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鈦棒、鈦合金棒等鈦合金材料熔煉的工藝與技術展望 

發布日期:2019-06-26  瀏覽次數:19
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  隨著科學技術的發展以及人民生活水平的提高,在工業生產、航空航天、國防軍工以及日常生活中的應用越來越多,從而對鈦及鈦合金c和性能的要求越來越高,而鈦合金原料的 熔煉無疑是最重要最關鍵的一環,其熔煉的優劣直接影響到后續加工的成品的性能指標是否達到產品要求,從而推動了鈦合金現代熔煉技術的發展,其中包括電子束、等離子冷床爐等新技術的發展,為提高鈦合金鑄錠的冶金質量和力學性能創造了良好的條件和基礎。
  1、鈦合金熔煉方法
  1.1 真空自耗電弧爐熔煉法(簡稱VAR法)
  隨著真空技術的發展和計算機的應用,VAR法很快成為鈦的成熟的工業生產技術,今天的鈦及其合金鑄錠絕大部分是使用此方法生產的。VAR法顯著特點是功率消耗低、熔化速度高和良 好的質量重現性,VAR法熔煉的鑄錠具有良好的結晶組織和均勻的化學成分。通常, 成品鑄錠應由VAR法熔煉制得. 至少要經過兩次重熔。
  用VAR法生產鈦鑄錠,世界各國生產廠家使用的工藝基本相似,差別在于使用不同的電極制備方式和設備.電極制備可分為三大類,一是采用按份加料連續壓制的整體電極,排除了電 極焊接工序:二是單塊電極壓制,拼焊成自耗電極。并通過等離子氬弧焊或真空焊焊接成一體;三是利用其它熔煉法制備鑄造電極。
  現代先進的VAR爐的技術特點和優勢:
  (1)全同軸功率輸入,也就是說整個爐體高度上的完全同軸性,稱 同軸供電’,減少偏析現象的產生;
  (2)坩堝內電校可在X 軸向/Y軸向上微調;
  (3)具有精確的電極稱重系統,熔煉速率得到自動控制,實現了恒速熔煉’。保證了熔煉質量;
  (4)保證每次熔煉的重復性和一致性;
  (5)靈活性,即一臺爐子能夠生產多種錠型以及鑄錠的 大型化,可大幅度提高生產率;
  (6)具有良好的經濟性。
  “同軸供電”方式可以避免因坩堝供給電流不平衡所造成的磁偏漏.減弱或消除感應磁場對熔煉產品的不利影響.并且提高了電效率,從而獲得質量穩定的鑄錠。
  “恒速熔煉”的目的是為了提高鑄錠質量,通過先進的電控系統和重量傳感器來確保熔煉過程中電弧的長度和熔化速率的恒定,從而控制了凝同過程。可以有效的防止偏析現象,保障 了鑄錠的內在質量。
  現代鈦熔煉用VAR爐除具有以上兩大特點外,還實現了VAR爐的大型化,現代VAR爐可熔煉直徑為1.5m,重32t的大型鑄錠.vAR法是現代鈦及鈦合金標準的工業熔煉法.還有以下技術需 要解決.第一,電極制備方法.制備電極工藝非常繁瑣.需要用昂貴的壓力機將海綿鈦、中間合金和返回殘料壓制成整體電極或單塊小電扳.單塊電極還需要焊接成自耗電極.同時為了保 證自耗電極成分的均勻性,還需要配置布料、稱料、混料等相應的設施。第二,偶爾存在的偏析等冶金缺陷.如成分偏析和凝固偏析。前者是由于雜質元素或合金元素在電極中分布不均勻 .熔煉時來不及平衡分布就凝固所產生;后者是由于原料或工藝過程偶爾帶入了 高密度夾雜物(HDI) 和低密度夾雜物(LDI),這些夾雜物質在熔煉過程中無法徹底溶解,從而導致產生危 害極大的夾雜等冶金缺陷。
