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钛合金的五种熔炼方法

钛合金冶炼方法一般为：1.真空自耗电弧炉冶炼法； 2 .非自耗真空电弧炉熔炼法： 3 .冷炉床熔炼法： 4 .冷坩埚熔炼法： 5 .电渣熔炼法的五种方法。

1 .真空自耗电弧炉熔炼法(简称VAR法) )。

随着真空技术的发展和计算机的应用，VAR法很快成为钛成熟的工业生产技术，今天钛及其合金锭大部分采用该方法生产。 VAR法的显著特点是功耗低、溶解速度高，具有良好的质量重现性，用VAR法溶解的铸锭具有良好的晶体组织和均匀的化学成分。 通常，成品铸锭应采用VAR法熔炼，至少重熔两次。 采用VAR法制备钛锭，世界各国厂家使用的工艺流程基本相似，不同的电极制备方式和设备使用不同，可分为三类：一是采用按部就班、连续压制的整体电极，排除了电极的焊接工艺。 二是单电极冲压，焊接在自耗电极。 通过等离子电弧焊或真空焊接一体焊接； 三是通过其他熔炼法生产铸造电极。

现代先进VAR炉的技术特点和优点：

)全同轴电力输入，即炉体整体高度上的完全同轴性，称为同轴供电，减少偏析现象的发生；

)坩埚内的电子学校可以在x轴方向/Y轴方向上进行微调；

)3)具有准确的电极称重系统，熔炼速度自动控制，实现恒速熔炼，熔炼质量得到保证；

)4)保证每次溶解的重复性和一致性

)5)柔软性，即，能够用一台炉生产多种晶锭，通过晶锭的大型化，能够大幅提高生产率

)6)具有良好的经济性。 “同轴供电”方式可以避免坩埚供电电流不平衡导致的偏磁，减弱或消除感应磁场对熔炼产品的不利影响，提高电气效率，获得质量稳定的铸锭。 “恒速熔炼”的目的是提高铸锭质量，通过先进的电控系统和称重传感器确保熔炼过程中电弧的长度和熔化速度保持不变，控制了凝固过程。 有效防止了偏析现象，保障了铸锭的内在质量。

现代钛制熔炼用VAR炉除了以上两个特点外，还实现了VAR炉的大型化，现代VAR炉能够熔炼直径1.5m、重32t的大型铸锭。

VAR法是现代钛及钛合金标准的工业熔炼法。 但是，需要解决的技术如下。

第一，电极制造方法； 电极的制造工艺非常繁琐，需要用昂贵的压力机将海绵钛、中间合金和回程料冲压成一体电极或单个小电极，单个电极需要焊接在自耗电极上。 另外，为了确保自然消耗极成分的均匀性，需要配置布料、材料、混合物等相应的设施。

第二，不时存在的偏析等冶金缺陷，如成分偏析和凝固偏析。

前者是杂质元素和合金元素不均匀地分布在电极中，溶解时平衡分布来不及而凝固而产生； 后者是因为在原料和工艺过程中偶尔会带入高密度夹杂物( HDI )和低密度夹杂物( LDI )，这些夹杂物在溶解过程中不能完全溶解，引起危害较大的夹杂物等冶金缺陷。

2 .非自耗真空电弧炉熔炼法(简祢数控法) )。

目前，水冷铜电极已取代钛工业起步阶段的钨钢模具加电或石墨模具电扳手，解决了工业污染问题，从而使数控法成为熔炼钛和钛模具的重要途径，数吨级数控炉已在欧美投入使用。

水冷铜电极有两种类型。 一个是自我旋转。 另一个是旋转磁场，目的是防止电弧烧毁电极。

数控炉有在水冷铜坩埚内熔化原料，在水冷铜模具中铸造铸锭和在水冷铜坩埚内铸造铸锭两种； 另一种是向水冷铜坩埚内连续投入人的原料，使其溶解凝固。

数控法熔炼的优点是：可以省去冲压电极和焊接电极的工序； 可以使电弧在材料中长时间停留，提高铸锭成分的均匀化程度； 可选用不同形状和尺寸的原料，熔炼过程中可加入100%的残渣，实现钛的回收利用。

NC法作为一次溶解在提高残料回收率和降低成本方面具有相当大的优势。 通常数控炉和VAR炉联合使用，充分发挥各自的优势。

3 .冷炉床熔炼法(简称CHM法

由于原料污染和熔炼工艺异常导致的钛和钛舍金铸锭的冶金夹杂缺陷，影响了钛和钛基体在航天领域的应用，为了消除钛合金飞机发动机旋转部件中的冶金夹杂，产生了冷炉床熔炼技术。

