發(fā)布日期：2024-11-9 21:29:16
鈦及鈦合金具有比強度高、耐蝕耐熱、無磁無毒、生物相容性好等特性，是繼鋼鐵、鋁之后的重要金 屬材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、軍工、核電、電子、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域，被譽為“第三金屬”、 “太空金屬”、“海洋金屬”等[1-5]。鈦及鈦合金材料在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用在一定程度上反映了一個國 家的綜合國力、經(jīng)濟實力和國防實力，是高新技術(shù)不可或缺的關(guān)鍵材料。
鈦的冶煉、熔煉、熱加工及深加工難度大，目前世界上擁有完整鈦產(chǎn)業(yè)鏈的國家主要有美國、日本、 俄羅斯、中國等。海綿鈦為海綿狀的鈦金屬顆粒，商品海綿鈦的粒度一般為0.83~25.4mm，是熔煉鈦及鈦 合金鑄錠的重要原材料，鈦及鈦合金鑄錠則是制備鑄件、棒材、管材、線材、絲材以及結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)。21 世紀(jì)以來，隨著全球科技創(chuàng)新的不斷推進，重點戰(zhàn)略領(lǐng)域?qū)Ω呔庋b備的需求不斷提升。同時，更加苛刻 的極端服役環(huán)境對鈦及鈦合金的雜質(zhì)含量、成分均勻性、可靠性提出了更高的要求。因此，如何實現(xiàn)低雜 質(zhì)含量、高均質(zhì)鈦及鈦合金鑄錠的高效、低成本制備，已成為該領(lǐng)域亟待解決的世界性難題，同時對國家 的發(fā)展具有著至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義[5-8]。
1、鈦及鈦合金鑄錠市場需求
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，鈦合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，需求量越來越大。圖1為2015—2023年全 球及中國鈦錠產(chǎn)量統(tǒng)計。2023年全球鈦錠產(chǎn)量為23.8×104t；中國鈦錠產(chǎn)量為15.1×104t，占全球 鈦錠產(chǎn)量的63.4%。高品質(zhì)鈦錠主要應(yīng)用于航空、航天、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。美國64%的鈦錠用于航空及 軍事領(lǐng)域，而中國僅有15%用于航空及軍事領(lǐng)域，可見高品質(zhì)鈦錠應(yīng)用占比較低。
美國是世界上第一個工業(yè)化生產(chǎn)海綿鈦和鈦加工材的國家，既是高品質(zhì)鈦錠生產(chǎn)強國，也是鈦錠消費 大國，其鈦錠主要用于航空領(lǐng)域。美國一直較為重視高端鈦錠的研發(fā)和生產(chǎn)，近年來，非航空用鈦產(chǎn)業(yè)發(fā) 展也較為迅速。
日本鈦工業(yè)的民用技術(shù)走在世界前列。與美國不同，日本的鈦錠主要用于民用領(lǐng)域，其民用鈦制品遍及 石油化工、建筑、冶金、醫(yī)療、汽車、體育休閑（高爾夫球具、網(wǎng)球拍、漁具、釣魚船等）、日用電子產(chǎn) 品（照相機、手表、復(fù)印機、打字機、手機、手提電腦等）、炊具（刀、叉、鍋、鏟等）等各個領(lǐng)域。日 本根據(jù)本國國情，大力發(fā)展民用鈦產(chǎn)品，走出了一條獨具特色的鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。
縱觀世界鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r可以看出，目前整體的發(fā)展趨勢是通過先進技術(shù)制備高品質(zhì)鈦合金鑄錠， 進而滿足鈦材在尖端裝備上更為廣泛的應(yīng)用。除此之外，主要是通過低成本化實現(xiàn)鈦材的大范圍應(yīng)用，逐 漸覆蓋產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟各個領(lǐng)域，以此推動鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
