1、钛合金等离子冷炉床熔炼技术的发展摘要：真空自耗电弧熔炼(VAR)是当前钛合金生产的主要方法。但是与 VAR 工艺相关的冶金缺陷及其造成的危害深受航空界的关注。本文主要探讨改进钛合金冶金质量的途径和介绍等离子冷炉床熔炼技术。关键词：等离子冷炉床熔炼；低密度夹杂物；高密度夹杂物1、 前 言随着钛合金在航空工业中使用量的增加，其重要性显得愈加突出。在航空飞行史上，有不少飞行事故是由于钛合金零件的早期断裂而导致发动机失效的。据美国 FAA(联邦航空局)的报告报道，从 1962 年至 1990 年间，美国共有 25 起飞行事故是由熔炼工艺有关的钛合金缺陷引起零件的失效或早期断裂造成的，而其中影响最为严重
2、的冶金缺陷是硬 夹杂物和高密度夹杂物1 。有数据统计表明，能被检测出硬 夹杂只占总数的十万分之一，大部分的硬 夹杂没有被检测出来。因此，提高钛合金的冶金质量成为钛发展和研究的关键技术之一，直接影响航空发动机和飞机的使用可靠性。特别是在 1989 年美国 Iowa 州Sioux 城发生的 DC-10 坠机事件，造成 111 人遇难。经调查，事故原因是因发动机的 Ti-6AI-4V 钛合金一级风扇盘上存在硬 夹杂，造成了盘件的早期疲劳断裂。这次灾难性事故进一步说明了钛合金部件冶金质量的重要性2 。在该事件之后，在美国 FAA 的资助下，成立了一个钛工业界委员会，以指导钛合金工业界生产优质钛合金3
3、。同时也触动了航空发动机制造商和钛制造商必须尽快致力于寻求解决钛合金中的硬 和高密度夹杂物的方法，其中一个重要的途径是引入了冷炉床熔炼技术。由于航空工业对钛制造商的产品冶金质量等方面的要求和压力，很大程度上限制了单纯采用 2 次或 3 次真空自耗电弧熔炼(VAR)生产钛合金铸锭的应用。经过 10 余年冷炉床熔炼的实践，认为采用冷炉床熔炼技术对于消除硬 和高密度夹杂物效果显著，并逐步在一些工业标准中实施，如美国 GE 公司等在接受 10 多起“硬 缺陷”破坏性事故的严重教训后，已正式在企业标准中规定关键性的发动机转子零件用钛合金必须经过 1 次冷炉床(电子束或等离子束)熔炼4 。目前，我国航空用
4、钛合金的熔炼基本上采用真空自耗电弧炉熔炼(VAR)方法。对于质量要求高的钛合金铸锭，一般要经过 3 次 VAR 熔炼，以获得成分均匀、缺陷率低的铸锭。在我国，用 VAR 工艺生产的钛合金铸锭、随后的半成品和铸件中曾发现过多起的夹杂物和成分偏析等冶金缺陷，严重影响了材料的使用可靠性，造成的经济损失也很大。为了提高我国钛合金的熔炼水平和航空用钛合金的质量控制，我国的航空部门和冶金部门等相关单位非常重视，截止 2005 年，先后有 2 个单位已经各自引进并安装了电子束冷炉床熔炼炉和等离子冷炉床熔铸炉。本文综合评述了钛合金中的典型冶金缺陷及对使用的危害性，通过与冷炉床熔炼技术和 VAR 熔炼技术的对比
5、，分析了等离子冷炉床熔炼技术(PACHM)在熔炼钛合金方面的特点和优势，并简要回顾了在短短十几年内等离子冷炉床熔炼的发展及实际应用情况，介绍了北京航空材料研究院 PAM525 等离子冷炉床熔铸炉的基本结构、特点及前期的研究开发。2、钛合金中的主要冶金缺陷及对使用性能的影响钛合金的冶金缺陷主要是指夹杂物和化学成分偏析，具体分类见图 1。钛合金中的夹杂物一般分为两类，即低密度夹杂物(LDI-Low Density Inclusions)和高密度夹杂物(HDI-High Density Inclusions)。常见的 LDI 主要是钛的氧化物或氮化物，尽管钛的氧化物和氮化物的密度还略高于钛基体(如
