钛及钛合金 真空熔炼(VAR)

如何才能把“海绵钛”变成钛。这里就不得不提“真空自耗电极熔炼”技术也叫VAR技术。在真空条件下，利用电弧加热熔炼金属的一种方法。

钛锭熔炼是一个复杂的过程，目前常用的工艺是真空自耗电弧熔炼，此外还有电子束冷床炉熔炼等，以下为你分别介绍它们的工艺流程：
真空自耗电弧熔炼
真空自耗电弧熔炼是目前工业上生产钛及钛合金铸锭最主要的方法，其工艺流程如下：
1.    原料准备
    ○海绵钛：这是钛锭熔炼的主要原料，由镁热还原四氯化钛制得，为疏松多孔的颗粒状物质。
    ○合金元素：根据所需钛合金的成分要求，加入相应的合金元素，如铝、钒、钼等。这些合金元素通常以纯金属或中间合金的形式添加。
    ○中间合金：某些合金元素如硼、锆等难以直接添加到钛中，需要先制成中间合金，以确保合金元素在钛锭中均匀分布。
2.    电极制备
    ○混料：将海绵钛、合金元素和中间合金按一定比例进行充分混合，以保证成分均匀。
    ○压制：把混合好的原料在压力机上压制成电极块，电极块的尺寸和形状根据熔炼设备的要求确定。
    ○焊接：将压制好的电极块通过焊接的方式连接成自耗电极，焊接质量直接影响熔炼过程的稳定性。
3.    熔炼前准备
    ○安装电极：将制备好的自耗电极安装在真空自耗电弧炉的电极杆上。
    ○抽真空：关闭炉门，启动真空泵，将炉内抽成高真空状态，以防止钛在高温下与空气中的氧、氮等气体发生反应。
4.    熔炼过程
    ○引弧：在电极与坩埚底部的起弧板之间施加高电压，使电极与起弧板之间产生电弧，从而引燃电弧。
    ○熔炼：在真空环境下，电极作为阳极，坩埚作为阴极，电流通过电弧使电极逐渐熔化，滴落到水冷铜坩埚中，逐渐凝固形成钛锭。
    ○控制参数：在熔炼过程中，需要严格控制电流、电压、熔炼速度等参数，以确保钛锭的质量。
5.    冷却和脱模
    ○冷却：熔炼结束后，停止供电，让钛锭在坩埚中自然冷却至室温。
    ○脱模：打开炉门，将凝固好的钛锭从坩埚中取出。
6.    质量检测
    ○外观检查：检查钛锭表面是否有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。
    ○成分分析：采用光谱分析等方法分析钛锭的化学成分，确保其符合标准要求。
    ○性能测试：对钛锭进行力学性能测试，如拉伸试验、硬度测试等，以评估其力学性能。
电子束冷床炉熔炼
电子束冷床炉熔炼是一种先进的钛及钛合金熔炼技术，其工艺流程如下：
1.    原料准备：与真空自耗电弧熔炼类似，准备海绵钛、合金元素和中间合金等原料。
2.    加料：将原料加入到电子束冷床炉的加料装置中。
3.    抽真空：将炉内抽成高真空状态，为熔炼创造良好的环境。
4.    电子束熔炼
    ○电子束产生：通过电子枪产生高能电子束。
    ○熔化原料：电子束轰击原料，使其迅速熔化，熔池中的杂质在重力和表面张力的作用下，向熔池表面和边缘聚集。
    ○精炼：利用电子束的高温和高能量，对熔池中的金属进行精炼，去除其中的气体、杂质和低熔点金属。
5.    凝固成型
    ○浇铸：经过精炼后的金属液通过浇口流入水冷铜模中，逐渐凝固形成钛锭。
    ○控制凝固过程：通过控制浇铸速度、冷却速度等参数，确保钛锭的凝固组织均匀。
6.    质量检测：与真空自耗电弧熔炼的质量检测方法相同，对钛锭进行外观检查、成分分析和性能测试。

1.海绵钛：这是钛最原始的形态，像灰色海绵一样多孔，由镁热还原法制成。不同牌号的钛合金得用不同级别的海绵钛，就像做蛋糕要选对应筋度的面粉。使用前必须人工挑选，挑出夹杂的杂质和变质颗粒，还要把不同批次的海绵钛混合均匀，保证铸锭成分“一碗水端平”。

2.返回炉料：相当于“循环利用的食材”，是钛加工过程中产生的碎屑、边角料。但它们必须先经过净化处理，去掉高低密度夹杂和异物，变成合格的屑状或块状，才能重新加入熔炼“大锅”。

3.合金添加剂：根据钛合金的“配方”，加入纯金属或中间合金（比如Al-Mo、Al-V）。就像做菜加调料，这些添加剂要根据熔点和密度特性来选——比如高熔点元素得做成中间合金，避免熔炼时“煮不熟”。

VAR 炉由真空系统、电极驱动机械系统、铜坩埚及冷却循环系统、直流电源、自动和手动控制系统、稳弧搅拌系统、监测和自动记录系统等部分组成。

VAR 熔炼工艺的基本流程为：混料→压制电极→焊接成自耗电极→一次熔炼→成品熔炼→钛锭车光→检验。

大家可能注意到“自耗电极”这个词了。什么是自耗？什么是电极？现在在这里必须介绍一下。在VAR真空熔炼之前，需要将海绵钛颗粒，中间合金及辅料均匀混合并压块压制成块，通常叫“电极”。

1.配料：按合金成分精准计算每种原料的比例。有个小窍门：容易挥发的元素（比如铝）要多配一点（接近上限），不易损失的元素按中间值配，就像煮汤时盐会蒸发，得适当多放一点。

