等離子冷床爐熔煉高密度夾雜物去除研究
冷床爐是一種先進(jìn)的鈦合金熔煉技術(shù)，經(jīng)一次熔煉可生產(chǎn)出無夾雜、無偏析、低成本的優(yōu)質(zhì)鈦合金鑄錠。本文簡(jiǎn)要介紹了等離子冷床爐熔煉的工藝特點(diǎn)，開展了高密度夾雜去除研究的相關(guān)試驗(yàn)，在TC11合金原料中加入了高密度夾雜物，并進(jìn)行了單次等離子冷床爐熔煉，檢驗(yàn)了鑄錠和凝殼中殘留的夾雜物，通過分析、計(jì)算，闡述了熔煉速度、熔體滯留時(shí)間及夾雜物沉降時(shí)間對(duì)去除夾雜物的影響，研究了等離子冷床爐對(duì)高密度夾雜物的去除效果。一、前言
高密度夾雜（HighDensityInclusions,HDI）是鈦合金中的一種重要的冶金缺陷，包括金屬W、Mo、Nb、Ta，這是由于高熔點(diǎn)金屬混入引起的。另外，鈦材在機(jī)械加工時(shí)，硬質(zhì)合金刀具崩塊（主要成分為WC）也容易進(jìn)入鈦屑或回收殘鈦料中。HDI熔點(diǎn)很高，即使經(jīng)過兩次或三次真空自耗電弧熔煉（VacuumArcRemelting,VAR）也很難得到熔化和溶解。
Rudinger的研究結(jié)果表明，尺寸為0.6mm的WC顆粒，兩次VAR可溶解掉約90%，三次VAR可全部消除，但0.8mm或者更大尺寸的WC顆粒經(jīng)過三次VAR也無法充分溶解。一種被稱作迄今為止最先進(jìn)的鈦合金熔煉技術(shù)——冷床爐熔煉(Coldhearthmelting,CHM)技術(shù)的出現(xiàn)，為這些問題提供了有效的解決途徑。研究表明，兩種冷床爐工藝——電子束和等離子冷床爐熔煉技術(shù)在去除鈦合金中的硬α夾雜物和HDI的效果非常顯著。美國(guó)GE公司1988年開始采用CHM+VAR熔煉鈦合金，上世紀(jì)90年代初在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)子零件用鈦合金必須經(jīng)過一次冷床爐熔煉。
冷床爐熔煉與真空自耗熔煉原理不同，圖1是小型等離子冷床爐熔煉簡(jiǎn)圖，原料從喂料槽進(jìn)入熔煉室，被等離子槍所熔化，流入熔煉床，在這個(gè)水冷銅爐床中被等離子槍加熱、均勻，再流入坩堝，被攪拌、凝固。由于等離子束的加熱溫度最高可達(dá)6000℃以上，冷床中的熔池可被加熱到足夠高的溫度(熔煉時(shí)一般液體可達(dá)到2000℃)，并且液體在爐床中可以保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。因此，低密度夾雜TiO2、TiN等得到熔化或溶解，而高密度夾雜顆粒由于密度遠(yuǎn)大于鈦，熔煉時(shí)會(huì)沉入爐床底部的糊狀區(qū)，凝固后留在凝殼里而不進(jìn)入鑄錠，達(dá)到了有效去除高密度夾雜的目的。
PACHM工藝在去除夾雜方面的優(yōu)勢(shì)如圖2所示。VAR熔煉時(shí)，電極中的物質(zhì)除了能揮發(fā)外，其它所有物質(zhì)(包括高低密度夾雜)熔煉后又留在鑄錠中，去除LDI的唯一途徑只在通過熔池溶解，但溶解效果非常有限，即使經(jīng)過很多次熔煉也不容易將這些夾雜去除，所以VAR熔煉對(duì)原料的要求非常嚴(yán)格。與VAR相比，CHM工藝可看作是一個(gè)開放的系統(tǒng)[5]，即使原料中混入了高密度夾雜物，在熔煉時(shí)，這些夾雜物可以通過沉淀進(jìn)入凝殼中，從而巧妙地與鑄錠分離。
在美國(guó)，冷床爐熔煉能力已占到鈦總?cè)蹮捘芰Φ?5%。我國(guó)的冷床爐熔煉工藝還處于起步階段，目前只有幾臺(tái)設(shè)備，尚未開始工業(yè)化生產(chǎn)。西北有色金屬研究院、陜西寶雞鈦業(yè)、北京航空材料研究院分別引進(jìn)了冷床熔煉爐。寶鋼股份有限公司特鋼事業(yè)部也已引進(jìn)大型生產(chǎn)用電子束和等離子冷床爐。隨著我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)優(yōu)質(zhì)鈦合金的需求增加，冷床爐熔煉錠及產(chǎn)品的需求量也將迅速增加。
