真空自耗熔炼钛锭产品质量和管理

目前，随着钛工业的技术进步，钛的自耗电弧炉熔炼实现了大型化。全世界大多数熔炼钛锭生产已达到5~10t/炉的水平。大型化钛锭生产的实现，极大地提高了产品生产率，同时也有利于提高产品质量。但是大型化生产也是一把双刃剑，它也提高了生产的风险性。因为某炉一旦出现失误，一只钛锭报废就可以造成巨大的经济损失。因此，必须要提高操作者的产品质量控制意识，也要提高干部的管理水平。
钛锭质量管理，特别是应用于航空工业的钛合金锭的质量管理具有特别重要的意义。保证生产优质的钛合金锭，不仅具有良好的经济意义，而且是保证飞机安全飞行的前提。
钛锭分为两类，一类是普通级钛锭，俗称冶金级钛锭，主要应用于化工类等多种民用设备和产品中；另一类是优质钛锭，主要是优质钛合金锭，俗称航空级钛锭，主要应用于航空航天领域。
出于对安全的苛求，航空级钛锭必须使用优质海绵钛为原料，决不允许使用返回料－钛屑为原料。
钛的熔炼过程是在高温真空状态下使多孔状海绵钛变成全致密状的钛锭，它的整体过程是一个物理变化过程，也是一个钛的状态变化过程。由于钛是高熔点金属，当它变为全致密体时，要使它整体完全致密，工艺上也会遇到种种困难，这也需要不断地在实践中逐渐积累经验。
钛的熔炼过程是一个定向凝固过程，也是一个顺序凝固过程，它在宏观上是固体料锭顺序逐次熔化→钛液滴入熔池→从熔池逐次又不断凝固出新的全致密状的钛锭的过程。
实践表明，为了防止在一次熔炼过程中钛锭不易实现全致密化，常进行两次（及三次）重熔工艺。
1 钛锭质量的评价条件
评价钛锭质量的优劣大概可按下列条件评定：
（1)钛锭的微观结晶态应有利于钛锭开坯锻造。正如图1-15所示，钛锭在凝固过程形成的晶粒状态，由三个不同的晶粒态区构成，最外表为一层极细的不规则等轴晶粒；临近的第二区为晶粒细长而垂直于坩埚壁的柱状晶；内部区为排列不规则而远比外表晶粒大的等轴晶粒。
当钛锭精车去表皮后的精锭，自然去除外表的等轴晶粒，该锭最外表即为柱状晶粒区。
在自耗熔炼过程中，钛锭柱状晶生长方向随顺序凝固过程的进行逐步发生变化。初期凝固主要是从底部开始，随铸锭增长，底部冷却逐渐向上部延伸，当达到一定长度时则边缘冷却占主导地位，柱状晶逐渐改变方向；与径向的夹角越来越小。铸锭进一步增长到一定值时，则柱状晶几乎与径向平行。这种结晶组织对开坯锻造是不利的。希望能改善这种不利的组织结构，但尚无良策。
（2)钛锭内部微观结构无缺陷。钛锭缺陷包括裂纹、孔洞；也包括内部有夹杂。夹杂分为两类，一类是高熔点金属，如W、Mo、Ta、Nb等金属夹杂，或者高熔点化合物，如WC等的夹杂；另一类
是低熔点夹杂，常见的是TiO和TiN夹杂。钛锭内部应既无裂纹和孔洞，也无夹杂，其结构属于全致密一致时，钛锭是优质的。
（3)钛锭微观结构成分均匀。钛锭微观结构成分均匀，对于纯钛锭而言，是指钛锭整体各类杂质是均布的；对于钛合金锭而言，主要是指钛锭整体各类合金元素分布均匀，没有偏析。由于钛锭整体成分均匀，自然各处微观结构相同，产品的力学性能相近。
（4)锭冠要小。锭冠是熔炼过程中产生缩孔自然形成的。锭冠大的话会降低钛锭的金属利用率，浪费产品。因此，要使锭冠减小，工艺上常采用合理补缩措施达到锭冠小的目的。
2 优质钛合金（航空级）铸锭
随着钛及钛合金在国民经济中应用的日益广泛，钛锻件的大型化、整体化、高纯度、高可靠性和长寿命是一个重要的发展方向。
例如，当前第四代战斗机F22的四个大整体框都是Ti-6Al-4V ELI锻件，投影面积为4.06~5.68㎡,锻件质量分别为1895kg、2484kg、2763kg和2972kg;波音747飞机的梁采用Ti-6Al-4V合金锻件，长为6.2m,投影面积为4㎡,锻件质量为1293kg;波音777飞机的主起落架载重梁采用Ti-1023合金，锻件质量1440kg,投影面积1.23㎡.这些都是目前正在服役的最大钛合金锻件，一个铸锭可能只能制造两件到三件这样的锻件，同时这些关键部件的使用寿命不仅是几千个小时，而是6万～9万小时（民机），因而随着钛合金锭的大型化，同时要求更高的冶金质量。除了寻找更先进的熔炼方法、质量检验的方法，对真空自耗熔炼（VAR)过程的质量管理也更严格，提出了优质钛合金锭的要求，提出了优质钛合金锭的批量与质量控制要求，制订了专门的优质钛合金的批量和质量控制宇航标准，基本包括了适用对象、级别分类、原料管理、熔炼工艺的控制等。
优质钛合金锭适用对象为专用于关键的、承受高应力的钛合金零件。这些钛合金产品需要经过使用单位的批准，以确保不同生产批次的产品采用相同的主导工艺和生产程序进行，并且与最初鉴定合格的产品具有相同的质量。
根据合金所采用的熔炼过程不同，优质钛合金锭分为四级，即：
（1)一级合金，采用两次真空自耗电极电弧熔炼（VARx2);
（2)二级合金，采用三次真空自耗电极电弧熔炼（VARx3);
（3)三级合金，电子束冷床炉熔炼加一次真空自耗电极电弧熔炼（EBCBCH+VAR)
（4)四级合金，等离子体冷床炉熔炼加一次真空自耗电极电弧熔炼（PACH+VAR).
原材料管理：海绵钛的选用质量级别是经过鉴定确定的。海绵钛经过严格的目视检验，不应含有产生高密度或低密度夹杂的污染物。
中间合金及合金元素：应采购经认可的中间合金及合金元素生产商的产品。中间合金化合金元素不应有氧化物、氮化物和其他有害的外来物，包括会产生高密度或低密度夹杂的物质。
熔炼技术：四级合金的熔炼每次操作过程按专门的控制文件进行，参数都应连续地监控和记录。

电极的焊接不允许采用钨极氩弧焊，以避免污染铸锭。
底部的添加料应与熔炼材料名义成分相同。
第一次熔炼：对于自耗熔炼、电子束熔炼和等离子体熔炼的熔炼稳定压力（真空度）及偶尔的峰值应按专门的技术条件规定控制，不允许真空度低于规定的极限范围，不允许漏气及任何渗水现象，最后一次熔炼不允许有超过30s以上的断弧现象。如果在热补缩工序中有一项或更多的规定被超越，则铸锭的相应段不能使用。铸锭应予以报废（切除）。
为了获得优质钛合金铸锭，达到成分均匀的目的，熔炼铸锭的电流密度是至关重要的。国内外的成功经验表明，对于合金元素复杂或容易形成偏析的合金，如Ti-17(TC17)或Ti-1023(TB6)合金等，缩小铸锭直径（≤750mm)和减小熔炼电流密度（及降低熔化速度5~6kg/min,而不是8~10kg/min)是首选的和不再有争议的经验。

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