CHM法的最大特点是分离溶解、精炼和凝固的过程。 即熔化的炉料进入玲炉床后先熔化，再进入冷炉床精炼区精炼，最后在结晶区凝固成铸锭。 CHM技术的显著优势是能在冷炉缸壁上形成凝固罐，其“粘性区”不仅能捕获例如WC、Mo、Ta等高密度夹杂物( HDI )，而且精炼区低密度夹杂物( LDI )颗粒在高温液体中的停留时间延长也就是说，冷炉床熔炼的精制机理可分为比重分离和熔炼分离两种。

3.1电子束冷炉床熔炼法(简称EBCHM法) (简称电子束熔炼法) EB )是利用高速电子的能量，使材料自身产生热量进行熔炼和精炼的过程。 带冷炉床的EB炉被称为EBCHM。 EBCHM法具有传统溶解法所没有的优良功能：

)有效去除钽、钼、钨、碳化钨等高密度夹杂物( HDI )和氮化钛。 氧化钛等低密度夹杂；

)可以接受多种加料方式，钛残渣容易回收，即使用其他熔炼方法不能使用的废料，也可以生产纯钛锭，大大降低产品成本；

)3)可直接从金属液中采样分析；

)4)可以生产异形锭，减少生产工序，减少原料消耗，提高成品率

EBCHM法还有以下缺点。

)溶解需要在高真空条件下进行，因此不能用不含氯化物比较高的海绵钛直接溶解；

)2)合金元素易挥发，化学成分难以控制。

3.2等离子体CHM溶解法(筒称PCHM法) )。

PCHM法利用惰性气体电离产生的等离子弧作为热源，可以从低真空到接近大气压的大压力范围内溶解。 该方法的显著特点是能够保证不同蒸气压的合金成分，熔炼过程中明显的该方法可提供改善传统台金属性的能力，实现多元化合金的熔炼，是比传统熔炼方法更经济的熔炼方法。 用这种方法熔炼，对钛和钛合金来说，一次熔炼就可以得到理想的铸锭。 现代PCHM法的优点如下

设备投资低，易操作，安全可靠

可使用不同种类和形态的原料，余料回收率高

保证多元化合金的化学成分

实现了高价惰性气体的回收利用，降低了生产成本。

PHM法的缺点是电气效率低。 EBCHM和PCHM在能够去除HDI和LDI这一点上是共通的。 一般来说，溶解纯钛适合使用前者； 后者更适合合金。 与VAR方法相似，这两种方法实现了包括工艺参数(溶解速度、溶解和凝固过程中温度的分布、溶解时成分的变化、不溶性夹杂物的去除程度等)和质量在内的大范围的过程自动化控制。

4 .冷坩埚熔炼法(简称CCM法) ) ) ) )。

80年代美国硅铁公司发展了无渣感应熔炼技术，将CCM法应用于工业生产，用于钛锭和钛精密铸件的生产。 近年来，在一些经济发达国家，CCM法已经开始了人工工业化生产规模，铸锭最大直径为l m，长度为2m，其发展前景备受关注。 基于CCM法的熔炼过程在由互不导电的水冷弧状块或铜管组合而成的金属坩埚中进行。 这种组合的最大优点是各块之间的间隙为强化磁场，磁场的强烈搅拌使化学成分和温度一致，提高了产品质量。 CCM法同时具有VAR法和难溶材料坩埚感应溶解的特点，不需要耐火材料，不制作电极就可以得到一次性溶解成分均匀、无坩埚污染的高质量铸锭。 CCM法与VAR法相比具有设备成本低、操作简单等优点，但目前该技术仍处于发展阶段。

5 .电渣熔炼法(简称ESR法) )。

ESR法是利用电流通过导电电石时带电粒子的相互碰撞，将电能转换为热能。 也就是说，用炉渣电阻产生的热能熔化炉料，进行精炼。 ESR法采用自耗电极在惰性渣( CaF2)中进行电渣熔炼，可以直接熔铸成同形状的铸锭，且具有良好的表面质量，适合下一工序的直接加工。 该方法的优点如下：

)1) ESR炉的完全同轴性保证了最佳质量铸锭的重复性；

)铸锭轴向结晶、组织致密化、均匀化；

)3)极高精度电极称量系统和溶解速度控制系统；

)4)设备简单，操作方便。 缺点是不能通过排路渣污染铸锭。

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