2、鈦及鈦合金熔煉工藝
由于鈦具有高活性的特點，鈦及鈦合金的熔煉難度很高，幾乎所有鈦及鈦合金的熔煉方法都采用了真 空及冷坩堝技術(shù)。目前，鈦及鈦合金鑄錠的熔煉方法主要有真空自耗熔煉和真空非自耗熔煉。其中，真空 非自耗熔煉又分為3種：電子束冷床熔煉、等離子束冷床熔煉和真空感應(yīng)熔煉[9-13]。
2.1真空自耗熔
煉真空自耗電弧爐自1839年熔煉白金絲試驗成功以后，主要用于研制難熔金屬，直到1948年才發(fā)展 得較為完善，1953年正式用于工業(yè)生產(chǎn)中。真空自耗熔煉是目前制備鈦及鈦合金鑄錠最為主流的生產(chǎn)工 藝[9-14]，所生產(chǎn)的鑄錠質(zhì)量一般為0.2~15t。圖2為真空自耗電弧爐結(jié)構(gòu)示意圖[15]。真空自耗電極 電弧熔煉是在直流低電壓、大電流的電弧作用下進行的，自耗電極下端同結(jié)晶器之間燃起電弧，同熔池之 間形成電弧等離子區(qū)，該區(qū)具有極高的溫度，能使自耗電極熔化，產(chǎn)生一定的物理化學(xué)反應(yīng)，這一過程可 以將一部分氣體雜質(zhì)去除掉。自耗電極中的一些非金屬夾雜物，如氧化物、氮化物，在真空和高溫條件下 ，發(fā)生離解或被碳還原而被去除掉，使鑄錠達到進一步提純的目的。真空自耗電弧電極熔煉能夠去除氣體 、非金屬夾雜物，以及某些低熔點的有害雜質(zhì)，從而使鈦材的冷/熱加工性能、力學(xué)性能等得到明顯改善 ，特別是減小縱橫向性能的差異，這對于保證鈦材性能的穩(wěn)定性、一致性和可靠性有著極其重要的意義。 真空自耗電極電弧熔煉工藝的特點是在水冷銅結(jié)晶器中進行熔煉，克服了金屬同耐火材料之間因相互作用而沾污金屬的弊端。同時，金屬液在高度水冷狀態(tài)下凝固結(jié)晶，可得到組織均勻、無縮孔、致密的鑄錠。真空自耗電極電弧熔煉還能夠有效去除熔融金屬中密度和熔點高于基體的顆粒，100%回收利用鈦殘料，費用相對較低，而且難熔金屬合金元素能以多元中間合金或者塊、棒、條的形式加入，工藝靈活性高，因此目前鈦及鈦合金鑄錠熔煉一般采用真空自耗電弧爐。
然而，真空自耗電極電弧熔煉過程中需要配料、壓制電極，對海綿鈦疏松度、顆粒度要求高，生產(chǎn)周 期長，一般經(jīng)過2~3次熔煉后，鈦及鈦合金鑄錠的組織、成分才能滿足鑄造或鍛造的使用要求，具體工 藝流程如圖3所示。此外，真空自耗電極電弧熔煉鈦及鈦合金可以看作是一個封閉系統(tǒng)，重熔過程中邊熔 化邊結(jié)晶，電極經(jīng)熔化后全部進入熔體，凝固后又全部變成鑄錠，而且重熔過程熔池淺、熔體在高溫階段 保持的時間短，因此無法實現(xiàn)熔液的過濾和精煉，即使采用3次熔煉也不能完全消除高/低密度夾雜物 [9-13]。
2.2電子束冷床熔煉
電子束冷床熔煉始于20世紀(jì)60年代，是一種潔凈鈦及鈦合金鑄錠的新型熔煉技術(shù)。電子束冷床爐 是以電子束為加熱源，高電壓下電子從陰極發(fā)出，經(jīng)陽極加速后形成電子束，在電磁聚焦透鏡和偏轉(zhuǎn)磁場 的作用下轟擊原料，電子的動能轉(zhuǎn)變成熱能使原料熔化，如圖4所示[16]。電子束冷床爐要求在高真空 下工作，高真空有利于去除鈦合金中的低熔點揮發(fā)性金屬和雜質(zhì)，起到鑄錠提純效果。
電子束冷床熔煉通過原料熔化、精煉、鑄錠凝固等工藝過程，可有效去除鈦合金中的低密度夾雜和高 密度夾雜，提高鈦合金鑄錠的冶金質(zhì)量。除此之外，該工藝無需壓制電極，原料可以是海綿鈦、鈦屑以及 各種鈦殘料，并且經(jīng)一次熔煉就可以得到質(zhì)量合格的鑄錠，大幅降低了鈦合金的生產(chǎn)成本。
電子束冷床熔煉技術(shù)以鈦屑回收及純鈦熔煉為主，許多國家對其進行了深入研究，美國、英國、德國 、中國等已將其廣泛用于生產(chǎn)實踐中，所生產(chǎn)出的產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。
2.3等離子束冷床熔煉等離子
束冷床熔煉是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種金屬熔煉方法，它是以電流通過氣體時使氣體電離產(chǎn)生弧 光，利用弧光放電發(fā)出的熱量熔煉合金。等離子熱源分單槍式和多槍式2種，最高加熱溫度可達6000℃ ，可熔煉任何金屬及非金屬材料。
