由于鈦及鈦合金具有較高的耐腐蝕性?耐熱性?無磁性等特點，在眾多金屬材料中脫穎而出，被廣泛應用于多個領域?鈦金屬因其獨特優(yōu)勢，被稱為 “第三金屬”“太空金屬”“海洋金屬”, 可見其在現(xiàn)代高技術工業(yè)中的重要地位?鈦及鈦合金的應用深度可從側面反映出國家的綜合國力?國防實力等水平，是高新技術領域中的關鍵材料?自科技快速發(fā)展以來，高精尖裝備需求不斷上升，特別是航空?航天?深海探索等戰(zhàn)略性領域，鈦及鈦合金將面對更加嚴峻的應用環(huán)境?因此，對鈦及鈦合金鑄錠制備工藝進行研究具有重要價值?
1、鈦及鈦合金標準
鈦及鈦合金標準體系涵蓋基礎規(guī)范?產(chǎn)品要求及檢測方法，基礎類標準如 GB/T 3620.2-2023《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學成分允許偏差》, 產(chǎn)品標準涉及 GB/T 3625-2007《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》?棒材 GB/T 2965-2023《鈦及鈦合金棒材》等?
2、鈦及鈦合金鑄錠市場需求分析
伴隨全球經(jīng)濟迅速發(fā)展，鈦合金作為高科技材料，需求量急劇上升?根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局 (USGS) 的數(shù)據(jù)顯示，2023 年全球海綿鈦產(chǎn)量約 44.4 萬噸，其中中國海綿鈦產(chǎn)能維持增長態(tài)勢，在全球產(chǎn)能占比逐步提升，年產(chǎn)能增至 27.9 萬噸，同比占比達 63.0%, 該數(shù)據(jù)彰顯中國在鈦合金制造方面的強大實力?從應用優(yōu)勢角度來看，高品質(zhì)鈦錠具有良好的物理?化學特性，被廣泛應用于航空航天?電子技術?醫(yī)療等多個高科技領域?通過對比中美兩國高品質(zhì)鈦錠應用情況可以看出，美國 64% 的鈦錠被應用于航空?軍事領域，展現(xiàn)其在國防與高科技產(chǎn)業(yè)對高端鈦錠的高度依賴?而中國的鈦錠雖然產(chǎn)量龐大，但其在航空及軍事領域的應用比例僅為 15%[1]?美國作為全球首個實現(xiàn)海綿鈦?鈦加工工業(yè)化的國家，也是最大鈦錠消費國，不僅重視高端鈦錠研發(fā)生產(chǎn)，而且致力于不斷提升鈦錠性能，滿足航空領域等尖端裝備需求?另外，日本在鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面展現(xiàn)出民用特色，主要應用于民用領域，覆蓋石油化工?建筑?冶金等多個行業(yè)?從全球鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢來看，主要方向是引入先進技術，制備高品質(zhì)鈦合金鑄錠，這反映了鈦材料在高科技領域的重要地位 [2]?
3、鈦及鈦合金鑄錠制備工藝
3.1 真空自耗熔煉
在鈦及鈦合金鑄錠制備工藝中，真空自耗電極電弧熔煉技術被廣泛使用，其主要操作方式為利用直流低電壓?高強度電流引發(fā)電弧效應，利用電弧連接自耗電極下端與結晶器，并在熔池上方創(chuàng)建高溫電弧等離子體區(qū)域，該熱區(qū)達到極高溫度，可促使自耗電極逐漸熔化，激發(fā)復雜的物理?化學反應，對去除氣體雜質(zhì)起到重要作用 [3]?
真空自耗電極電弧熔煉技術主要優(yōu)勢為可提高氣體?非金屬夾雜物?低熔點有害物質(zhì)去除效率，改善鈦材冷加工?熱加工過程中的性能，提高其機械性能，同時還可減少鑄錠縱向?橫向性能上的差異，確保鈦材在實際應用中具有良好的穩(wěn)定性與可靠性?與此同時，真空自耗電極電弧熔煉技術還可使用水冷銅結晶器完成熔煉設計，防止金屬?耐火材料之間形成相互作用，使金屬保持潔凈避免污染?尤其是在水冷條件下，金屬熔體凝固速度極快并形成結晶，同時也會生成組織均勻?無縮孔鑄錠 [4]?
