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    優質鈦合金鑄錠熔煉技術發展

    發布日期:2020-08-13  瀏覽次數:313
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      20世紀40年代末,真空自耗電極電弧熔煉(VAR)技術已基本成熟,在熔煉工藝方面,復雜組元的航空級和轉子級鈦合金,一般采用三次VAR工藝,以提高鑄錠的成分均勻性,減少夾雜和偏析等缺陷,并提高批次質量一致性。
      對于含較多β穩定元素 (Mo、Cr、Fe等) 的 Ti-6246,Ti-17、Ti-1023 合金,在最后一次 VAR 熔煉時需降低電流密度,通過控制熔煉和凝固速度,抑制產生嚴重的β穩定元素枝晶偏析。
      目前,發展了一些適用于VAR熔煉的、新的監控手段,如美國ATI公司采用預防側弧和電弧位置傳感技術,操作者可以觀察電弧運動和熔化物輪廓的三維影像。另外,新開發的一些熔煉模擬軟件,能夠對實際熔煉過程進行數值模擬。
      除VAR熔煉方法外,發展了適用于鈦合金鑄錠制備的冷爐床熔煉技術 (CHM),根據熱源的不同分為兩種,即電子束冷爐床熔煉 (EBCHM) 和等離子體冷爐床熔煉 (PACHM)。實踐表明,冷爐床熔煉在消除高密度夾雜物、低密度夾雜物及提高成分均勻性方面顯著優于VAR熔煉,從而實現鈦合金材料“零缺陷” 的純凈化制造,成為高性能、多組元、高純鈦合金生 產必不可少的熔煉技術。
      目前,美國已實現了優質鈦合金鑄錠冷爐床熔煉的工業化生產,而且將冷爐床熔煉方法納入材料標準,如 GE 公司標準“優質 β 鍛 的 Ti-17 鈦合金零件”規定:轉動部件用鈦合金優先采用C級材料,即冷爐床+真空自耗熔煉(HM+VAR);C級可以代替B級(三次真空自耗熔煉);其他標準“優質和標準質量的 α+β 鍛 Ti-6Al-4V 鈦合金零件”、“優質 Ti-6Al-4V 鈦合金葉片”、“優質 α+β 鍛 Ti-6242 鈦合金零件”等,也納入了最高級別的“HM+VAR”材料。
      電子束冷爐床熔煉技術是在密閉的真空爐室內部熔煉鈦合金,近年來取得的技術進步有:改進爐床布局,獲得不同形狀的錠坯(方形扁錠、厚壁空心錠), 提高了生產效率;采用熔煉數字化模擬技術,可以準確模擬熔池的三維形態、液固界面條件、側壁界面條件、鑄錠瞬態凝固階段的溫度預測。美國宇航材料標準組織制定了單次冷爐床生產鈦合金的材料標準,即AMS6945(考慮到 EBCHM 熔煉時高真空度條件下高蒸氣壓Al元素的揮發,需適當增加Al含量),使一次EBCHM熔煉的Ti-6Al-4V板材代替VAR熔煉或 “HM+VAR”的板材產品。
      電子束冷爐床熔煉的另一重要用途是鈦殘料的回收利用。TIMET公司推出了一項稱為“Toll Melting” 的回收業務,可以為客戶提供的鈦屑殘料進行閉環回 收,采用EBCHM熔煉轉化成鑄錠或中間坯料,確保客戶的原材料重新回到自己的產品供應鏈中,實現閉環管理,進一步降低成本。2015年,VSMPO安裝了一臺凝殼弧熔煉爐 (SAR:skull arc melting),實現了高附加值鈦殘料(鈦屑、塊料)的回收利用,獲得巨大的經濟效益。據統計,我國在近十余年內裝備了近10臺電子束冷爐床熔煉爐,分別在寶鈦集團、寶鋼集團、洛陽雙瑞萬基、云南鈦業、青海聚能鈦業、攀枝花云鈦實業、陜西天成航材等企業。
      我國的等離子體冷爐床熔煉爐僅有3臺,分別為中國航發北京航空材料研究院、中國科學院金屬研究所和寶鋼特鋼所擁有。等離子體冷爐床熔煉需要惰性 氣體Ar或He作為熱源介質,He是最佳的等離子體介質,使用He氣獲得的熱效率高,但因我國缺乏He氣資源,He氣高昂的價格導致熔煉成本過高,工業 生產時受到限制。而采用Ar氣獲得的熱效率低,熔體過熱度小,影響熔煉速率,導致等離子體冷爐床熔煉技術在我國發展遲緩。目前,國內航空級和轉子級用鈦合金棒材和鍛件標準(包括國軍標、航標)尚未納入冷爐床熔煉方法, 應充分利用國內航空發動機設計所、工程化應用研究院所、鈦材生產商、鍛件生產商、主機廠等單位的綜合優勢資源,組成聯合工作組,推動冷爐床熔煉技術在航空級優質鈦合金材料制造中的應用。
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