國(guó)內(nèi)關(guān)于等離子冷床爐的研究非常少，本文旨在通過對(duì)熔煉過程中的高密度夾雜物的去除研究，進(jìn)一步了解、認(rèn)識(shí)冷床爐的熔煉機(jī)理。二、試驗(yàn)方法
選擇綜合性能良好的α-β型鈦合金---TC11合金作為試驗(yàn)材料，該合金在500℃以下具有優(yōu)良的熱強(qiáng)性能和熱加工性能，常規(guī)的熔煉工藝需經(jīng)過三次VAR，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。本文采用單次冷床爐工藝熔煉TC11合金，并對(duì)該工藝得到的鑄錠進(jìn)行研究。采用了北京航空材料研究院的PAM525等離子冷床爐進(jìn)行熔煉。熔煉時(shí)Ar氣作為保護(hù)氣氛，爐室中的氣壓接近大氣壓，等離子槍氣體采用He氣。熔煉時(shí)兩只等離子槍的設(shè)定功率分別為400KW、200KW，水冷坩堝中的攪拌電流為108A。
為了研究冷床爐熔煉工藝對(duì)高低密度夾雜的去除效果，熔煉前在原料中加入了純W和硬質(zhì)合金刀具碎塊。熔煉總共需四只壓塊(Φ130×300mm)，在其中分別鉆孔，孔大小為Φ7×10?，加入的夾雜物尺寸及位置如下：
1）硬質(zhì)刀具YG8合金，成分為WC+Co，密度為14.5～14.9g/cm3,WC含量達(dá)92%，WC的熔點(diǎn)為2870℃。將刀具碎塊人工粉碎，制成12顆碎塊顆粒，共6種規(guī)格，最大一顆四邊長(zhǎng)分別為5.0、3.75、2.6、4.5mm，厚度0.52～1.30mm，最小的一顆尺寸為0.60×0.66×1.18mm；
2）燒結(jié)純W塊，其密度約為16g/cm3，熔點(diǎn)3410℃。人工粉碎，從鎢條上取下大小不同的12顆，尺寸大約為1～6mm；各夾雜加入以下四只壓塊中的1/2、1/2、1/4和1/2處，如圖4。熔煉時(shí)，各壓塊從左到右依次送入爐中熔化。
經(jīng)過一次冷床爐熔煉后，得到一支φ150*600mm、50kg的小錠和一個(gè)220*280*30mm凝殼。為使高密度夾雜物區(qū)域發(fā)生變形，并易于X射線檢測(cè)，將鑄錠和凝殼進(jìn)行熱變形，工藝如下：
1）800℃入爐，1.5小時(shí)升至970℃，保溫2小時(shí)；
2）970℃下，用型號(hào)為THP10的2000T液壓機(jī)將Φ150?棒材鍛壓成截面為190*80mm的扁平材，凝殼鍛壓成320*240*24mm。
使用型號(hào)為YXLON450_D08的X射線設(shè)備對(duì)整支錠進(jìn)行無損探測(cè)，操作電壓為450kv、曝光時(shí)間為6min。用X射線多次、不同角度對(duì)樣品進(jìn)行拍照，精確確定夾雜物的具體位置，切割、取樣、做金相制備，采用顯微硬度儀測(cè)量夾雜物、過渡區(qū)、基體的硬度。用OLYMPUS金相顯微鏡觀察殘留的夾雜物，然后用SAMSCAN掃描電子顯微鏡鏡（SEM）對(duì)夾雜物拍照、并做能譜成分分析，確定夾雜物的種類。另外，用X射線檢測(cè)凝殼中的高密度夾雜物。三、試驗(yàn)結(jié)果與分析1.鑄錠和凝殼中的HDI與分析
用X射線檢測(cè)，在凝殼中發(fā)現(xiàn)了幾乎全部的夾雜物，如圖4（a）中的亮點(diǎn)，凝殼中的裂紋是在熱變形的過程中產(chǎn)生的。夾雜物的分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律：主要分布在凝殼的中線左右，這是因?yàn)閴簤K熔化后基本上是沿中線進(jìn)入爐床熔池的；從液體流向看，大部分夾雜物分布在液體進(jìn)入爐床的前中部位置。二維方向的分布規(guī)律表明，夾雜物進(jìn)入熔池后，大尺寸的顆粒大部分不前移或沿液體的流向前移很短的距離，就沉入爐床，小顆粒被液體帶到爐床中的其它位置沉淀下來。但是，有的夾雜物即使顆粒較大，也甚至被帶到爐床靠近坩堝一側(cè)的邊緣。
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