6、TiN 的密度为 522gcm ，钛的密度为 45gcm3)，但因与 HDI 相比要低得多的密度而得其名。另外，因钛的氧、氮化物的硬度远高于钛基体，而且很脆，因为这些都是 a 稳定元素，所以还形象地被称为硬 夹杂。HDI 主要是指熔炼过程中因未完全熔解而残余的高熔点金属或金属间化合物，常见的有Mo、Ta、W、WC 等。硬 夹杂具有比钛高得多的熔点，如 Ti02的熔点为 1825，TiN 的熔点约为 2950，而边熔化边凝固方式的 VAR 熔炼时，熔池的温度一般在 1700“C 左右，而且熔池液态保持时间较短，难以将钛的氧化物或氮化物彻底熔化。因 TiN 的熔点更高，因此，更难于熔化，与 Ti0
7、2相比，在实际中出现的几率更大。图 2 显示了 Ti-8Al-1Mo-1V 钛合金某锻件上发现的硬 ，在经过变形之后，在硬 区的中心已形成孔洞。或者零件在工作时，由于硬 夹杂和基体对应力反应的显著差异，容易在夹杂区过早形成裂纹。硬 的存在极大地降低了钛合金的高、低周疲劳寿命，因此，可以认为是钛合金中最为危险的冶金缺陷。钛合金中的硬 夹杂和基体的密度差别不大，因此，对超声波反应的声学性能没有明显差别，除非被检测材料中在硬 处已形成孔洞或裂纹，否则很难用超声波探伤检测出。FA-22 上使用钛合金铸件的早期工程化阶段，在约 200 件钛铸件中共发现了 20 个可疑的和被确认的硬 夹杂，出现的概率约为
8、 10。后期在钛铸件生产的车间里执行了“污染控制计划(Contamination controlPlan)”，通过控制硬 夹杂物的潜在来源及严格执行车间的清理规范等措施，大大减少了硬 夹杂物的出现率。另外，通过引入两种无损检测技术来检查铸件中的硬 夹杂物，一种是定向排列超声检测法(PhasedArray Ultrasonic Tested)，以检查厚的、关键铸件截面；另一种是氟氢化胺腐蚀检验法(Ammonium Bifluoride Etch Inspection)，以检查薄壁表面的硬 5 。据最近报导，蓝色阳极化在检查零件表面的硬夹杂中得到了成功的应用。之外，一些钛合金生产商和航空发动机生产
9、商也发展了超声波检测技术，如采用超声波定位检测技术和多区超声波检测技术等，明显提高了缺陷的发现率。HDI 一般是因在原料中混入了高熔点的金属( 如 W、Mo、Nb、Ta)或金属间化合物(如WC)，而在熔炼过程中又没有得到充分的熔化而造成的。在进行钛的机械加工时经常用到WC 硬质合金刀具，难免在钛屑或残钛中混入 WC 刀具崩块，由钛屑或残钛回收时带入铸锭中。HDI 的存在也会严重降低钛合金零件的疲劳性能和使用可靠性，我国也一向禁止在航空用钛合金配料时采用回收料。通过 X 射线可以检查出钛合金中的 HDI。图 3 和图 4 分别显示了 TCll 钛合金锻件在进行无损检测时被发现的 Mo 夹杂和 T
10、a 夹杂。图 4 中，在经过多次 VAR 熔炼后，纯 Ta 区域(白色)与钛基体之间已经形成过渡层。尽管通过熔炼过程的现场管理及原材料的严格控制，在一定程度上降低了钛合金中的各类夹杂物的出现概率，而且随着无损检测技术的改进和检测灵敏度的提高，发现夹杂物的几率也在增加，但这些措施都无法从根本上解决钛合金夹杂物的问题，因此，必须从熔炼技术本身的改进来降低钛合金中的缺陷率，实现钛合金的高纯化。冷炉床熔炼技术独特的精炼水平可以有效地消除钛合金中的各类夹杂物，解决了长期困扰钛工业界和航空企业的一大难题，因此，冷炉床熔炼技术可以认为是钛合金熔炼技术发展史上的一次飞跃。3 等离子冷炉床熔炼技术的特点VAR
11、熔炼工艺一直是钛合金熔炼的主要方法，对于通用的钛合金铸锭，一般采用 2 次 VAR工艺；对于航空发动机转动零部件用钛合金，为了提高钛铸锭成分的均匀性和尽可能消除偏析等缺陷，一般采用 3 次 VAR 工艺。大量研究表明，VAR 工艺消除钛合金中的高密度夹杂物和低密度夹杂物的能力有限。美国在 20 世纪 80 年代开始进行钛合金新的熔炼工艺拎炉床熔炼技术的研究、开发与应用。经大量的研究表明，电子束冷炉床(EBCHMElectron Beam Cold Hearth Melting)和等离子冷炉床(PACHMPlasma Arc Cold Hearth Melting)熔炼方法在消除钛合金的 HDI