  1.2 非自耗真空電弧爐熔煉法(簡禰NC法) 目前,水冷銅電極已經取代了鈦工業起步階段的一釷臺金電投或石墨電扳,解決了工業污染問題,從而使NC法成為熔煉鈦及鈦臺金的 重要方法,幾噸級的NC爐已在歐美運轉。 水冷銅電極分為兩種類型:一種是自旋轉的;另一種是旋轉磁場的,其目的在于防止電弧對電極的燒損。NC爐也可分為兩種:一種是在水冷銅坩 堝內熔煉原料,在水冷銅模中澆鑄成鑄錠;另一種是在水冷銅坩堝內連續投人原料,熔煉和凝固。
  NC法熔煉的優點是:
  ①可以省去壓制電極和焊接電極工序;
  ②可以使電弧在物料上停留較長時間,從而提高鑄錠成分均勻化程度;
  ③可以使用不同形狀和尺寸的原料,在熔煉過程 中 還可以加入100%殘料,實現鈦的再循環利用。NC法作為一次熔煉,從提高殘料回收率和降低成本來看是相當有利的。通常,NC爐和VAR 爐聯臺使用,以充分發揮各自的優勢。
  1.3 冷爐床熔煉法(簡稱CHM法)
  由原料的污染和熔煉工藝過程異常引起的鈦及鈦舍金鑄錠的冶金夾雜缺陷,一直影 響著鈦及鈦臺金在航空航天領域的應用.為了消除鈦合金飛機發動機旋轉部件中的冶金 夾雜,冷爐 床熔煉技術應運而生。CHM法最大的特點是將熔化,精煉和凝固過程的分離,即熔化的爐料進入玲爐床后先進行熔化,然后進入冷爐床的精煉區進行精煉,最后在結晶區凝固成錠。
  CHM 技術顯著的優勢是在冷爐床床壁能形成凝殼,它的“粘滯區”能夠捕捉如WC,Mo,Ta等高密度夾雜物(HDI),同時,在精煉區,低密度夾雜(LDI)顆粒在高溫液體中滯留時間延長, 可以確保LDI的完全溶解,從而有效地清除夾雜缺陷。也就是說.冷爐床熔煉的提純機理可分為比重分離和熔解分離兩種。
  1.3.1電子束冷爐床熔煉法(簡稱EBCHM法) 電子束熔煉(簡稱EB),是利用高速電子的能量,使材料本身產生熱量來進行熔煉和精煉的工藝過程。帶有冷爐床的EB爐,就稱為EBCHM。 EBCHM法具有傳統熔煉法不具備的優異功能:
  (1)有效地去除,,鎢,碳化鎢等高密度夾雜(HDI)和氮化鈦。氧化鈦等低密度夾雜(LDI);
  (2)可以接受多種加料方式,鈦殘料回收較為容易,即可以使用其它熔煉法無法使用的廢料,仍能制得純凈的鈦錠,大幅度降低產品的成本;
  (3)可直接由金屬液中取樣分析化驗;
  (4)可生產異型錠坯,減少生產工序,降低原料消耗,提高成品率;EBCHM法還存在以下缺點:
  (1)熔煉需要在高真空條件下進行,因此不能使用含氯化物較高的海綿鈦直接熔煉;
  (2)合金元素易揮發,難以控制化學成分。
  1.3.2 等離子冷妒床熔煉法(筒稱PCHM法)
  PCHM法利用惰性氣體電離產生的等離子弧作為熱源,可在從低真空到近大氣壓很寬的壓力范圍完成熔煉。該方法顯著特點是可保證不同蒸氣壓的合金組分,在熔煉過程中無明顯的燒損 ,同樣可消除HDI和LDI冶金缺陷。
  該方法具有提供改進傳統臺金屬性的能力,可實現多元化合金的熔煉,是一種較傳統熔煉方法經濟的熔煉法。
  采用該方法熔煉,對于鈦及鈦合金來說,一次熔煉就可以得到理想的鑄錠。
  現代PCHM 法優勢在于:
  ①設備投資低,易操作,安全可靠;
  ②可以使用不同種類和形態的原料,殘料回收率高;
  ③保證多元化合金的化學成分;