圖5是等離子束冷床熔煉示意圖[17]。原料從喂料槽進入熔煉室，被等離子槍熔化，流入熔煉床，在 水冷銅爐床中被等離子槍加熱、均勻化，再流入坩堝，經(jīng)電磁攪拌后凝固。冷床中的熔池可被加熱到足夠 高的溫度（熔煉時液體溫度一般可達到2000℃），并且液體在爐床中可以保持足夠長的時間。
等離子束冷床熔煉工藝具有以下優(yōu)點：①能量較為集中且熔煉溫度高、熔化速度快，可以較大幅度提 高生產(chǎn)效率；②TiO2、TiN等低密度夾雜能夠得到熔化或溶解；③爐料中的高密度夾雜在爐料熔化過程 中可以沉降到冷爐床底部，凝固后留在凝殼里而不進入鑄錠，從而除去高密度夾雜，達到提純的目的；④ 具有相對獨立的能量進給系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和供料系統(tǒng)，可以有效保證鑄錠內(nèi)部致密及表面光潔；⑤合金成 分偏析程度較��；⑥運行穩(wěn)定、操作方便、冶金過程容易控制；⑦熔煉設(shè)備工作環(huán)境安全[9-13]。
盡管等離子束冷床熔煉鈦及鈦合金鑄錠有諸多優(yōu)點，但是由于等離子束能量較為集中且熔煉溫度高，易 使低熔點合金元素揮發(fā)，合金成分控制較為困難。除此之外，等離子束冷床熔煉設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)難度大、 價格昂貴等問題也在一定程度上限制了其在鈦及鈦合金鑄錠熔煉上的應(yīng)用。
2.4真空感應(yīng)熔煉
真空感應(yīng)熔煉擁有較高的過熱度和強烈的電磁攪拌，無需多次重熔即可實現(xiàn)成分均勻的鈦合金鑄錠的 制備，同時該工藝有利于去除低熔點雜質(zhì)，主要包括水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉、半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉 以及陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉等。
2.4.1水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉
真空感應(yīng)懸浮熔煉是將分瓣的水冷坩堝置于交變電磁場內(nèi)，利用電磁場產(chǎn)生的渦流熱熔融金屬，依靠 電磁力使熔融金屬與坩堝壁保持軟接觸或非接觸狀態(tài)，從而實現(xiàn)爐料熔煉的技術(shù)，其示意圖如圖6所示 [18]。該技術(shù)是一種理想的熔煉技術(shù)，其最突出的優(yōu)點是排除了在高溫條件下坩堝材料對熔體的污染，同 時能夠通過感應(yīng)加熱、攪拌使熔池溫度均勻，實現(xiàn)合金溶液成分的均勻化控制，是當(dāng)今最為理想的材料制 備技術(shù)之一[9-11]。除鈦合金外，真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)還應(yīng)用到了如超合金、金屬間化合物、高純?yōu)R射 靶材、難熔金屬、氧化物陶瓷、寶石、放射性材料和多晶硅等更加廣泛的材料領(lǐng)域。同時，該技術(shù)逐漸與 其它現(xiàn)代材料技術(shù)結(jié)合，發(fā)展出了冷坩堝電磁連鑄技術(shù)、冷坩堝定向凝固技術(shù)，以及用冷坩堝作為輔助裝 置的噴霧沉積技術(shù)和激冷技術(shù)等[10-13]。
但是，由于水冷銅坩堝感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)本身能耗高及冷卻存在一些難題尚未克服，至今能夠?qū)崿F(xiàn)全 感應(yīng)懸浮熔煉的材料質(zhì)量仍然不超過100kg，不能有效滿足航空航天以及艦船對大規(guī)格高均質(zhì)鈦合金鑄 錠的需求[16-19]。
2.4.2半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉
由于電源及冷卻技術(shù)瓶頸的限制，采用常規(guī)感應(yīng)熔煉的方法無法制備大規(guī)格鈦合金鑄錠，而半連續(xù)感 應(yīng)熔煉是制備大規(guī)格高品質(zhì)鈦合金鑄錠的有效途徑。半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉是通過采用不破壞真空條件下的 持續(xù)加料，將合金料加入水冷銅坩堝中，水冷銅坩堝通過線圈感應(yīng)熔化合金，隨后通過拉錠裝置將熔化后 的合金下拉至結(jié)晶器凝固成錠，重復(fù)上述動作以此實現(xiàn)大規(guī)格高品質(zhì)鈦合金鑄錠的制備。圖7為半連續(xù) 真空感應(yīng)熔煉裝置示意圖。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研人員[20-21]采用感應(yīng)熔煉連續(xù)拉錠的方法開展了小規(guī)格鈦合金定向凝固方面的研 究。韓國Moon等[22-26]采用半連續(xù)感應(yīng)熔煉的方法研究了鈦渣去除鈣回收高純鈦的研究，但仍局限于小 規(guī)格鑄錠熔煉。中國船舶集團公司第七二五研究所為解決水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉鈦合金規(guī)格小的問題，研發(fā) 了650kg級半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉設(shè)備，通過采用真空加料—感應(yīng)熔煉—間歇拉錠的方法開展了半連續(xù)感 應(yīng)熔煉法制備高品質(zhì)大規(guī)格鈦鑄錠的研究。
2.4.3陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉
陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉具有較高的溫度以及較強的電磁攪拌能力，可單次熔煉成分均勻的鑄錠。同時 ，陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉無需強制水冷，能量損耗少，被認為是解決目前常規(guī)鈦合金熔煉能耗高、成分不 均的有效方法。但是，由于鈦液與目前所有的耐火材料均可發(fā)生反應(yīng)，故仍未獲得滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求的 坩堝材料[7]。
專利CN201310324249.3公布了一種氮化硼（BN）系高強度耐火材料，然而采用BN坩堝熔煉時，坩 堝會與鈦液發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重污染鈦錠，并不適于用作鈦合金熔煉的坩堝材料。氮化鋁（AlN） 熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小，兼具優(yōu)異的抗熱震性與耐鈦液腐蝕性，是潛在的坩堝應(yīng)用材料。專利 CN202110455086.7提出了一種氮化鋁-鋁酸釔復(fù)相陶瓷及其制備方法，然而鋁酸釔制備過程較為復(fù)雜，工 藝流程長，陶瓷中鋁酸釔等添加劑含量較高，氮化鋁含量較低。專利CN202210223365.5公布了一種鈦合金 熔煉用的氮化物復(fù)合耐火材料，其主要成分為AlN（60%~90%）與BN（10%~40%），但該復(fù)合耐火材料會 與鈦熔體發(fā)生界面反應(yīng)，形成的界面反應(yīng)層厚度達25~40μm。因此，AlN-BN復(fù)合耐火材料雖具有一定 的耐火性，但將其用于制備形狀復(fù)雜的坩堝時仍存在耐蝕性欠佳、制備工藝復(fù)雜、易開裂等技術(shù)問題[27- 28]。
華中科技大學(xué)李元元研究團隊發(fā)明了一種用于鈦合金感應(yīng)熔煉的AlN陶瓷復(fù)雜坩堝的制備方法：
①在AlN粉末中加入活化燒結(jié)助劑得到混合物，將混合物和有機溶劑放入球磨機中進行球磨濕混；
②將球磨濕混后的漿料烘干得到混合粉末，在混合粉末中加入有機粘結(jié)劑進行造粒，隨后研磨過篩 ；
③將研磨過篩后的粉末放入復(fù)雜模具型腔中進行冷等靜壓壓制獲得復(fù)雜坩堝生坯；
④將復(fù)雜坩堝生坯依次在脫脂爐中脫脂、在氬氣保護氣氛中燒結(jié)，獲得AlN陶瓷復(fù)雜坩堝。該項目 團隊采用這種方法制備的陶瓷坩堝（如圖8所示）熔煉了小規(guī)格鈦合金鑄錠，鑄錠成分均勻，性能優(yōu)異 ，為陶瓷坩堝感應(yīng)熔煉鈦合金提供了重要數(shù)據(jù)支撐[7,28]。
