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优质钛合金铸锭熔炼技术发展

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优质钛合金铸锭熔炼技术发展

发布日期:2020年09月07日 作者:佚名 点击:

 20世纪40年代末,真空自耗电极电弧熔炼(VAR)技术已基本成熟,在熔炼工艺方面,复杂组元的航空级和转子级钛合金,一般采用三次VAR工艺,以提高铸锭的成分均匀性,减少夹杂和偏析等缺陷,并提高批次质量一致性。

  对于含较多β稳定元素 (Mo、Cr、Fe等) 的 Ti-6246,Ti-17、Ti-1023 合金,在最后一次 VAR 熔炼时需降低电流密度,通过控制熔炼和凝固速度,抑制产生严重的β稳定元素枝晶偏析。

  目前,发展了一些适用于VAR熔炼的、新的监控手段,如美国ATI公司采用预防侧弧和电弧位置传感技术,操作者可以观察电弧运动和熔化物轮廓的三维影像。另外,新开发的一些熔炼模拟软件,能够对实际熔炼过程进行数值模拟。

  除VAR熔炼方法外,发展了适用于钛合金铸锭制备的冷炉床熔炼技术 (CHM),根据热源的不同分为两种,即电子束冷炉床熔炼 (EBCHM) 和等离子体冷炉床熔炼 (PACHM)。实践表明,冷炉床熔炼在消除高密度夹杂物、低密度夹杂物及提高成分均匀性方面显著优于VAR熔炼,从而实现钛合金材料“零缺陷” 的纯净化制造,成为高性能、多组元、高纯钛合金生 产必不可少的熔炼技术。

  目前,美国已实现了优质钛合金铸锭冷炉床熔炼的工业化生产,而且将冷炉床熔炼方法纳入材料标准,如 GE 公司标准“优质 β 锻 的 Ti-17 钛合金零件”规定:转动部件用钛合金优先采用C级材料,即冷炉床+真空自耗熔炼(HM+VAR);C级可以代替B级(三次真空自耗熔炼);其他标准“优质和标准质量的 α+β 锻 Ti-6Al-4V 钛合金零件”、“优质 Ti-6Al-4V 钛合金叶片”、“优质 α+β 锻 Ti-6242 钛合金零件”等,也纳入了最高级别的“HM+VAR”材料。

  电子束冷炉床熔炼技术是在密闭的真空炉室内部熔炼钛合金,近年来取得的技术进步有:改进炉床布局,获得不同形状的锭坯(方形扁锭、厚壁空心锭), 提高了生产效率;采用熔炼数字化模拟技术,可以准确模拟熔池的三维形态、液固界面条件、侧壁界面条件、铸锭瞬态凝固阶段的温度预测。美国宇航材料标准组织制定了单次冷炉床生产钛合金的材料标准,即AMS6945(考虑到 EBCHM 熔炼时高真空度条件下高蒸气压Al元素的挥发,需适当增加Al含量),使一次EBCHM熔炼的Ti-6Al-4V板材代替VAR熔炼或 “HM+VAR”的板材产品。

  电子束冷炉床熔炼的另一重要用途是钛残料的回收利用。TIMET公司推出了一项称为“Toll Melting” 的回收业务,可以为客户提供的钛屑残料进行闭环回 收,采用EBCHM熔炼转化成铸锭或中间坯料,确保客户的原材料重新回到自己的产品供应链中,实现闭环管理,进一步降低成本。2015年,VSMPO安装了一台凝壳弧熔炼炉 (SAR:skull arc melting),实现了高附加值钛残料(钛屑、块料)的回收利用,获得巨大的经济效益。据统计,我国在近十余年内装备了近10台电子束冷炉床熔炼炉,分别在宝钛集团、宝钢集团、洛阳双瑞万基、云南钛业、青海聚能钛业、攀枝花云钛实业、陕西天成航材等企业。

  我国的等离子体冷炉床熔炼炉仅有3台,分别为中国航发北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所和宝钢特钢所拥有。等离子体冷炉床熔炼需要惰性 气体Ar或He作为热源介质,He是最佳的等离子体介质,使用He气获得的热效率高,但因我国缺乏He气资源,He气高昂的价格导致熔炼成本过高,工业 生产时受到限制。而采用Ar气获得的热效率低,熔体过热度小,影响熔炼速率,导致等离子体冷炉床熔炼技术在我国发展迟缓。目前,国内航空级和转子级用钛合金棒材和锻件标准(包括国军标、航标)尚未纳入冷炉床熔炼方法, 应充分利用国内航空发动机设计所、工程化应用研究院所、钛材生产商、锻件生产商、主机厂等单位的综合优势资源,组成联合工作组,推动冷炉床熔炼技术在航空级优质钛合金材料制造中的应用。

  

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