等離子冷床爐熔煉高密度夾雜物去除研究

　　冷床爐是一種先進的鈦合金熔煉技術(shù)，經(jīng)一次熔煉可生產(chǎn)出無夾雜、無偏析、低成本的優(yōu)質(zhì)鈦合金鑄錠。本文簡要介紹了等離子冷床爐熔煉的工藝特點，開展了高密度夾雜去除研究的相關試驗，在TC11 合金原料中加入了高密度夾雜物，并進行了單次等離子冷床爐熔煉，檢驗了鑄錠和凝殼中殘留的夾雜物，通過分析、計算，闡述了熔煉速度、熔體滯留時間及夾雜物沉降時間對去除夾雜物的影響，研究了等離子冷床爐對高密度夾雜物的去除效果。

一、前言

　　高密度夾雜（High Density Inclusions,HDI）是鈦合金中的一種重要的冶金缺陷，包括金屬W、Mo、Nb、Ta，這是由于高熔點金屬混入引起的。另外，鈦材在機械加工時，硬質(zhì)合金刀具崩塊（主要成分為WC）也容易進入鈦屑或回收殘鈦料中。HDI 熔點很高，即使經(jīng)過兩次或三次真空自耗電弧熔煉（Vacuum Arc Remelting, VAR）也很難得到熔化和溶解。

　　Rudinger的研究結(jié)果表明，尺寸為0.6mm 的WC顆粒，兩次VAR 可溶解掉約90%，三次VAR可全部消除，但0.8mm 或者更大尺寸的WC 顆粒經(jīng)過三次VAR 也無法充分溶解。一種被稱作迄今為止最先進的鈦合金熔煉技術(shù)——冷床爐熔煉(Cold hearth melting, CHM)技術(shù)的出現(xiàn)，為這些問題提供了有效的解決途徑。研究表明，兩種冷床爐工藝——電子束和等離子冷床爐熔煉技術(shù)在去除鈦合金中的硬α夾雜物和HDI 的效果非常顯著。美國GE 公司1988年開始采用CHM+VAR 熔煉鈦合金，上世紀90 年代初在企業(yè)標準中規(guī)定飛機發(fā)動機關鍵轉(zhuǎn)子零件用鈦合金必須經(jīng)過一次冷床爐熔煉。

　　冷床爐熔煉與真空自耗熔煉原理不同，圖1是小型等離子冷床爐熔煉簡圖，原料從喂料槽進入熔煉室，被等離子槍所熔化，流入熔煉床，在這個水冷銅爐床中被等離子槍加熱、均勻，再流入坩堝，被攪拌、凝固。由于等離子束的加熱溫度最高可達6000℃以上，冷床中的熔池可被加熱到足夠高的溫度(熔煉時一般液體可達到2000℃)，并且液體在爐床中可以保持足夠長的時間。因此，低密度夾雜TiO2、TiN 等得到熔化或溶解，而高密度夾雜顆粒由于密度遠大于鈦，熔煉時會沉入爐床底部的糊狀區(qū)，凝固后留在凝殼里而不進入鑄錠，達到了有效去除高密度夾雜的目的。

　　PACHM 工藝在去除夾雜方面的優(yōu)勢如圖2所示。VAR 熔煉時，電極中的物質(zhì)除了能揮發(fā)外，其它所有物質(zhì)(包括高低密度夾雜)熔煉后又留在鑄錠中，去除LDI的唯一途徑只在通過熔池溶解，但溶解效果非常有限，即使經(jīng)過很多次熔煉也不容易將這些夾雜去除，所以VAR熔煉對原料的要求非常嚴格。與VAR 相比，CHM 工藝可看作是一個開放的系統(tǒng)[5]，即使原料中混入了高密度夾雜物，在熔煉時，這些夾雜物可以通過沉淀進入凝殼中，從而巧妙地與鑄錠分離。

　　在美國，冷床爐熔煉能力已占到鈦總?cè)蹮捘芰Φ?5%。我國的冷床爐熔煉工藝還處于起步階段，目前只有幾臺設備，尚未開始工業(yè)化生產(chǎn)。西北有色金屬研究院、陜西寶雞鈦業(yè)、北京航空材料研究院分別引進了冷床熔煉爐。寶鋼股份有限公司特鋼事業(yè)部也已引進大型生產(chǎn)用電子束和等離子冷床爐。隨著我國大飛機項目的啟動和國民經(jīng)濟對優(yōu)質(zhì)鈦合金的需求增加，冷床爐熔煉錠及產(chǎn)品的需求量也將迅速增加。

