随着科学技术的发展以及人民生活水(shui)平的提高，钛在工業生產、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和性能的要求越来越高，而钛合金原料的 熔炼无疑是最重要最关键(jian)的一环，其熔炼的优劣(lie)直接影响到后续(xu)加工的成品的性能指标是否达到产品要求，从而推动了钛合金现代熔炼技术的发展，其中包括电子束、等离(li)子冷床炉等新技术的发展，为提高钛合金铸锭的冶金质量和力学性能创造了良(liang)好的条(tiao)件和基础(chu)。

　　1、鈦合金熔煉方法

　　1.1 真(zhen)空自耗电弧炉熔炼法(简称VAR法)

　　随着真(zhen)空技术的发展和计算(suan)机的应用，VAR法很(hen)快成为钛的成熟的工业生产技术，今天的钛及其合金铸锭绝(jue)大部分(fen)是使用此方法生产的。VAR法显着特(te)点是功率消耗低、熔化速度高和良(liang) 好的质量重现性，VAR法熔炼的铸锭具有良(liang)好的结晶(jing)组织和均匀的化学成分(fen)。通常， 成品铸锭应由(you)VAR法熔炼制得. 至少(shao)要经过两(liang)次重熔。

　　用VAR法生产钛铸锭，世界(jie)各(ge)国生产厂家使用的工艺基本相似，差别在于使用不同的电极制备方式和设备.电极制备可分(fen)为三大类，一是采用按(an)份加料连续(xu)压制的整体(ti)电极，排除了电 极焊接工序：二是单块(kuai)电极压制，拼焊成自耗电极。并通过等离(li)子氩弧焊或真(zhen)空焊焊接成一体(ti);三是利用其它熔炼法制备铸造电极。

　　现代先进的VAR炉的技术特(te)点和优势：

　　(1)全同轴功率输(shu)入，也就是说整个炉体(ti)高度上的完全同轴性，称 同轴供电’，减(jian)少(shao)偏析现象的产生;

　　(2)坩埚内电校可在X 轴向/Y轴向上微调;

　　(3)具有精确的电极称重系统，熔炼速率得到自动控(kong)制，实现了恒速熔炼’。保证了熔炼质量;

　　(4)保证每次熔炼的重复性和一致性;

　　(5)灵活性，即一台炉子能够生产多种锭型以及铸锭的 大型化，可大幅度提高生产率;

　　(6)具有良(liang)好的经济(ji)性。

　　“同轴供电”方式可以避(bi)免(mian)因坩埚供给电流不平衡所造成的磁(ci)偏漏.减(jian)弱(ruo)或消除感应磁(ci)场对熔炼产品的不利影响.并且提高了电效率，从而获(huo)得质量稳定的铸锭。

　　“恒速熔炼”的目的是为了提高铸锭质量，通过先进的电控(kong)系统和重量传感器来确保熔炼过程中电弧的长度和熔化速率的恒定，从而控(kong)制了凝同过程。可以有效的防止偏析现象，保障 了铸锭的内在质量。

　　现代钛熔炼用VAR炉除具有以上两(liang)大特(te)点外(wai)，还实现了VAR炉的大型化，现代VAR炉可熔炼直径(jing)为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.还有以下技术需(xu) 要解决.第一，电极制备方法.制备电极工艺非常繁琐.需(xu)要用昂贵的压力机将海綿鈦、中间合金和返(fan)回残料压制成整体(ti)电极或单块(kuai)小电扳(ban).单块(kuai)电极还需(xu)要焊接成自耗电极.同时为了保 证自耗电极成分(fen)的均匀性，还需(xu)要配(pei)置(zhi)布料、称料、混(hun)料等相应的设施(shi)。第二，偶尔存在的偏析等冶金缺陷.如成分(fen)偏析和凝固偏析。前者是由(you)于杂质元素(su)或合金元素(su)在电极中分(fen)布不均匀 .熔炼时来不及平衡分(fen)布就凝固所产生;后者是由(you)于原料或工艺过程偶尔带入了 高密度夹杂物(wu)(HDI) 和低密度夹杂物(wu)(LDI)，这些夹杂物(wu)质在熔炼过程中无法彻底(di)溶解，从而导致产生危 害极大的夹杂等冶金缺陷。