  ④ 實現了價格昂貴的惰性氣體回收再 利用,降低了生產成本。PCHM法缺點為電效率較低。
  EBCHM和PCHM相同之處在于都能夠消除HDI和LDI。一般熔煉純鈦使用前者較為適宜;而對于合金來說,后者更合適。
  同VAR法一樣,以上兩種方法電實現了大范圍的工藝自動化控制,包括工藝參數(熔煉速度、熔煉與凝固過程中溫度的分布、熔煉時成分的變化、不溶性夾雜的去除程度等)及質量。
  1.4 冷堝熔煉法(簡稱CCM法)
  8O年代美國硅鐵公司,發展了無渣感應熔煉工藝,把CCM 法推向工業生產應用,用于生產鈦錠和鈦的精密鑄件.近年來在一些經濟發達國家,CCM法已經開始步人工業化生產規模,鑄 錠最大直徑為l m,長度2m,其發展前景令人矚目。
  CCM 法熔煉過程是在一個彼此不導電的水冷弧形塊或銅管組合的金屬坩堝里進行,這種組合的最大優點在于,每兩個塊間的間隙都是一個增強磁場,磁場產生的強烈攪拌使化學成分和 溫度一致,從而提高了產品質量。
  CCM 法兼有VAR 法和難熔材料坩堝感應熔煉的特點,不需耐火材料,不必制作電極即可 獲得一次熔煉成分均勻而無坩堝污染的高質量鑄錠。
  CCM 法與VAR 法相比具有設備成本低,操作簡便等優點,但從目前來看該技術仍處于發展階段。
  1.5 電渣熔煉法(簡稱ESR法)
  ESR法是利用電流通過導電電渣時帶電粒子的相互碰撞,而將電能轉化為熱能的。即以熔渣電阻產生的熱能將爐料熔化和精煉。ESR法使用自耗電極在非活性渣(CaF2)中進行電渣熔煉, 它可直接熔鑄成同形狀的錠坯,并且具有良好的表面質量,適宜于下道工序直接加工。該法的優點在于:
  (1)ESR爐完全同軸性保證了最佳質量鑄錠的可重復性;
  (2)鑄錠軸向結晶,組織致 密、均勻;
  (3)具有極高精度的電極稱重系統和熔煉速率控制系統;
  (4)設備簡單,操作方便。缺點在于不能排路熔渣對鑄錠的污染。
  2、不同熔煉方法的分析
  熔鑄鈦錠質量對其后續的冷,熱加工材的組織和性能起著決定性的影響。鈦及鈦合金鑄錠質量優劣主要從以下幾個方面衡量:
  ① 鑄錠的不同部位化學成分是否均勻一致;
  ②主要雜質 (Fe、O等)是否控制在適當的范圍;
  ③鑄錠內部有無夾雜、偏析、氣孔、裂紋,縮孔和疏橙等缺陷;
  ④ 鑄錠表面是否光滑,無玲隔,頭部縮孔切除量大小。
  當今的航空航天技術對鈦及鈦合金鑄錠提出了更為嚴格的質量要求。除嚴格控制生產工藝過程質量外,還應采用多次熔煉,其中至少有一次熔煉過程是在真空中進行的,以獲得優質鑄錠。這就要求必須綜合利用每一種熔煉方法的特性,實現鈦及鈦合金的物理冶金過程,從而獲得性能優異的,連續重現的高質量鈦及鈦合金鑄錠。
  3、展望
  從經濟的觀點出發,VAR法作為主要的生產方法將繼續為航空領域和非航空領域提供高質量鈦材,仍將是鈦及鈦合金熔煉的理想方法。但還需解決電極制備和鑄錠清潔問題,NC法主要 適用于返回爐料的回收熔煉,EBCHM和PCHM法以其特有的優勢可為航空航天等領域提供質量要求更高的鈦及鈦合金鑄錠。在不久的將來必將會成為鈦標準熔煉工藝的一個重要組成部分,CCM 法和ESR法仍需進一步改進和完善也有可能進入工業化規模生產。
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