結合實際應用情況，真空自耗電極電弧熔煉技術具有較強應用優(yōu)勢，但也會在使用過程中面臨問題，如真空自耗電極電弧熔煉技術會對材料配比?電極壓制等方面有一定的嚴格要求，同時還會嚴格要求海綿鈦的疏松度和顆粒度?此外，在使用真空自耗電極電弧熔煉技術時，生產(chǎn)消耗時間較多，且需對其進行 2~3 次熔煉，才能確保鈦及鈦合金鑄錠組織的成分滿足需求?重熔期間，電極邊熔化邊結晶，熔化電極后的電極會被直接整合入熔體內(nèi)，待徹底凝固后轉(zhuǎn)化為鑄錠?此外，由于重熔過程實施過程中，熔池深度較淺，且熔體高溫階段滯留時間短，無法精煉過濾?因此必須持續(xù)優(yōu)化工藝，才可克服現(xiàn)有技術問題 [5]?
3.2 電子束冷床
電子束冷床熔煉技術作為前沿金屬熔煉手段，在鈦及其合金鑄錠制備領域被廣泛應用?電子束冷床熔煉技術在實際應用過程中，使用電子束作為加熱源，在高電壓條件下，電子由陰極釋放經(jīng)過陽極加速，形成高能量電子束，通過電磁聚焦透鏡精準引導?偏轉(zhuǎn)磁場，轟擊待熔煉材料?該過程進行過程中，電子動能被轉(zhuǎn)化為熱能，使原料迅速熔化?
電子束冷床熔煉技術在實際應用過程中，對操作環(huán)境的要求較為嚴格，例如，該過程必須在真空環(huán)境下進行，為熔煉過程提供潔凈空間，去除鈦合金中低熔點揮發(fā)性金屬?雜質(zhì)，從而提高鑄錠的純度?通過熔煉?精煉?鑄錠凝固等多個工藝流程，電子束冷床熔煉技術能有效去除鈦合金中的低密度夾雜物?高密度夾雜物，提升鑄錠冶金品質(zhì)?電子束冷床熔煉技術的優(yōu)勢是不需要對原料進行壓制電極處理，可使原料選擇范圍更加廣泛，包括海綿鈦?鈦屑?各種廢鈦材料等 [6]?
在鈦屑回收?純鈦熔煉方面，電子束冷床熔煉技術也具有良好應用效果?例如，國內(nèi)已將電子束冷床熔煉技術納入鈦及鈦合金生產(chǎn)流程，成功制造高質(zhì)量產(chǎn)品?從技術角度來看，電子束冷床熔煉技術優(yōu)勢體現(xiàn)在其具有高效?純凈熔煉過程?通過精準控制電子束能量轟擊位置，可針對性加熱?熔化原料，避免了傳統(tǒng)熔煉方法中可能出現(xiàn)的局部過熱?熔化不均勻等現(xiàn)象?但是，盡管電子束冷床熔煉技術取得良好應用效果，但其未來發(fā)展依舊面臨較多挑戰(zhàn)，例如，如何進一步提高熔煉效率并降低能耗?如何優(yōu)化工藝參數(shù)等?
3.3 等離子束冷床熔煉
等離子束冷床熔煉技術應用過程中，使用的等離子熱源可分為單槍式?多槍式兩種，最高加熱溫度可達到 6000℃, 幾乎能熔化所有金屬?非金屬材料?等離子束冷床熔煉技術應用過程較為復雜，技術人員需要將原料送入喂料槽，之后進入熔煉室?在熔煉室內(nèi)，等離子槍發(fā)出高溫等離子束將原料迅速熔化，熔融金屬液體流入熔煉床，基于水冷銅爐床作用下，金屬液會被加熱?均勻化處理，之后流入坩堝中?坩堝內(nèi)部，金屬液經(jīng)過電磁攪拌逐漸凝固，形成鑄錠?
等離子束冷床熔煉技術具有集中能量?高熔煉溫度?顯著提升熔化速度等優(yōu)勢?即便在高溫環(huán)境下，等離子束冷床熔煉技術也可將TiO2?TiN 等低密度夾雜物有效熔解，有效提高鑄錠純凈度?同時，爐料中高密度夾雜物在熔化中會沉降至冷爐床底部，在凝固完成后保留于凝殼內(nèi)，不會影響最終鑄錠的質(zhì)量?
