鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、高溫性能好、無磁性、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，是新興的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，應(yīng)用越來越廣泛。TC4（Ti-6Al-4V）合金是由美國的Illinois技術(shù)研究所于20世紀(jì)50年代初開發(fā)出來的α＋β型兩相合金，是最早生產(chǎn)的鈦合金之一，也是目前應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的α＋β兩相合金［1］。其具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強(qiáng)度及良好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、造船、汽車、模具、醫(yī)藥等部門得到成功應(yīng)用。然而，由于鈦具有化學(xué)活性強(qiáng)、熔點(diǎn)高以及間隙雜質(zhì)含量對(duì)其性能影響極為敏感等特點(diǎn)［2］，使得工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)TC4鈦合金鑄錠的化學(xué)成分、成分均勻性控制以及冶金質(zhì)量控制等提出了很高的要求，從而凸顯了TC4鈦合金熔煉工藝的重要性。

1、熔煉工藝

目前國際上常用的鈦及鈦合金熔煉工藝有真空自耗電弧爐熔煉法（VAR）和電子束冷床爐熔煉法（EBCHM）。

1.1　真空自耗電弧爐熔煉法（VAR）

真空自耗電弧爐熔煉法即為采用真空自耗電弧爐熔煉的方法。圖1為VAR爐的結(jié)構(gòu)和熔煉過程示意圖。VAR應(yīng)用直流電源在電極和放于水冷套中的銅模底板之間產(chǎn)生電?。ㄆ鸹。?。電弧產(chǎn)生的高熱熔化了電極，而坩堝因?yàn)橛兴鋮s未被熔化。隨著電極的熔化，熔融的金屬從電極上落入到坩堝底部，從坩堝底部開始形成鑄錠。隨著電弧下的熔池從坩堝底部的不斷提升，熔化金屬也不斷凝固形成鑄錠，就像填滿一個(gè)玻璃杯一樣。在VAR熔煉中，鈦電極被消耗掉。當(dāng)整個(gè)鈦電極消耗掉后，經(jīng)過冷卻，就在坩堝中形成了一個(gè)鑄錠。其過程的實(shí)質(zhì)是借助于直流電弧的熱能，把已知化學(xué)成分的鈦及鈦合金的自耗電極在低壓或惰性氣氛中進(jìn)行重新熔煉［３］。

VAR法是鈦及鈦合金的主要熔煉方法之一。在真空下重熔自耗電極的主要好處在于：

1）對(duì)于易揮發(fā)雜質(zhì)和某些氣體（如氫氣、氮?dú)猓┑娜コ辛己玫男Ч?/p>

2）利用高蒸氣壓減少不需要的微量元素；

３）提高氧化物清潔度；

４）實(shí)現(xiàn)了鑄錠從底部到頂部的定向凝固，順序凝固的熔鑄方式有利于不溶雜質(zhì)的上浮，因此避免了宏觀偏析并減少了微觀偏析；

5）多次重熔后鑄錠的一致性和均勻性較好；

6）工藝自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單。

真空自耗電弧熔煉法作為生產(chǎn)鈦錠的主要方法，其工藝技術(shù)已較為完善，近年來的工藝技術(shù)主要朝著鑄錠尺寸大型化、工藝自動(dòng)化、生產(chǎn)高效化發(fā)展。

1.2　電子束冷床爐熔煉法（EBCHM）

EBCHM工藝是在20世紀(jì)50年代為了精煉高熔點(diǎn)合金如鈮、鉭和鉬等而發(fā)展起來的一種工藝［３］。電子束冷床爐熔煉的工作原理是以電子束作為熱源，水冷銅坩堝為冷床，利用高速電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能使金屬熔化、精煉、澆鑄成錠，如圖2所示。電子束冷床爐的結(jié)構(gòu)如圖３所示。