盡管國內(nèi)外學(xué)者已對耐鈦液腐蝕陶瓷材料進行了大量研究，但迄今仍未有關(guān)于鈦合金感應(yīng)熔煉工業(yè)級 陶瓷坩堝的相關(guān)報道。顯然，合適的陶瓷材料是突破這一困境的關(guān)鍵條件。
3、鈦及鈦合金熔煉工藝現(xiàn)狀
3.1國內(nèi)外熔煉工藝水平
目前，采用真空自耗電極電弧熔煉、電子束冷床熔煉以及水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉的方法制備的 鈦及鈦合金鑄錠已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，表1為上述3種鈦及鈦合金鑄錠熔煉工藝水平的國內(nèi)外現(xiàn)狀 。等離子束冷床熔煉及半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉鈦及鈦合金鑄錠在工業(yè)應(yīng)用上仍然相對較少。
3.2技術(shù)瓶頸
鈦及鈦合金熔煉工藝經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，均取得了重要突破。針對不同鈦及鈦合金鑄錠規(guī)格、 品質(zhì)、材質(zhì)、需求量等具體的需求，可選擇較為適宜的熔煉工藝。但是，電渣熔煉鈦合金鑄錠的相關(guān)研究 較少，其技術(shù)工藝仍需大量研究，在此不再對其技術(shù)瓶頸進行分析。表2給出了5種鈦及鈦合金鑄錠熔 煉工藝存在的技術(shù)瓶頸。
4、結(jié)語
突破大規(guī)格、高純凈、高均質(zhì)鈦合金鑄錠熔煉控制技術(shù)以及短流程、低成本鈦及鈦合金鑄錠熔煉控制 技術(shù)，是目前國內(nèi)外鈦熔煉行業(yè)所面臨的核心難題�；诋�(dāng)前鈦及鈦合金熔煉工藝的研究現(xiàn)狀，對該領(lǐng)域 未來的發(fā)展提出以下思考。
(1)盡管真空自耗電極電弧熔煉在鈦合金熔煉工藝中占據(jù)絕對主流地位，但 所制備的鈦及鈦合金仍然存在均質(zhì)性差、高/低密度夾雜問題，該方面的技術(shù)突破仍然需要研究人員開展 大量的研究工作，仍然是真空自耗電極電弧熔煉工藝的重要研究方向。
(2)電子束/等離子束冷床熔煉由 于其低成本、高效率的特點，已廣泛應(yīng)用于鈦及鈦合金鑄錠熔煉，且發(fā)展較為迅速。但低熔點元素?zé)龘p嚴(yán) 重成分難以控制、成分均質(zhì)性差等難題仍制約著其在高品質(zhì)鈦合金鑄錠熔煉中的應(yīng)用，該兩方面仍需要開 展大量的研究工作。
(3)陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉鈦合金具有能耗低、過熱度高等優(yōu)點，但耐鈦液腐蝕坩堝 一直是困擾該工藝發(fā)展的重要瓶頸。真空感應(yīng)懸浮熔煉所熔煉的鈦合金鑄錠具有均質(zhì)性好、純度高等優(yōu)點 ，但容量較小的問題一直制約其工業(yè)化應(yīng)用。
(4)半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉兼具了水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮 熔煉高純凈、高均質(zhì)鈦合金鑄錠的特性，同時又具有真空加料裝置及間歇拉錠裝置，解決了水冷銅坩堝感 應(yīng)熔煉合金規(guī)格小的問題�；诖耍撊蹮捁に嚲哂休^大發(fā)展空間。但是，由于裝備及控制工藝相對較復(fù) 雜，亟需開展大量的研究工作。
鈦及鈦合金鑄錠的研究方向主要集中在高純度、高均質(zhì)性以及低成本。為此，鈦合金鑄錠熔煉工藝需 滿足以下要求。首先，為保證鑄錠的純凈度，熔煉工藝需具有較短的生產(chǎn)流程以避免引入雜質(zhì)，同時熔煉 坩堝需具有較高的惰性或非接觸式坩堝，以避免坩堝引入雜質(zhì)；其次，熔體需具有較高的過熱度，以解決 高/低密度夾雜以及均質(zhì)性差的問題；最后，熔煉工藝需具有批量化生產(chǎn)特點以及相對較低的生產(chǎn)成本。 基于上述要求，相信冷坩堝半連續(xù)感應(yīng)熔煉工藝在鈦及鈦合金鑄錠制備領(lǐng)域?qū)⒕哂休^大的發(fā)展前景。
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