一、鈦及鈦合金鑄錠熔煉時的冶金特性

1. 冶金特點

① 具有較高的熔點，熔點為1668℃士5℃

② 具有很高的化學(xué)活性，特別是對氧、氮、氫、碳等間隙元素的親和力很大，對熔煉時耐火材料和氣氛的選擇都造成較大的困難。

③ 金屬材料純度對其加工和使用性能影響極其敏感。

基于上述三大特點，鈦及鈦合金鑄錠的熔煉均采用真空熔煉方法進行。該熔煉方法的優(yōu)點主要如下。

① 防止了來自大氣中的氧、氮、氫等有害氣體對金屬材料的污染；

② 消除了非金屬耐火材料對金屬的污染；

③ 為金屬材料的提純提供了有利的熱力學(xué)和動力學(xué)條件；

④ 順序凝固的熔鑄方式有利于不揮發(fā)的不溶雜質(zhì)上浮，并能改善鑄錠組織；

⑤ 熔煉在兼做錠模的坩堝內(nèi)進行，便于采用熱封頂方式補縮，減少冒口切除率。

2.壓力加工對鑄錠的要求

鑄錠是制取加工材的半成品。鑄錠應(yīng)滿足以下要求。

① 化學(xué)成分和雜質(zhì)含量合格且分布均勻；

② 內(nèi)部組織均勻，無特異和個別粗大組織；

③ 無金屬和非金屬夾雜物；

④ 無氣孔、裂紋、縮孔、疏松、冷隔等內(nèi)部缺陷；

⑤ 無折皺和凸凹不平等表面缺陷；

二、鈦及鈦合金鑄錠熔煉方法及特點

目前，鈦及鈦合金鑄錠的熔煉方法有以下五種，其中應(yīng)用最廣泛的是真空自耗電熔煉和冷床爐熔煉法。

1.真空自耗電弧爐熔煉法(簡稱VAR法)

隨著真空技術(shù)的發(fā)展和計算機的應(yīng)用，VAR法很快成為鈦熔鑄成熟的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。當(dāng)今的鈦及鈦合金鑄錠的熔煉絕大部分采用真空自耗電弧爐熔煉法。VAR法的顯著特點是功率消耗低、熔化速度高和良好的質(zhì)量重現(xiàn)性。VAR法熔煉的鑄錠具有良好的結(jié)晶組織和均勻的化學(xué)成分。通常，由VAR法熔煉制得的成品鑄錠，至少要經(jīng)過兩次熔煉。

2.非自耗真空電弧爐熔煉法(簡稱NC法)

目前，水冷銅電極已經(jīng)取代了鈦工業(yè)起步階段的鎢-釷合金或石墨電極，解決了工業(yè)污染問題，從而使NC法成為熔煉鈦及鈦合金的重要方法之一，數(shù)噸級的NC爐已在歐美運轉(zhuǎn)。水冷銅電極分為兩種類型；一種是自旋轉(zhuǎn)的，另一種是旋轉(zhuǎn)磁場的。NC爐也可分為兩種：一種是在水冷銅坩堝內(nèi)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(nèi)連續(xù)投入原料、熔煉和凝固。

3.冷爐床熔煉法(簡稱CHM 法)

原料的污染和熔煉工藝過程的異常會引起鈦及鈦合金鑄錠出現(xiàn)冶金夾雜缺陷，這個問題一直影響鈦及鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。為了消除鈦合金飛機發(fā)動機旋轉(zhuǎn)部件中的冶金夾雜，冷爐床熔煉技術(shù)應(yīng)運而生。CHM法最大的特點是將熔化、精煉和凝固過程分離，即待熔化的爐料進入冷爐床后先進行熔化，然后進入冷爐床的精煉區(qū)進行精煉，最后在結(jié)晶區(qū)凝固成錠。鑄錠可為圓錠、扁錠及空心錠。扁錠可直接軋制成板材，縮短了生產(chǎn)周期，降低了產(chǎn)品成本。CHM法又分為電子束冷爐床熔煉法和等離子冷爐床熔煉法。

(1)電子束冷爐床熔煉法(簡稱EBCHM法)

電子束熔煉是利用高速電子的能量，使材料本身產(chǎn)生熱來進行熔煉和精煉的工藝過程，該熔煉爐就稱為EBCHM爐。EBCHM法能夠有效地去除鉭、鉬、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)。電子?xùn)|熔煉可以保證鑄錠的純度，甚至達超高純。但因電子束熔煉在高真空下工作，因此蒸氣壓較高的合金元素揮發(fā)損失嚴重，給控制合金化學(xué)成分帶來了困難。合金錠一次熔煉后還須用VAR 再熔煉一次，而對于工業(yè)純鈦，用該法生產(chǎn)的鑄錠，由于表面質(zhì)量好，皮下氣孔淺且少，一次錠即可進行后續(xù)的壓力加工。

(2) 離子冷爐床熔煉法(簡稱PACHM 法)

PACHM法利用惰性氣體電離產(chǎn)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內(nèi)完成熔煉。該方法的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，同樣可消除高密度夾雜(HDI)和低密度夾雜(IDI)。該方法具有提供改進傳統(tǒng)合金屬性的性能，可實現(xiàn)多元合金的熔煉，是一種較經(jīng)濟的傳統(tǒng)熔煉方法。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成分均勻性較為理想的鑄錠，但鑄錠的表面下氣孔往往較多且深。

4.冷坩堝熔煉法(簡稱 CCM 法)

20世紀80年代，美國硅鐵公司發(fā)展了無渣感應(yīng)熔煉工藝，把CCM法推向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，用于生產(chǎn)鈦錠和鈦的精密鑄件。近年來在一些發(fā)達國家，CCM法已經(jīng)開始步人工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，鑄錠最大直徑為1m，長度2m，發(fā)展前景令人矚目。CCM法熔煉在一個彼此不導(dǎo)電的水冷弧形塊或鋼管組合的金屬坩堝里進行，這種組合的最大優(yōu)點在于，每兩個塊間的間隙都是一個增強磁場，磁場產(chǎn)生的強烈攪拌使合金的化學(xué)成分和溫度一致，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。CCM法兼有VAR法和難熔材料坩感應(yīng)熔煉的特點，不需耐火材料，不必制備電極可獲得一次熔煉成分均勻而無坩堝污染的高質(zhì)量鑄錠。與VAR法相比，CCM法具有設(shè)備成本低，操作簡便等優(yōu)點。

5.電渣熔煉法(簡稱 ESR 法)

ESR法利用電流通過導(dǎo)電電渣時與帶電粒子的相互碰撞，而將電能轉(zhuǎn)化為熱能，即以渣電阻產(chǎn)生的熱能將爐料熔化和精煉。ESR法使用自耗電極在非活性材料(CaF₂)中進行渣熔煉，它可直接熔鑄成不同形狀的錠坯，并且具有良好的表面質(zhì)量，適宜于下道工序直接加工。