通常電子束冷床爐有熔化區(qū)、精煉區(qū)和結(jié)晶區(qū)３個(gè)工作區(qū)。爐料通過進(jìn)料斗進(jìn)入到熔化區(qū)，進(jìn)料斗可以獨(dú)立于爐室真空系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)裝料和抽真空。在熔化區(qū)，聚焦后的高能電子束轟擊爐料的表面，爐料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，流向精煉區(qū)；在精煉區(qū)，液態(tài)金屬進(jìn)行精煉，通過揮發(fā)、溶解上浮、沉淀等機(jī)制去除雜質(zhì)和夾雜，并充分實(shí)現(xiàn)合金化；然后通過溢流嘴緩緩注入結(jié)晶器，形成鑄錠。爐床的溢流嘴以及錠模的金屬表面區(qū)域仍有電子束加熱。如果移除溢流嘴處的電子束，溢流的金屬將會(huì)凝固，因此溢流嘴也可用作閥門使用。現(xiàn)代EBCHM爐床可以有兩個(gè)或多個(gè)溢流嘴，每個(gè)溢流嘴下方都有一個(gè)錠模。當(dāng)一個(gè)錠模充滿金屬后，電子束可以移動(dòng)到第二個(gè)溢流嘴處熔化金屬，開始填充第二個(gè)錠模。在第二個(gè)錠模填充金屬的過程中，第一個(gè)錠模可以通過閉鎖閥實(shí)現(xiàn)分離。通常爐床上裝有一個(gè)攔截壩，可以預(yù)先決定金屬液的流向，攔截壩阻止高密度夾雜（ＨＤＩｓ）進(jìn)入錠模。ＨＤＩｓ沉到爐床底部，并且必須定時(shí)清除。

與VAR工藝相比，EBCHM工藝有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1）可以采用多種形式的原材料，無需制備電極，縮短了原料準(zhǔn)備時(shí)間；

2）能夠大量使用經(jīng)濟(jì)的原材料，如含有碳化鎢雜質(zhì)的切削料，殘料添加比例可達(dá)100％；

３）在熔煉過程中可實(shí)現(xiàn)有規(guī)律地粘取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，保證生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄錠；

４）通過控制功率密度，控制鈦熔體在爐床中的停留時(shí)間，保證合金元素充分均勻化，避免偏析，且熔煉過程靈活，可根據(jù)需要而停止或重啟；5）可以生產(chǎn)扁錠或空心錠，減少板材與管材生產(chǎn)時(shí)的后續(xù)加工，減少金屬加工的損耗。采用矩形截面的錠坯用于鈦合金板材生產(chǎn)能夠顯著提高金屬收得率；

6）通過進(jìn)料口和溢流嘴的控制，可以實(shí)現(xiàn)一次成錠，一爐多錠，降低熔煉費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率。

EBCHM技術(shù)是在減少夾雜，提高鈦鑄錠質(zhì)量和降低鈦材成本的雙重要求下應(yīng)運(yùn)而生的，從20世紀(jì)80年代開始引起各國的高度關(guān)注，近年來的技術(shù)主要朝著海綿鈦坨直接熔煉鈦錠、利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和工藝控制生產(chǎn)高質(zhì)量的鈦合金鑄錠和單次熔煉技術(shù)等方向發(fā)展。

2、TC4合金熔煉工藝的對(duì)比分析

鑄錠的質(zhì)量對(duì)其后續(xù)加工材的組織和性能起著決定性影響。鑄錠質(zhì)量的優(yōu)劣主要從以下幾個(gè)方面衡量：鑄錠的不同部位化學(xué)成分是否均勻一致；主要雜質(zhì)是否控制在適當(dāng)?shù)姆秶昏T錠內(nèi)部有無夾雜、偏析、氣孔、裂紋、鎖孔和疏松等缺陷；鑄錠表面是否光滑，頭部縮孔切除量大小。從幾個(gè)方面針對(duì)不同熔煉工藝生產(chǎn)的鑄錠質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1　鑄錠表面質(zhì)量

圖４分別為VAR法和EBCHM法熔煉TC4圓錠的宏觀照片。由圖４可以看出，VAR法生產(chǎn)的鑄錠在鑄錠表面的夾雜物和皮下氣孔量較大，在鍛造前必須對(duì)鑄錠進(jìn)行扒皮處理，且扒皮量較大，而EBCHM法生產(chǎn)的鑄錠表面質(zhì)量高，僅需較小的扒皮量就可以進(jìn)行鍛造和軋制。

2.2　化學(xué)成分分析

試驗(yàn)均采用相同的海綿鈦及中間合金稱料、混料，壓制成φ560ｍｍ的半圓柱體，重量為67ｋｇ。VAR法經(jīng)二次熔煉得到φ760ｍｍTC4鑄錠，EBCHM法經(jīng)單次熔煉得到同樣規(guī)格的鑄錠。TC4鑄錠化學(xué)成分見表1。

根據(jù)《GB26060－2010鈦及鈦合金鑄錠》中的要求，在去除鑄錠表面5～7ｍｍ后，在鑄錠距兩端200～３00ｍｍ的側(cè)面頭尾兩點(diǎn)取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，如 表2所示。

