阿克塞尔·约翰逊公司（THT公司的前身）。在1983—1996年间，THT公司的电子束炉累积熔炼60,000t，其中纯钛板锭45,000t。29电子束熔炼炉的工作原理是利用电子枪对水平传送过来的原料进行加热熔化，然后处于熔融状态的钛合金流向中部的精炼炉体，经过一定时间精炼，最后注入水冷铜坩埚凝固成铸锭。电子束冷床熔炼可以采用压制电极或不需压制电极的残料、回收料等原料，原料经一次熔炼就可以得到化学成分和宏观凝固组织均匀的铸锭。由于在电子束冷床熔炼中压制电极不是必须的，因此降低了产生夹杂的可能性。30与VAR法进料及热源一体化不同，在电子束熔炼炉中加热系统与进料系统可以分开，这样对熔池温度和熔炼速度的控制比较灵活，有利于为去除钛合金中的夹杂提供足够的溶解时间。此外真空自耗电弧炉进料方式单一，1次熔炼转2次和3次熔炼时，还要再次焊接电极。冷床熔炼采用边熔炼、边精炼、边凝固的流程，而且可以安排多个进料系统连续进料，这样可以生产尺寸很大的铸锭。1997年日本东邦公司引进的由西德LEYBOLDHERFAVS公司制造的1800kW电子束熔炼炉，其生产铸锭可达660×1350×2600mm，重达10t。31EBM法在生产不同形状的铸锭方面也有优势，它可以生产矩形截面的钛板坯、空心的钛管坯和圆形截面等形状的铸锭。电子束熔炼与传统的自耗电极熔炼相比有许多优点，如产品的质量与形状及操作可调整，其成品率提高而原料消耗减少，工序少而合理且能提高废料利用率，能减少熔炼次数及铸锭缺陷减少并提高铸锭等级；其最大的优点就在于熔炼中除去了夹杂，为制造无缺陷铸锭提供了可能。电子束熔炼虽有许多优点，但并非解决熔炼问题的万能钥匙，原料必须从化学、物理上严格控制。电子束冷炉床熔炼是在高真空中作业，当有易气化的合金成分时，难以确保铸锭的成分偏差。32等离子束冷床炉熔炼(PAM)20世纪80年代后期，美国为给飞机生产提供高等级钛合金，由怀曼·戈登公司和泰勒丹·奥尔瓦克公司开始分别建造了等离子熔炼炉。Allvac公司的等离子炉已达5000t。与电子束熔炼炉相比，已经建成以及在建的PAM熔炼炉在规模和产能上要小得多。33等离子冷炉床熔炼工艺是利用等离子枪发射集中和可控稳定化的等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。与电子束冷炉床相比，主要是热源不同。•等离子弧与自由电弧不同，它是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长。•与自由电弧相比，等离子弧具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力，从而使它在熔炼、铸造领域中具备了特有的优势。34与VAR熔炼相比，等离子体冷炉床熔炼可以看作是一个开放系统，等离子体冷床炉在设计上将水冷铜炉床和坩埚分开，允许输入能量和熔炼速率的独立控制，因此实现了原材料熔化和铸锭熔炼凝固的分离。在水冷铜炉床中，钛合金原料经受等离子束的高温高能轰击熔化后在炉床中形成熔池，熔池中熔液的保留时间可以自由控制，在炉床中经过精炼后的熔液经槽口溢流入水冷铜坩埚中，通过坩埚上的等离子枪的再次加热，凝固后形成铸锭。35等离子枪产生的等离子束的最高温度可达20000℃以上，因此，炉床中的熔液可以获得一个很大的过热度，加大了硬α夹杂物的熔解速率，使之可以在短时间内充分熔化。炉床中熔液的保留时间可以自由控制，这可促进夹杂物的熔解，而且通过炉床和坩埚的两级熔炼，又促进了硬α夹杂物的熔解。等离子冷炉床熔炼是在惰性气氛中操作，虽无合金成分的气化问题，但会产生由等离子枪的乱弧引出的问题。无论哪种熔炼技术，对投入原料的均匀性都必须严格控制，以避免产生成分误差。36水冷坩埚感应熔炼法（CCIM）真空感应熔炼是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法。1914年，德国海拉斯公司(HeraeusGmbH)制造了第1台真空感应熔炼装置。20世纪40—50年代，美国和英国开始使用真空感应技术和VIM（vacuuminductionmeltingfurnace）炉生产高温合金。3760年代，美国先后制造了15t、30t甚至60t的VIM炉。水冷坩埚感应熔炼法（CCIM）是在VIM法基础上发展起来的适用于钛合金生产的熔铸方法