12、 和 LDI 夹杂效果非常好68。特别是在美国 1988 年 Iowa州的 Souix 城事件后，冷炉床熔炼技术开始在美国被广泛承认，并用于实际生产，如 GEAE发动机公司于 1988 年开始采用 HM+VAR 工艺生产航空发动机关键转子零件用钛合金铸锭。31 VAR 熔炼消除钛合金中夹杂物的局限性VAR 熔炼炉可以看作是一个封闭系统，电极材料经过电弧熔化后都进入了铸锭(或下一次熔炼的电极)，无法将熔池与不熔物分离，从而无法过滤掉硬 和 HDI。电极材料熔化后在高温段保留的时间很短，来不及让高熔点的硬 和 HDI 充分熔化。Reddy 测试了 TiN颗粒在 1650静止 Ti 熔池条件下的熔解
13、速度，大约为 0004cmmin9 。Rudinger 等研究了 WC 夹杂物颗粒在 VAR 熔炼过程中的熔解情况，经 1 次 VAR 熔炼仅能熔化 04mm 尺寸的颗粒；经过 2 次 VAR 熔炼，90左右的 06mm 尺寸的 WC 颗粒得以熔化，经过 3 次VAR 熔炼后，06mm 尺寸 WC 颗粒能全部熔化掉，但 08mm 及其更大尺寸的 WC 颗粒即使经过 3 次 VAR 熔炼都无法充分熔化。因此，采用 VAR 熔炼工艺想要得到高纯的钛合金铸锭是非常困难的，即使采用 3 次 VAR 熔炼结果都不是很理想。32 等离子冷床炉工作原理与 VAR 相比，冷炉床熔炼可以看作是一个开放系统10
14、，冷床炉在设计上将水冷铜炉床和坩埚分开，允许输入能量和熔炼速率的独立控制，因此实现了原材料熔化和铸锭熔炼凝固的分离，冷床炉的工作示意图见图 5。在水冷铜炉床中，钛合金原料在图 5 中“B”处经受等离子束的高温高能轰击熔化后在冷床中形成熔池，熔池中熔液的保留时间可以自由控制，在水冷铜炉床中经过精炼、搅拌后的熔液经“E”处的槽口溢流入水冷铜坩埚中，通过坩埚上的等离子枪或电子束枪的再次加热和搅拌，凝固后形成铸锭。硬 或 HDI 夹杂物通过两种模式进入拉锭坩埚中，一种是夹杂物在熔池中在极高的温度下且有充足的时间来熔化，等离子枪产生的等离子束的温度可达到 6000以上，因此，炉床中的熔液可以获得一个非常
15、大的过热度，可以促进高熔点夹杂物的熔解；另一种是因 HDI 与钛液的较大密度差异，HDI 会沉入水冷炉床底部而被凝壳所捕获。熔池保温时间长和熔液温度高可以保证钛合金中的合金化元素能充分熔解和扩散，且通过在冷炉床和坩埚两级熔炼，铸锭的成分偏析能得以很好消除。与采用单一的进料方式(压实的电极)和只能得到圆形铸锭的 VAR 熔炼工艺相比，冷炉床熔炼工艺的喂料形式多，可采用残料、回收料、压制的电极等；根据需要，通过拉锭坩埚的设计，可实现生产多种形状的铸锭，如圆形、方形和矩形。而且冷炉床熔炼采用边熔炼、边搅拌、边凝固拉锭的办法，所以虽然炉床尺寸不大，但所熔炼的合金成分均匀，凝固后拉出的铸锭可以较大。33
16、 等离子冷炉床熔炼技术的优点等离子冷炉床熔炼工艺是利用等离子枪发射的集中的和可控稳定化的等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。与电子束冷炉床相比，主要是热源不同。等离子弧与自由电弧不同，它是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长。与自由电弧相比，等离子弧具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力，从而使它在熔炼、铸造领域中具备了特有的优势。与 EBCHM 工艺相比，PACHM 工艺具有以下的 优点：等离子作为热源熔炼钛合金时，等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作，可以防止 Al、Sn、 Mn、Cr 等高挥发性元素的挥发，可以实现高合金化 和复杂合金化钛合金的元素含量的精确控制；
