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真空自耗电弧熔炼过程的实质是借助直流电弧的热能把已知化学成分的金属自耗电极在低压或在惰性气氛中进行重新熔炼。
熔炼本身是一个定向连续过程。在高温加热形成的熔池区内，液态钛合金成分和杂质不断地扩散有助于均匀化，随后凝固成锭。
在钛的真空自耗电极熔炼中，发生了熔化和凝固两个可逆的相变过程。这两个过程都属于固液相多相反应，并伴随发生了一些物理化学变化，如图1-14所示。熔炼过程有以下几步。

1 熔化
熔化钛从海绵体变为液体，是发生体积变小和比表面积缩小的过程，因此，也是比表面能降低的过程。在相变过程中，自由能的变化ΔG包括体积自由能变化ΔG和表面积自由能变化ΔG、两项。此时，AGy <0,ΔGs <0,所以有：ΔG=ΔGv+ΔGs <0.
只要达到熔化温度，此过程便能自发进行。因为此时不存在克服表面能垒的问题，所以熔化时不需要过热度。在熔炼纯钛时，只要达到钛的熔点（1668℃)即可。在熔炼钛合金时，熔化过程在一个温度范围内进行，比纯钛的熔化要复杂得多。钛合金的熔点与其成分有关，必须高于液相线温度才能开始熔化。

2 液态金属的扩散
熔池里的液态金属在磁场的搅拌作用下，大大增加了熔池内合金组元和杂质的扩散作用，有利于成分的均匀化。
3 凝固和结晶
从液态钛或钛合金中凝固结晶出新的晶粒时，有新相生成，此时液固相反应的自由能变化ΔG为：
ΔG=ΔG3+ΔGy=4/3m3AG2+4mro

式中 r-晶粒半径，
ΔGb－单位钛或钛合金体积的自由能变化；
σ-单位钛或钛合金表面积的自由能。
计算表明，晶粒半径只有超过临界半径时，晶粒方能长大。此时的粒子半径称为临界半径r.的计算式为：rc=-2σ/ΔGb
凝固过程有新相生成，属非均相成核过程，需要克服成核时的表面能垒的影响。开始结晶的核心是在冷铜坩埚壁处的粗糙表面上。结晶的一般过程是由生核和长大两过程交错重叠组合而成的。对于单个晶粒而言，存在明显的形核和长大阶段。但从液态金属整体凝固过程而言，两者是交织在一起的。

形核的数目与钛液结晶时的过冷度大小有关。过冷度越大，形核几率越大，形核数目也越多。此时，可以生成晶粒细小的钛锭。
由于晶体成长时内外条件的差异性，晶体的外形是多种多样的。决定因素一方面是结晶物质固有的特性，另一方面是结晶过程中固液界面上温度分布状况。晶体的形状呈树枝状，长大的方向与散热的最快方向相反。由于结晶成核属非均相成核，成核中心即为活化中心。最初的活化中心为熔池内结晶器壁某些凸出部位。一旦条件允许，初次成核后的晶体便迅速向熔池纵深生长，而形成枝晶的主干，也称一次枝晶。随着一次枝晶的生长而不断出现新枝芽，新枝芽发展为新枝晶称为二次枝晶，它的空间位置与一次枝晶互相垂直。接着又出现三次枝晶、四次枝晶·.最终的结晶物为树枝状结构。
钛的真空自耗电弧熔炼是一个快速并产生大批结晶体的过程，不同条件下形成的微观结构是不一样的。图1-15所示为典型液态金属凝固组织示意图。由于钛铸锭均在坩埚内冷凝而成，不电相其外形即为坩埚的形状，钛锭实际结构相类似。
钛锭结构一般有三层凝固区。锭表层由一层极细的排列不规则的等轴晶粒组成，为急冷区，是凝固早期高速成核所致。临近的第二区晶粒细长而方向垂直于坩埚壁，称为柱状晶区。它是散热速度较稳定，导致定向凝固，并使晶粒长大所致。最内区为排列不规则但远比急冷区大的等轴晶粒。晶粒的增大是由于凝固后期散热速度较低所致。
结晶过程有两大特点，一是冷却速度快；二是结晶过程即为钛锭逐渐凝固过程，锭子上部存在着一个高温金属熔池。由于熔炼的过热度大，金属熔池保持较大的轴向温度梯度和径向温度梯度而形成较深的熔池。

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