　　1.2 非自耗真(zhen)空电弧炉熔炼法(简祢NC法) 目前，水(shui)冷铜(tong)电极已经取(qu)代了钛工业起步阶段的钨一钍台金电投或石墨电扳(ban)，解决了工业污染问(wen)题，从而使NC法成为熔炼钛及钛台金的 重要方法，几吨级的NC炉已在欧美运转(zhuan)。 水(shui)冷铜(tong)电极分(fen)为两(liang)种类型：一种是自旋转(zhuan)的;另一种是旋转(zhuan)磁(ci)场的，其目的在于防止电弧对电极的烧损(sun)。NC炉也可分(fen)为两(liang)种：一种是在水(shui)冷铜(tong)坩 埚内熔炼原料，在水(shui)冷铜(tong)模(mo)中浇(jiao)铸成铸锭;另一种是在水(shui)冷铜(tong)坩埚内连续(xu)投人原料，熔炼和凝固。

　　NC法熔炼的优点是：

　　①可以省去压制电极和焊接电极工序;

　　②可以使电弧在物(wu)料上停留较长时间，从而提高铸锭成分(fen)均匀化程度;

　　③可以使用不同形状和尺(chi)寸的原料，在熔炼过程 中 还可以加入100%残料，实现钛的再(zai)循环利用。NC法作为一次熔炼，从提高残料回收率和降低成本来看是相当有利的。通常，NC炉和VAR 炉联台使用，以充(chong)分(fen)发挥各(ge)自的优势。

　　1.3 冷炉床熔炼法(简称CHM法)

　　由(you)原料的污染和熔炼工艺过程异常引(yin)起的钛及钛舍金铸锭的冶金夹杂缺陷，一直影 响着钛及钛台金在航空航天领域的应用.为了消除钛合金飞机发动机旋转(zhuan)部件中的冶金 夹杂，冷炉 床熔炼技术应运而生。CHM法最大的特(te)点是将熔化，精炼和凝固过程的分(fen)离(li)，即熔化的炉料进入玲炉床后先进行熔化，然后进入冷炉床的精炼区进行精炼，最后在结晶(jing)区凝固成锭。

　　CHM 技术显着的优势是在冷炉床床壁能形成凝壳(ke)，它的“粘滞区”能够捕捉如WC，Mo，Ta等高密度夹杂物(wu)(HDI)，同时，在精炼区，低密度夹杂(LDI)颗粒在高温液体(ti)中滞留时间延长， 可以确保LDI的完全溶解，从而有效地清(qing)除夹杂缺陷。也就是说.冷炉床熔炼的提纯(chun)机理可分(fen)为比(bi)重分(fen)离(li)和熔解分(fen)离(li)两(liang)种。

　　1.3.1电子束冷炉床熔炼法(简称EBCHM法) 电子束熔炼(简称EB)，是利用高速电子的能量，使材料本身(shen)产生热量来进行熔炼和精炼的工艺过程。带有冷炉床的EB炉，就称为EBCHM。 EBCHM法具有传统熔炼法不具备的优异功能：

　　(1)有效地去除钽,钼,钨,碳化钨等高密度夹杂(HDI)和氮化钛。氧(yang)化钛等低密度夹杂(LDI);

　　(2)可以接受(shou)多种加料方式，钛残料回收较为容易，即可以使用其它熔炼法无法使用的废料，仍(reng)能制得纯(chun)净的鈦錠，大幅度降低产品的成本;

　　(3)可直接由(you)金属液中取(qu)样分(fen)析化验;

　　(4)可生产异型锭坯(peng)，减(jian)少(shao)生产工序，降低原料消耗，提高成品率;EBCHM法还存在以下缺点：

　　(1)熔炼需(xu)要在高真(zhen)空条(tiao)件下进行，因此不能使用含氯(lv)化物(wu)较高的海绵钛直接熔炼;

　　(2)合金元素(su)易挥发，难以控(kong)制化学成分(fen)。

　　1.3.2 等离(li)子冷妒床熔炼法(筒称PCHM法)

　　PCHM法利用惰(duo)性气体(ti)电离(li)产生的等离(li)子弧作为热源，可在从低真(zhen)空到近大气压很(hen)宽的压力范围(wei)完成熔炼。该方法显着特(te)点是可保证不同蒸气压的合金组分(fen)，在熔炼过程中无明显的烧损(sun) ，同样可消除HDI和LDI冶金缺陷。

　　该方法具有提供改进传统台金属性的能力，可实现多元化合金的熔炼，是一种较传统熔炼方法经济(ji)的熔炼法。

　　采用该方法熔炼，对于钛及钛合金来说，一次熔炼就可以得到理想的铸锭。

　　现代PCHM 法优势在于：

　　①设备投资低，易操作，安全可靠;

　　②可以使用不同种类和形态(tai)的原料，残料回收率高;

　　③保证多元化合金的化学成分(fen);

