钛合金熔炼浇注技术优化方案

目前工业生产上用的钛铸件熔炼浇注设备有三种：真空自耗电弧凝壳炉、真空非自耗凝壳炉、电子束凝壳炉。其共同特点是都采用“凝壳”坩埚，即使用强制水冷的铜坩埚或石墨坩埚。熔炼时钛在坩埚壁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，从而获得浇注铸件用的“纯净”合金液。最早发展的是自耗电弧凝壳炉它是目前使用最广的钛合金熔铸装置；非自耗凝壳炉与电子束凝壳炉能克服自耗凝壳炉所存在的不足，但由于它们各自存在的至今仍未解决的技术问题，目前还不能取代前者而成为铸钛生产的典型装置。除此外，还可以采用真空感应熔炼、等离子熔炼等方法浇注钛。

1.真空自耗电弧凝壳熔炼浇注法

真空自耗电弧凝壳炉是在自耗电弧炉的基础上发展起来的。20世纪50年代初期美国矿业局阿巴尼试验站在研究普通自耗电极电弧炉熔炼时，意外地发现了深熔池，即若将熔池中熔融金属倾注出来，则剩下了一个凝固的金属壳，这样便发展了凝壳炉。与自耗电弧炉一样，凝壳炉同样采用直流电源，用自耗电极作负极，水冷坩埚作正极，起弧后将钛电极熔化滴入坩埚熔池内；所不同的是水冷铜坩埚可以倾动。当熔炼所形成的熔池足够大时，电极快速提升，随即翻转坩埚，使熔融钛迅速通过浇嘴注入铸型中。根据铸件要求的不同，可以进行重力浇注或离心浇注。

为了形成较大的熔池，保证足够的浇注金属量，壳式炉往往选用较大的电源。熔融金属浇入铸型后，留在坩埚里的凝壳随电极／坩埚直径比及其他熔铸参数的变化，其壁厚一般在10～25mm范围内，重量约为熔化金属的15％～25％。在合金成分相同的情况下，此壳可以重复使用。自耗凝壳炉的坩埚一般为水冷铜坩埚，为了防止电弧击穿坩埚壁而引起爆炸，有的炉子还装备有K-Na共晶合金冷却的铜坩埚，但这套冷却系统比较复杂。另一种是带水冷套的石墨坩埚，比较安全，其缺点是会使钛合金碳含量增加，塑性降低。此外，还有带钨衬套的石墨坩埚。

从结构上说，除常采用的倾动式坩埚外，还有底浇式的。这种坩埚底部有一个浇注孔，熔炼时由水冷铜板堵住，浇注时水冷堵板滑开，凝壳底部由于没有水冷铜板的冷却而被熔穿，熔融金属由此孔流出，直接进入铸型内。这种坩埚的优点是浇注速度快、金属温度高；缺点是浇嘴清理困难，因此目前铸钛一般不采用这种坩埚。另外还有一种旋转坩埚，熔池形成后，坩埚绕轴线快速旋转，在离心力作用下，液体金属通过坩埚口向四周均匀散射，并注入反向旋转的环形金属型内，用这种方法可以浇注致密的环形钛铸件。

自耗电弧凝壳熔炼一般在真空下进行，但熔炼含高蒸气压元素的合金时，最好在惰性气体下进行。当炉膛压力处于20～760Torr（2666.44～101324.72Pa）的范围内时有部分电流的传导由离子化的气体实现；在高真空下，电传导则是通过离子化的金属蒸气或熔炼时放出的其他气体而实现；在中间压力范围内存在两种类型的电流传导。因此，电弧的形式也有所不同，在氩气氛下所形成的电弧是下垂的，电弧在电极的少数几个位置上燃烧；而在真空下，电弧则具有一个宽的燃烧面积，而且基本是稳定的。真空自耗电弧熔炼时，电弧必须尽可能短，在任何情况下都应当比电极与坩埚壁之间的距离短，以便将电弧抑制在熔化区而转移不出来。

为了使电极能经受大电流以及保证铸件成分的均匀性，凝壳炉一般不选用海绵钛压制作电极，而采用重熔过的致密钛棒作电极。凝壳炉的特点是熔池大，这样不但除气效率高，而且合金元素均匀性好，因此，有的国家不仅用它浇注异形钛铸件，还用它制造含高熔点金属元素合金的铸锭，以及浇注适合于轧制型材的扁形、方形与环形铸坯。(www.xing528.com)

2.电子束凝壳熔炼浇注法

电子束凝壳熔炼浇注法的工作原理与电子管相类似。在高真空中，由高熔点金属构成的炽热灯丝阴极在高压下发射出电子束，通过磁透镜使电子束聚焦在炉料上，加热炉料，进行熔炼。电子束可以分散成较大面积的焦点，对熔池进行保温；也可以通过转动磁场，进行移动扫描，控制熔炼过程。相对而言，电子束凝壳炉设备的成本及维护费用较高，但用它能大量利用价格低廉的回炉料，所以还是合算的。有人曾做过计算，说明它浇注出来的钛铸件，成本低于自耗电弧凝壳炉生产的铸件。然而，在浇注复杂合金成分的铸件时，还存在很多有待解决的问题。因此，虽然电子束炉浇注的铸件在某些飞机机种上已开始采用，但这种熔炼浇注钛铸件的工艺，目前还只是正在发展中的一种工艺。

3.真空非自耗电弧凝壳熔炼浇注法

非自耗电弧熔炼法是在惰性气体保护下，在水冷铜结晶器上，采用钨棒或石墨作电极进行电弧熔炼的一种方法。早在1937年，Kroll就用这一方法熔炼出了第一批钛。后来在1949年他又用同样的方法在美国浇注出了第一个钛铸件。近年来，针对自耗电弧熔炼存在的问题，对非自耗电弧熔炼又重新进行了研究，重点是解决非自耗电弧熔炼对铸锭的污染问题。目前在这方面已有了很大进展，发展了两种生产型的非自耗电弧熔炼装置：一种是旋转电弧熔炼法（Durarc法），即采用高压水冷铜电极，在电极头内腔装一电磁线圈，利用磁场作用，使电弧沿电极表面不断旋转，避免电极局部过热，防止电极局部烧蚀，减小铸锭的污染；另一种是旋转电极熔炼法（Schlienger法），这种方法与Durarc法的相同之处是尽量使电弧不要停留在电极的局部位置上；不同之处是采用自身旋转的铜电极，而不是用电磁线圈控制电弧旋转。这两种方法目前仍处于发展阶段，它们的缺点是水冷电极需要消耗大量的热，因此，热效应较低，此外，电极寿命仍是一个问题。由于非自耗熔炼法能过热熔融金属、控制熔炼浇注过程、大量回收废料，所以用于熔炼浇注钛合金是一种适宜的、有发展前途的方法。

其他熔炼浇注法还有真空感应熔炼浇注法、等离子弧熔炼浇注法、等离子电子束熔炼浇注法和增量熔炼浇注法。总的来看，真空自耗电弧凝壳炉是目前钛铸件生产的主要装置，各主要铸钛生产国广泛用它生产钛铸件。但它在控制冶金过程与熔铸参数方面还有不足之处，随着技术的发展，完全有可能被新的装置所取代。