真空自耗熔炼(VAR)炉可看做是一个封闭系统,电极材料经过电弧熔化后都进入了铸锭(或成为下一次重熔的电极),电极材料熔化后在高温段保留的时间很短,温度不够高,不足以使硬α和HDI充分熔化,也无法将熔池与不熔物分离,从而无法过滤掉硬α和HDI夹杂。所以,即使采取三次VAR 熔炼仍然无法完全消除钛合金中的夹杂物。
1983~1984年间,GEAE发动机公司与钛生产商联合,曾以人为引入硬α夹杂的方式熔炼Ti17合金的工业大锭,结果表明:至少约8%的放入直径约Φ6.4mm的氮化的海绵钛颗粒(氮的质量分数约12%~15%)被超声波探伤检出。研究结论认为:
(1)VAR熔炼的熔池深度一般大于铸锭的直径,甚至可能达到直径的2倍;
(2)熔池过热度低,大部分接近于合金的液相温度,小部分区域达到超过熔点约200℃;
熔炼过程的熔池存在强烈的搅动。
在这样的条件下,任何夹杂物颗粒的熔化既要有高温的要求,又要有足够的时间,否则将再一次被凝固进入铸锭。Reddy测试TiN颗粒在1650℃静止钛熔池条件下的熔解速度,大约为0.004cm/min.据 Zanner的分析,直径为φ6.4mm的TiN颗粒,在过热度83~110℃(150~200°℉)的钛熔池中分解所需的时间在15~21min,这在真空自耗的条件下是很难达到的。
Rudinger等研究了碳化钨(WC)夹杂物颗粒在真空自耗(VAR)熔炼过程中的熔解情况。经过一次VAR熔炼,仅能熔化尺寸为0.4mm的颗粒;经过两次VAR熔炼,90%左右0.6mm的WC颗粒得以熔化;经过三次VAR熔炼后,尺寸为0.6mm的WC颗粒能全部熔化掉,但0.8mm及更大尺寸的WC颗粒即使经过三次VAR熔炼都无法充分熔化。因此,采用VAR 熔炼工艺想要得到无夹杂的高纯钛合金锭是不可能的,即使采用三次VAR,熔炼结果也不是很理想。
综上所述,应该从熔炼技术本身的改进来降低钛合金中的缺陷率,实现钛合金的高纯化。冷炉床熔炼技术独特的精炼水平,可以较充分地消除钛合金中的各类夹杂物,缓解长期困扰钛工业界和航空企业的一大难题。
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