由表2可以看出，在原料配比相同的情況下，利用EBCHM法生產(chǎn)TC4鑄錠時(shí)，Al元素?fù)]發(fā)量較大，導(dǎo)致含量偏低，不符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，而VAR生產(chǎn)的鑄錠元素含量都符合國標(biāo)要求，在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。

為了更好的利用EBCHM法的其它優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)EBCHM生產(chǎn)時(shí)Al元素?fù)]發(fā)量較大的情況，我國不同機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)。其中某一廠家在配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5％的Al元素和4.06％的Ｖ元素后，在熔煉速率為800kg/h的條件下得到TC4鑄錠。經(jīng)冷卻和車光表面后，在鑄錠多個(gè)徑向和軸向面多點(diǎn)取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，得到各元素分布數(shù)據(jù)表３所示。

由表３可知，此次試驗(yàn)得到的TC4合金鑄錠Ｏ、Ｎ、Al、Ｖ元素含量都符合國標(biāo)要求，在國標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)，Al元素徑向和軸向的含量均沒有明顯波動(dòng)。Al元素的含量徑向沒有明顯變化，比較均勻，而軸線有所下降，最終逐漸平穩(wěn)［４］。

2.３　去除夾雜效果分析

鈦及鈦合金常見的夾雜有低密度夾雜（LDIs）和高密度夾雜（ＨＤＩｓ）。由間隙元素Ｎ、Ｏ、Ｃ污染造成的LDIs來自海綿鈦、添加的殘料和合金配料、電極制備（主要是焊接）和不良的熔煉操作，其中TIN的危害最大［5］。ＨＤＩｓ是由Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ等高熔點(diǎn)金屬及其化合物混入引起的。

為了驗(yàn)證兩種熔煉工藝去除夾雜的效果，試驗(yàn)采用經(jīng)VAR一次熔煉的φ220ｍｍTC4合金錠。在鑄錠上以一定間隔鉆孔，依次放入不同尺寸的氮化海綿鈦顆粒和ＹＧ8車刀刀頭顆粒（其中WC占９2％）各10粒，然后經(jīng)VAR二次熔煉和EBCHM熔煉得到相同規(guī)格的TC4鑄錠。為檢測(cè)TIN和WC的去除情況，在鑄錠中部50ｍｍ長(zhǎng)的范圍內(nèi)每5ｍｍ切一片作檢測(cè)試樣，另一部分送去開坯鍛造，充分破碎了鑄態(tài)組織后用Ｘ射線檢測(cè)。結(jié)果表明，利用EBCHM法得到無論是鑄錠還是開坯鍛造后的棒材，在光學(xué)顯微鏡下及Ｘ射線探傷儀上均檢測(cè)不到任何夾雜，而利用VAR法二次熔煉后得到的鑄錠，無論是在什么情況下，都還能看到明顯的TIN和WC顆粒。

2.４　鑄錠性能

將EBCHM法一次熔煉成功的TC4鈦合金扁錠和VAR法得到的鑄錠鍛造后得到的板坯分別經(jīng)表面處理后在熱軋機(jī)上進(jìn)行開坯軋制，開坯后經(jīng)交叉軋制進(jìn)行多火次軋制，最終獲得8ｍｍ厚度的板材。板材經(jīng)表面酸洗、真空退火處理后加工成板材拉伸試樣，在ＩＮＳＴＴＯＮ5885電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表４所示。

3、結(jié)論

通過對(duì)VAR法和EBCHM法生產(chǎn)TC4鈦合金鑄錠的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）EBCHM法得到的鑄錠表面質(zhì)量?jī)?yōu)于VAR法；

（2）相同原料配入的情況下，VAR法可以得到化學(xué)成分達(dá)標(biāo)的鑄錠，而EBCHM法由于高的真空度造成Al元素?fù)]發(fā)嚴(yán)重，鑄錠化學(xué)成分不達(dá)標(biāo)，但通過研究Al元素的揮發(fā)機(jī)制，改變Al元素的配入比例，也可得到化學(xué)成分達(dá)標(biāo)的鑄錠；

（３）采用EBCHM法生產(chǎn)時(shí)，去除高密度夾雜和低密度夾雜的效果良好，而VAR法去除兩者的能力有限；

（４）針對(duì)不同生產(chǎn)產(chǎn)品，采用兩種熔煉工藝得到的鑄錠都能滿足后續(xù)生產(chǎn)的要求。

參考文獻(xiàn)

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［４］李育賢，楊麗春，３150ＫＷＢＢＭＯ－01型大功率電子束冷床爐熔煉TC4合金［Ｊ］.有色金屬（冶煉部分），2017（３）：

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