优质钛合金铸锭熔炼技术发展

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 钛合金，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。