從等離子束冷床熔煉技術的缺陷角度來看，由于等離子束能量高度集中且具有較高熔煉溫度，容易造成低熔點合金元素揮發(fā)，導致合金成分控制難度較大?同時，等離子束冷床熔煉設備，生產(chǎn)難度較高，生產(chǎn)過程也較為復雜，無法被廣泛應用于鈦及鈦合金鑄錠熔煉中?為解決上述問題，企業(yè)應積極尋求解決方案，例如，通過優(yōu)化等離子束參數(shù)?優(yōu)化熔煉工藝等方式，減少低熔點合金元素的揮發(fā)?另外，若要降低設備生產(chǎn)成本，增強等離子束冷床熔煉技術經(jīng)濟效益，可通過改善局部設備結構?選用新型材料等措施，減少設備制造?維護開支?
3.4 真空感應熔煉
3.4.1 水冷銅坩堝熔煉
真空感應懸浮熔煉技術是快速結合電磁感引起渦流熱效應將金屬熔化?該過程中電磁力可確保金屬與坩堝壁間實現(xiàn)軟接觸狀態(tài)，避免高溫條件下坩堝材料對熔體造成污染，確保熔煉過程的純凈性?真空感應懸浮熔煉技術主要優(yōu)勢為可利用感應加熱?電磁攪拌，實現(xiàn)熔池溫度的均勻分布，精確控制合金熔液的成分，從而改善材料的均質(zhì)性?同時，真空感應懸浮熔煉還展現(xiàn)出卓越適應能力，應用范圍可拓展至超合金?金屬間化合物?頂級純度濺射靶材?難熔金屬多個領域?此外，真空感應懸浮熔煉技術還可與其他現(xiàn)代材料制備方法緊密結合，催生系列創(chuàng)新技術，如冷坩堝電磁連鑄技術?冷坩堝定向凝固技術等，使材料制備路徑更加豐富?
但真空感應懸浮熔煉技術在應用過程中也會面臨一定挑戰(zhàn)，例如，該技術中水冷銅坩堝能耗較高，且在冷卻方面存在許多技術難題?結合應用現(xiàn)狀來看，若想制備全感應懸浮熔煉材料，其質(zhì)量被限制在 100kg 范圍內(nèi)，使該技術在航空航天?艦船等領域的應用過程中，無法滿足大規(guī)格?高均質(zhì)性鈦合金鑄錠的需求?為解決該問題，科研機構專注于優(yōu)化真空感應懸浮熔煉技術工藝參數(shù)，希望降低能耗?提升冷卻效率?
3.4.2 半連續(xù)真空感應熔煉
受到電源技術?冷卻技術限制，傳統(tǒng)感應熔煉方法無法滿足大規(guī)格鈦合金鑄錠制備需求，為有效應對該問題，可使用半連續(xù)感應熔煉技術?半連續(xù)真空感應熔煉技術核心工作原理是在維持真空狀態(tài)基礎上，通過持續(xù)投料將合金原料逐步添加至水冷銅坩堝中，水冷銅坩堝在感應電磁場作用下能生成大量熱能，使合金原料迅速熔化?完成熔化后，技術人員使用拉錠裝置將熔融合金下拉至結晶器內(nèi)，之后開始凝固成錠?
從學術研究層面來看，半連續(xù)真空感應熔煉技術獲得廣泛認可，如某工大學研究小組通過感應熔煉連續(xù)拉錠方法，獲取小規(guī)格鈦合金定向凝固特性數(shù)據(jù)?在該過程中，技術人員精確控制熔煉?拉錠全過程，成功制備性能卓越的鈦合金材料?然而，該研究成果仍限于小規(guī)格鑄錠，為解決該缺陷，國內(nèi)某企業(yè)投入大量資源進行研發(fā)，成功研制 650kg 級半連續(xù)真空感應熔煉設備，設備采用真空加料?感應熔煉?間歇拉錠等先進工藝，實現(xiàn)大規(guī)格鈦合金鑄錠高效制備?