2.组焊：把压好的电极块焊接成需要的长度和截面。焊接时必须用氩气保护（纯度99.9%），防止空气混入产生杂质，就像给食材盖上保鲜膜防污染。工业上常用等离子焊或真空焊，坚决不用钨极氩弧焊（怕引入钨夹杂），细节控到极致。

真空电弧重熔过程可分为焊接电极、引弧、正常熔炼和封顶4个过程：

(1)焊接电极。每一炉熔炼所用的自耗电极要求与过渡电极同轴且被牢固地焊接在过渡电极上。焊接在真空下进行。在自耗电极被焊接的一端铺上一层同品种车屑作为引弧剂，然后下降电极杆，使过渡电极与自耗电极之间燃弧，当燃弧的两个端面被加热且电弧稳定，在自耗电极端面有较多的金属液相形成时，迅速下降电极杆，使燃弧的两个端面紧密接触而焊合在一起。

(2)引弧。在自耗电极与结晶器底部的引弧剂之间形成电弧，提高弧区温度和在结晶器底部形成一定大小的金属熔池，保持自耗电极与金属熔池之间形成稳定的电弧，使自耗电极的重熔转入正常的熔炼。

(3)熔炼期。是重熔过程的主要时期，在这期间钢或合金被精炼和凝固成锭，即脱除金属中的气体及低熔点的金属杂质，去除非金属夹杂物，降低偏析程度以及获得理想的铸态组织结构。

(4)封顶（也叫补缩）。目的在于减小重熔锭头部缩孔，减轻头部“V”形收缩区的疏松程度，以及促进夹杂物的最后上浮和排除，减少切头量，提高成材率。

电子束冷床熔炼：用电子束“精雕细琢” : 这是更先进的“炼法”：用2400-2600℃的阴极发射电子，经电场加速后，像精准的“激光”一样轰击原料——电子动能转化为热能，瞬间熔化金属。熔液流入水冷铜坩埚，从下往上“顺序凝固”，最后像“拉面条”一样把铸锭从坩埚中慢慢拉出。

它的优势是“提纯能力超强”：电子束能量集中，能精准控制熔池温度，把高熔点杂质“筛”出去，特别适合熔炼高端钛合金。但也怕“操作失误”：如拉锭太快会产生裂纹，功率不够会留下未熔化的“生料”，需要像调相机焦距一样精准控制电子束。

压制“电极块”完成后，需要利用等离子焊接的方式，将多个压块焊接连接成条状电极块。

现在在脑子构建一个模型：一只点燃的蜡烛，将火苗向上的蜡烛颠倒过来。火苗向下。VAR真空自耗熔炼方式的大致造型如一个颠倒的蜡烛，将滴蜡收集在一起，装在固定造型(铜坩埚)，等坩埚冷却完成，将铸锭和坩埚分离。

熔炼时，在真空下，利用电极和坩埚两极间电弧放电产生的高温做热源，将电极熔化。电极由被熔炼金属材料制成，在熔炼中自耗电极不断地熔化，同时，铸锭自下而上地在结晶器中连续凝固增高。

完成至少两次熔炼才可获得质量较好的钛锭，对于医疗钛材以及高标准的宇航钛材则需要至少三次熔炼。坩埚一般选用铜或铜合金材料，坩埚外有循环冷却水。且坩埚周围布置的通电线圈，使用电磁感应原理，对钛熔炼状态下钛锭内部液心和糊状区进行搅拌，改善钛合金凝固过程中的成分偏析,起到细化晶粒的作用.

从海绵钛到致密铸锭，熔炼过程就像给钛合金“定性格”——成分均匀性、致密度、杂质含量，全靠这一步把控。比如航空发动机用的钛合金，一点微小的夹杂都可能导致高空失效；医疗植入用的钛合金，一丝气孔都可能引发感染。

熔炼过程中炉内的真空度高达 1.3*10-1帕。熔点1668℃高温下钛很容易和氧、氮、碳等元素发生反应，因此真空环境对保证钛锭的纯净度至关重要。VAR熔炼设备较为复杂，维护和操作成本较高‌基本上一套设备投资基需要近亿(参考6吨设备)。

生产工艺长：‌电极制备繁琐‌，需要昂贵的压力机和相应的设施。熔炼周期长，二次锭大概至少需要8天生产周期。三次锭至少需要12天。

VAR熔炼全制程的良率比较低大概90%。一次重熔后要对一次钛锭进行锭头锭尾的切除，以及钛锭表面铣削2.5mm以内氧化层。并以相同的方式进行二次重熔。钛合金的成分样品一般在二次锭的头，中，尾三个位置取样槽取屑样和块样，并通过ICP光谱仪测定。

真空熔炼炉的设备成本高昂。真空熔炼炉的操作较为复杂。它需要专业的操作人员来监控和调整各项参数，以确保熔炼过程的稳定和产品质量。另外，真空熔炼炉生产周期长，以及配套设备以及配套耗材昂贵。‌能耗高，VAR熔炼过程中需要大量的电力来维持真空环境和电弧放电。综上所述，钛锭熔炼费用过高，导致钛及钛合金价格高。

总体而言，真空自耗电弧熔炼的成本相对较低，适合大规模生产普通钛及钛合金铸锭；电子束冷床炉熔炼的成本较高，但能够生产高质量的钛合金锭，适用于高端应用领域；等离子冷床炉熔炼的成本介于两者之间，具有较好的性价比；真空非自耗电弧熔炼成本较高，主要用于小批量、定制化的高端产品或研发场景。