　　國內(nèi)關于等離子冷床爐的研究非常少，本文旨在通過對熔煉過程中的高密度夾雜物的去除研究，進一步了解、認識冷床爐的熔煉機理。

二、試驗方法

　　選擇綜合性能良好的α-β型鈦合金---TC11 合金作為試驗材料，該合金在500℃以下具有優(yōu)良的熱強性能和熱加工性能，常規(guī)的熔煉工藝需經(jīng)過三次VAR，主要用于制造航空發(fā)動機零部件和飛機結(jié)構(gòu)件。本文采用單次冷床爐工藝熔煉TC11 合金，并對該工藝得到的鑄錠進行研究。采用了北京航空材料研究院的PAM525 等離子冷床爐進行熔煉。熔煉時Ar 氣作為保護氣氛，爐室中的氣壓接近大氣壓，等離子槍氣體采用He 氣。熔煉時兩只等離子槍的設定功率分別為400KW、200KW，水冷坩堝中的攪拌電流為108 A。

　　為了研究冷床爐熔煉工藝對高低密度夾雜的去除效果，熔煉前在原料中加入了純W和硬質(zhì)合金刀具碎塊。熔煉總共需四只壓塊(Φ130×300mm)，在其中分別鉆孔，孔大小為Φ7×10 ㎜，加入的夾雜物尺寸及位置如下：

　　1）硬質(zhì)刀具YG8 合金，成分為WC+Co，密度為14.5～14.9g/cm3, WC 含量達92%，WC的熔點為2870℃。將刀具碎塊人工粉碎，制成12 顆碎塊顆粒，共6 種規(guī)格，最大一顆四邊長分別為5.0、3.75、2.6、4.5mm，厚度0.52～1.30mm，最小的一顆尺寸為0.60×0.66×1.18 mm；

　　2）燒結(jié)純W 塊，其密度約為16g/cm3，熔點3410℃。人工粉碎，從鎢條上取下大小不同的12 顆，尺寸大約為1～6mm；各夾雜加入以下四只壓塊中的1/2、1/2、1/4 和1/2 處，如圖4。熔煉時，各壓塊從左到右依次送入爐中熔化。

　　經(jīng)過一次冷床爐熔煉后，得到一支φ150*600mm、50kg 的小錠和一個220*280*30mm 凝殼。為使高密度夾雜物區(qū)域發(fā)生變形，并易于X 射線檢測，將鑄錠和凝殼進行熱變形，工藝如下：

　　1）800℃入爐，1.5 小時升至970℃，保溫2 小時；

　　2）970℃下，用型號為THP10 的2000T 液壓機將Φ150 ㎜棒材鍛壓成截面為190*80mm的扁平材，凝殼鍛壓成320*240*24mm。

　　使用型號為YXLON450_D08 的X 射線設備對整支錠進行無損探測，操作電壓為450kv、曝光時間為6min。用X 射線多次、不同角度對樣品進行拍照，精確確定夾雜物的具體位置，切割、取樣、做金相制備，采用顯微硬度儀測量夾雜物、過渡區(qū)、基體的硬度。用OLYMPUS金相顯微鏡觀察殘留的夾雜物，然后用SAMSCAN 掃描電子顯微鏡鏡（SEM）對夾雜物拍照、并做能譜成分分析，確定夾雜物的種類。另外，用X 射線檢測凝殼中的高密度夾雜物。

三、試驗結(jié)果與分析

1.鑄錠和凝殼中的HDI 與分析

　　用X 射線檢測，在凝殼中發(fā)現(xiàn)了幾乎全部的夾雜物，如圖4（a）中的亮點，凝殼中的裂紋是在熱變形的過程中產(chǎn)生的。夾雜物的分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律：主要分布在凝殼的中線左右，這是因為壓塊熔化后基本上是沿中線進入爐床熔池的；從液體流向看，大部分夾雜物分布在液體進入爐床的前中部位置。二維方向的分布規(guī)律表明，夾雜物進入熔池后，大尺寸的顆粒大部分不前移或沿液體的流向前移很短的距離，就沉入爐床，小顆粒被液體帶到爐床中的其它位置沉淀下來。但是，有的夾雜物即使顆粒較大，也甚至被帶到爐床靠近坩堝一側(cè)的邊緣。