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我国钛工业技术发展的大变革

2018-11-30 20:20:46

我国钛工业技术发展的大变革

07月16日讯

冷床炉熔技术

真空自耗熔炼法(VAR法)是钛工业中历史长的熔炼方法,在20世纪70年代中期成为钛及钛合金铸造锭熔炼的主要方法。在20世纪80年代,钛的冷床炉熔炼开始发展,首先是用电子束,然后是等离子束,随后该技术快速发展并加入到了过去由VAR熔炼主导的工业领域中,已经出现一次可熔炼24吨的大型冷床炉。在美国,冷床炉熔炼方法,早已与真空自耗熔炼法平分秋色,并将处于主导地位。

冷床炉熔炼分为电子束冷床熔炼和等离子束冷床熔炼,前者适用于纯钛锭和典型钛合金锭,如Ti6Al4V的熔炼。后者适用于复杂成分钛合金的熔炼。

采用冷炉床熔炼,具有以下优势:首先,可以采用多种形式的原材料,无需制备电极,减少了工序。其次,可以大量使用经济的原材料,残料添加比例可达100%,实现资源的循环利用;第三,能够有效去除易挥发杂质以及高密度夹杂和低密度夹杂,提高钛合金部件的疲劳性能;第四,可以生产圆锭、扁锭和空心锭。  冷床炉熔炼技术在国外已经得到较广泛的应用,但国外仍一直致力于该熔炼技术的研究与发展。

乌克兰一直在研究直接采用钛坨进行电子束冷床炉熔炼的技术,已在纯钛锭的熔炼方面取得成功,现在正在进行钛合金锭熔炼的试验研究。

美国则积极发展钛锭一步法熔炼技术(singlestepelectronbeamcoldhearthmelting,EBSM)。经一次电子束熔炼的纯钛扁锭,已经成功地直接轧制成钛板带,并通过AMS标准的认可;至于钛合金,10年前航空发动机制造商要求航空传动件用钛合金必须进行一次冷床炉熔炼后,出现了“冷床熔炼+真空自耗熔炼(Hearth+VAR)”法,并成为工业标准级的生产方法。但这一方法已在慢慢被突破。经一次电子束熔炼生产的Ti6Al4V合金已被制成了从装甲到体育休闲的多种工业产品,并正在向航空领域过渡。美国空军曾资助采用一次电子束熔炼的Ti6Al4V扁锭生产的板材进行系统研究,目的是代替多次VAR或“Hearth+VAR”板材产品,在军用和民用领域得到推广应用。研究结果表明,采用电子束一次熔炼的扁锭生产的Ti6Al4V板材,静态和动态性能均超过现有标准规定的小值。采用一次等离子束熔炼的扁锭生产的Ti6Al4V板材,也有同样的结果。

与国际先进水平相比,我国钛及钛合金的冷床炉熔炼刚刚起步。目前我国钛及钛合金的熔炼,主要是真空自耗法,冷炉床熔炼比例十分低。近几年引进的大吨位熔炼炉,主要是真空自耗熔炼炉。但就钛工业技术发展趋势而言,冷床炉熔炼方法将渐成主流。

因此,对于我国来说,在引进国外先进熔炼设备时,应对冷床炉设备予以更多的关注和重视。同时,积极开展钛及钛合金冷床炉熔炼技术的研究。我们可以引进设备,但具体工艺,还需我们摸索。

1、开展冷炉床熔炼技术的基础性研究。在高真空的EB炉中,必然会出现Al、Mo、Cr等高蒸汽压元素的蒸发损失,摸清合金元素挥发的动力学规律,建立合金成分挥发过程的数学模型,合理控制元素挥发并进行合金补偿,确保既定的化学成分要求,是一个必须予以细致研究的课题。只有基础性研究工作扎实充分,才能充分发挥电子束冷炉床的作用。相比之下,等离子束冷炉床更适合熔炼钛合金。等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作,可以防止Al、Cr、Sn、Mn等高挥发性元素的挥发,化学成分控制相对容易。由此,我们也许可以考虑另一个问题,即是否可以利用电子束冷床炉与等离子冷床炉的优点,进行钛合金的熔炼?如次采用等离子冷床炉熔炼电极,然后再在电子束冷床炉中熔炼。

2、开展钛及钛合金冷炉床熔炼工艺技术研究,摸清原材料—工艺参数—钛锭品质之间的关系,逐步形成相关数据库,建立完善的工艺技术文件。

3、对采用冷炉床熔炼的钛及钛合金锭生产的钛材,开展深入细致的组织与性能研究,并与以往采用真空自耗熔炼的钛材,进行对比分析,对冷炉床熔炼的钛材作出工程适用性评定。

4、直接采用冷炉床熔炼的钛扁锭,开展钛板带的工业试制及其应用研究;采用“冷床熔炼+真空自耗熔炼(Hearth+VAR)”的钛合金锭,开展航空传动件用钛合金锻件的工业性试制及其应用研究。  可以相信,冷炉床熔炼技术将推动我国高端钛产品的开发,并提升我国钛工业的基础技术水平。我们理应高度重视冷炉床熔炼技术的发展,并不断提高冷炉床熔炼在我国钛锭熔炼能力中的比重。

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