　　④ 实现了价(jia)格(ge)昂贵的惰(duo)性气体(ti)回收再(zai) 利用，降低了生产成本。PCHM法缺点为电效率较低。

　　EBCHM和PCHM相同之处在于都能够消除HDI和LDI。一般(ban)熔炼纯(chun)钛使用前者较为适宜;而对于合金来说，后者更合适。

　　同VAR法一样，以上两(liang)种方法电实现了大范围(wei)的工艺自动化控(kong)制，包括工艺参数(shu)(熔炼速度、熔炼与凝固过程中温度的分(fen)布、熔炼时成分(fen)的变(bian)化、不溶性夹杂的去除程度等)及质量。

　　1.4 冷埚熔炼法(简称CCM法)

　　8O年代美国硅铁公司，发展了无渣感应熔炼工艺，把CCM 法推向工业生产应用，用于生产钛锭和钛的精密铸件.近年来在一些经济(ji)发达国家，CCM法已经开(kai)始步人工业化生产规(gui)模(mo)，铸 锭最大直径(jing)为l m，长度2m，其发展前景令人瞩目。

　　CCM 法熔炼过程是在一个彼此不导电的水(shui)冷弧形块(kuai)或铜(tong)管组合的金属坩埚里进行，这种组合的最大优点在于，每两(liang)个块(kuai)间的间隙都是一个增(zeng)强磁(ci)场，磁(ci)场产生的强烈搅拌(ban)使化学成分(fen)和 温度一致，从而提高了产品质量。

　　CCM 法兼有VAR 法和难熔材料坩埚感应熔炼的特(te)点，不需(xu)耐火材料，不必(bi)制作电极即可 获(huo)得一次熔炼成分(fen)均匀而无坩埚污染的高质量铸锭。

　　CCM 法与VAR 法相比(bi)具有设备成本低，操作简便等优点，但(dan)从目前来看该技术仍(reng)处于发展阶段。

　　1.5 电渣熔炼法(简称ESR法)

　　ESR法是利用电流通过导电电渣时带电粒子的相互碰撞，而将电能转(zhuan)化为热能的。即以熔渣电阻产生的热能将炉料熔化和精炼。ESR法使用自耗电极在非活性渣(CaF2)中进行电渣熔炼， 它可直接熔铸成同形状的锭坯(peng)，并且具有良(liang)好的表面质量，适宜于下道工序直接加工。该法的优点在于：

　　(1)ESR炉完全同轴性保证了最佳(jia)质量铸锭的可重复性;

　　(2)铸锭轴向结晶(jing)，组织致 密、均匀;

　　(3)具有极高精度的电极称重系统和熔炼速率控(kong)制系统;

　　(4)设备简单，操作方便。缺点在于不能排路熔渣对铸锭的污染。

　　2、不同熔煉方法的分(fen)析

　　熔铸钛锭质量对其后续(xu)的冷，热加工材的组织和性能起着决定性的影响。钛及钛合金铸锭质量优劣(lie)主要从以下几个方面衡量：

　　① 铸锭的不同部位化学成分(fen)是否均匀一致;

　　②主要杂质 (Fe、O等)是否控(kong)制在适当的范围(wei);

　　③铸锭内部有无夹杂、偏析、气孔、裂纹，缩孔和疏(shu)橙等缺陷;

　　④ 铸锭表面是否光滑，无玲隔，头部缩孔切除量大小。

　　当今的航空航天技术对钛及钛合金铸锭提出了更为严格(ge)的质量要求。除严格(ge)控(kong)制生产工艺过程质量外(wai)，还应采用多次熔炼，其中至少(shao)有一次熔炼过程是在真(zhen)空中进行的，以获(huo)得优质铸锭。这就要求必(bi)须综合利用每一种熔炼方法的特(te)性，实现钛及钛合金的物(wu)理冶金过程，从而获(huo)得性能优异的，连续(xu)重现的高质量钛及钛合金铸锭。

　　3、展望

　　从经济(ji)的观点出发，VAR法作为主要的生产方法将继续(xu)为航空领域和非航空领域提供高质量钛材，仍(reng)将是钛及钛合金熔炼的理想方法。但(dan)还需(xu)解决电极制备和铸锭清(qing)洁问(wen)题，NC法主要 适用于返(fan)回炉料的回收熔炼，EBCHM和PCHM法以其特(te)有的优势可为航空航天等领域提供质量要求更高的钛及钛合金铸锭。在不久的将来必(bi)将会成为钛标准熔炼工艺的一个重要组成部分(fen)，CCM 法和ESR法仍(reng)需(xu)进一步改进和完善(shan)也有可能进入工业化规(gui)模(mo)生产。