3.4.3 陶瓷坩堝真空感應熔煉
陶瓷坩堝真空感應熔煉實施過程中，其會生成較高溫度，同時還可保障良好電磁攪拌效果，可對成分均勻的鑄錠進行單次熔煉?相比于前兩種熔煉來說，陶瓷坩堝真空感應熔煉無需使用強制水冷方式，同時還可節(jié)約能量損耗，可有效解決目前行業(yè)中熔煉能耗高?成分不均勻等問題?結合目前研究現(xiàn)狀來看，某些研究人員于 AIN 粉末內(nèi)使用活化燒結助劑獲取混合物質(zhì)，之后將其加入球磨機內(nèi)采取球磨濕混處理?之后將漿料進行烘干，并獲取混合粉末，還會在其中投入有機粘結劑完成造粒，最后研磨過篩?最后制備完成陶瓷坩堝，可對小規(guī)格鈦合金鑄錠形成良好熔煉效果?
4、鈦及鈦合金鑄錠制備工藝發(fā)展現(xiàn)狀解析
真空自耗電極電弧熔煉技術作為傳統(tǒng)工業(yè)熔煉方法，歷經(jīng)多年發(fā)展，工藝相對成熟?設備結構穩(wěn)定，能高效制備質(zhì)量較高的鈦及鈦合金鑄錠，該技術在國內(nèi)外多個工業(yè)領域得到廣泛應用，尤其是航空航天?醫(yī)療器械等高端制造行業(yè)?應用真空自耗電極電弧熔煉技術生產(chǎn)出的鈦及鈦合金錠具備卓越力學性能?耐腐蝕特性，滿足高標準工業(yè)需求?對于電子束冷床熔煉技術來說，因其高效?純凈熔煉特性，為產(chǎn)品質(zhì)量提供堅實保障?與此同時，水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉技術結合感應加熱?電磁懸浮雙重優(yōu)點，能在維持真空狀態(tài)下實現(xiàn)合金快速熔化?均勻冷卻，使該技術特別適合制備大規(guī)格?高品質(zhì)鈦及鈦合金鑄錠?
雖然等離子束冷床熔煉?半連續(xù)真空感應熔煉技術，其在鈦及鈦合金鑄錠工業(yè)應用中存在一定局限，但隨著科技持續(xù)進步，等離子束冷床熔煉和半連續(xù)真空感應熔煉技術將在鈦及鈦合金鑄錠制備中發(fā)揮更加重要的作用，并利用各種熔煉技術交融創(chuàng)新，成為推動鈦及鈦合金材料制備技術持續(xù)發(fā)展的強勁動力?
5、結 語
在材料科學體系中，鈦及鈦合金鑄錠制備工藝屬于其中重要構成部分，隨著工業(yè)需求不斷增長，尤其是航空航天?醫(yī)療器械等高端制造領域，會對鈦及鈦合金鑄錠制備工藝提出更高要求?通過文章分析，鈦及鈦合金鑄錠制備工藝仍存在一定缺陷，當前研究方向主要圍繞提高鑄錠純凈度?均質(zhì)性等關鍵目標?在熔煉過程中，相關企業(yè)應盡量避免雜質(zhì)引入，開展熔煉工藝設計過程中，需保障設計方案簡單高效?具體來說，應縮短鈦及鈦合金鑄錠制備工藝流程，減少與外界環(huán)境接觸機會，可有效降低雜質(zhì)污染風險?同時，實施鈦及鈦合金鑄錠制備工藝過程中，還應科學選擇熔煉坩堝，坩堝材料應具備高度惰性，不與熔體發(fā)生任何化學反應，以防止坩堝材料成為雜質(zhì)來源?并且，為提高鈦及鈦合金鑄錠制備工藝水平，還應保障鑄錠均質(zhì)性?實際應用中，熔煉工藝必須具備良好溫控?攪拌能力，確保熔體在熔煉過程中均勻混合，避免成分不均?此外，還應積極采用高效熔煉技術，如電子束熔煉?等離子熔煉技術等，通過精確控制熔煉溫度?時間，進一步提升鑄錠均質(zhì)性?另外，為促進鈦及鈦合金鑄錠制備工藝獲得持續(xù)發(fā)展，還應重視降低生產(chǎn)成本，為實現(xiàn)該目標，應優(yōu)化原料使用策略?減少能耗等，有效降低鈦及鈦合金鑄錠制備工藝成本?此外，還要積極開發(fā)新型熔煉技術，促進鈦及鈦合金鑄錠制備工藝體系的持續(xù)進步?
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