冶金原理及工艺5.5典型合金的熔炼工艺-钛合金教程文件.ppt

§5.5 钛合金熔炼工艺;§5.5 钛合金熔炼工艺;钛是非常活泼的金属, 在液态下和氧、氮、氢及碳的反应相当快。 钛合金的熔炼与其他金属相比有些不同，钛及其合金是一种高化学活性金属，在熔融状态下，几乎与所有的耐火材料发生化学反应，且不能在大气中进行熔炼。 必须在水冷或 Na-K 冷却的铜坩埚中真空或氩气、氮气等惰性气氛中熔炼，因此，要掌握钛合金的熔炼技术难度较大，世界上只有少数国家掌握某些钛合金的熔炼技术。;钛及其合金的熔炼分为两类： 真空自耗熔炼 真空非自耗熔炼 真空自耗熔炼主要包括：真空自耗电极电弧熔炼、电渣熔炼、真空凝壳炉熔炼。 非真空自耗熔炼主要包括：真空非自耗电弧熔炼、 电子束熔炼、等离子束（或等离子弧）熔炼等，后两种又称冷床炉熔炼。 ; 熔炼用坩埚均采用水冷铜坩埚, 具体的熔炼工艺主要有三种方式： 非自耗电极电弧炉熔炼——合金熔炼在真空或惰性气体保护下进行。该工艺主要为自耗电极熔炼制备电极。 真空自耗电极电弧炉熔炼——以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极, 以水冷铜坩埚为阳极。熔化了的电极以液滴形式进入坩埚, 形成熔池。熔池表面被电弧加热, 始终呈液态, 底部和坩埚接触的四周受到强制冷却, 产生自下而上的结晶。熔池内的金属液凝固后成为钛锭。 ;真空自耗电弧凝壳炉; 水冷铜坩埚应用最为广泛，欧美、中国都主要采用这种坩埚。 铜材埚的直径D由炉容量与电极直径d所决定，一般为d/D为0.45~0.75，而坩埚的合理深度H则与电流强度有关，一般铜坩埚的深度直径比H/D约为1.2～1.5。;真空自耗电弧炉熔炼(VAR)工艺一直是钛合金熔炼的主要方法，几十年来得到了迅速的发展与普及。 工作原理是利用自耗电极与熔池间的电弧放电所产生的高温不断将自耗电极熔化，在坩埚内便可得到经提纯后的金属钛锭。 其特点在于能将熔炼和铸造结合在一起，金属不与空气及耐火材料发生作用，并有独特的结晶条件，能有力排除金属中的杂质，如非金属夹杂和溶于金属中的气体等，使被熔金属得到很好的提纯。 VAR法在熔炼之前都要进行电极材料的制备，电极材料经过电弧熔化后都进入了铸锭(或作为下一次熔炼的电极)，因此对电极材料的制备要进行严格控制，否则容易引进夹杂物。 ;钛合金熔炼容易引入的夹杂物主要有二类： 一类为低密度夹杂（硬α夹杂物）； 另一类为高密度夹杂。 在任何存在氧化反应的地方，都是硬α夹杂物这种缺陷产生的潜在原因，包括燃烧、炉子漏气、焊接时保护不好、外来杂质、低级残料及未混合均匀的TiO2添加剂等。;而已发现的高密度夹杂有两种类型： 难熔金属(W，Mo，Ta和Nb)； 其金属化合物(WC，TiW)等。 难熔金属夹杂主要由于配料选择不当或意外造成的 ；TiW主要来源于所采用的氩弧焊接钨电极；WC主要来源于车削时使用的刀具。 这些材料相对熔点和密度较高，难以熔化，并沉积在熔池底部。 为了降低夹杂物出现的可能性，熔炼过程中必须对熔炼速度有很好的控制，因为熔炼速度与这些夹杂物有密切的关系。;熔炼时熔液如果没有在高温下保留长的时间，高熔点的硬α夹杂物难以充分熔化掉，但过高的过热度和长的熔体保持时间又易引起钛合金成分的偏析，如产生β斑缺陷等；因此，在实践中探索最适合的熔炼速度工艺对提高钛合金质量是至为关键的。 对于通用的钛合金铸锭，一般采用2次VAR工艺；对于航空发动机转动零部件用钛合金，为了提高钛合金铸锭成分的均匀性和尽可能地消除偏析等，一般采用3次VAR工艺。 ;*;*;*;*;*;*;*;卧式真空自耗凝壳炉;*;*;钛合金真空自耗电弧凝壳熔炼浇注工艺;棒料：大铸锭可锻造成园棒，经加工去除氧化皮至规定尺寸，用作凝壳炉母合金电极使用。加工棒料表面光洁，熔炼中不易引发侧弧。铸锭经锻造变形后，合金成分希望得到均匀化。从成本计算，锻棒电极的整体成本低于小型铸锭的成本。因此，在钛铸件大批量生产中，全部使用扒皮钛合金棒料。 回炉料：利用钛铸件废品和浇冒口等回炉料，是降低铸件生产成本重要途径。;用处理干净的回炉料制造的母合金电极有两种： 一种方法是将切成小块的回炉料，经吹砂、酸洗后，装填入人造石墨的锭模中，在凝壳熔炼炉中浇入部分钛液(～30％重量)，镶合成符合电极尺寸的棒料，它的密度虽然只有致密金属的70％—80％，但已具有足够的强度与导电率，完全符合自耗电极的使用要求； 另一种方法是将回炉料逐块焊接成一根棒料，这样的自耗电极，表面不规则，在熔炼过程中，容易出现爬弧、侧弧，因此应尽量控制较短的电弧，保持较低的熔炼电压，避免因侧弧引发击穿坩埚的危险。 钛合金铸造产生的废料，一般占母合金投入的70％-80％。废料一般由以下部分组成：铸件浇冒口系统(75％-80％)；报废铸件浇口杯制壳、