17、因电子束冷炉床必须在高真空条件下熔炼，因此，熔炼含高挥发性元素的钛合金非常困难，合金的化学成分无法精确控制；等离子枪产生的 He 或 Ar 等离子束是高速和旋转的，对熔池内的钛液能起到了搅拌作用，有助于合金成分的均匀化；等离子冷炉床熔炼时熔池大、深度相对较深，可以实现熔液的充分扩散。等离子是在接近大气压气氛下工作，因此不受原材料种类的限制，可以利用散装料，如海绵钛、钛屑、浇道切块等，也可以用棒料送入；而电子束炉需要在高真空度下(优于01Pa)工作，在熔炼由海绵钛组成的进料时，因海绵钛中释放的气体会使得真空度下降，无法保证电子束枪的正常工作。为了改进和优化 PAM 工艺，目前美国通过计算机模拟技
18、术，对熔体流动、热量和物质转移、电磁场、 熔池表面、夹杂物熔化、铸锭凝固及宏观和微观偏析等进行模拟，并已开发了一个名为 COMPACT 的软件，正在逐渐应用于各个钛生产商的等离子冷炉床熔炼。钛合金纯净度的提高将大大增加发动机的使用可靠性和完整性。4 等离子冷炉床熔炼技术的应用冷炉床熔炼技术是 20 世纪 80 年代才开始发展的一种先进的熔炼技术，在短短不到 20年的时间内得到了迅猛发展。目前世界上能生产冷床炉的公司主要有 4 家，即美国 Retech公司、Consarc 公司，德国 A1D 公司和乌克兰的巴顿焊接研究所。其中 Retech 公司装备了世界上大部分的 PAM 炉子。目前美国拥有了
19、世界上大部分的 PAM 炉子，且开发时间早，如GEAE 发动机公司在 1991 年就与 ALLVAC 公司采用 PAM+VAR 工艺生产的钛合金，用于发动机部件等关键应用领域。经过十几年的大力发展，美国具备了批量生产优质钛合金铸锭的能力，目前装备的冷炉床熔炼能力已占美国钛总熔炼能力的 45，其中 20是采用等离子冷炉床生产的。单台设备的功率也在提高，如美国 RMI 公司在 2001 年安装了一台 2 支枪的等离子冷床炉，总功率 1000kW。可生产圆锭和扁锭，质量可达 7000 kg。采用 PACHM 一次熔炼生产 TiAl 铸锭，最大尺寸达 660 mm，重 2000 kg，挤压和锻造成涡轮
20、盘件11 。俄罗斯的上萨尔达冶金生产联合体(VSMPO)于 2003 年安装了美国 Retech 公司生产的 8t 级的等离子冷炉床熔炼炉，该设备有 5 支等离子枪，功率为 4.8MW，可生产圆锭，也可生产扁锭，圆锭的最大直径可达 810mm，扁锭的最大截面尺寸为 1260 mmx320 mm，重可达 8000 kg，可直接投入板坯生产，预计年生产能力为 3600t12。随着 VSMPO 新的等离子炉的投产，目前世界范围内等离子炉的总生产能力每年可达 11000 t。采用等离子冷炉床熔炼技术生产的钛合金已经应用于美国海军 FA-18 飞机用的 F404和 F414 发动机。今后还将逐步扩大应用
21、于海军 F-14 和空军 F-16 飞机用的 F110 发动机、海军 V-22 直升机的 T406 发动机、空军 F15 和 F16 飞机的 F100 发动机、空军 B-2 飞机的 F118 发动机及空军 F-22 飞机的 F119 发动机。尽管目前美国航空发动机转动部件等关键钛合金铸锭仍采用“HEARTH+VAR”的工艺，但单一炉床熔炼技术正在发展。根据目前的研究结果来看，单一的冷炉床熔炼工艺对于航空结构件用钛合金也是可行的。这样，通过减少熔炼次数和炉床熔炼生产扁锭的优势，可以节约加工成本 20-4013,14 。美国从 1989 年 3 月到 1995 年 6 月期间，通过由空军 ManT
22、ech 项目的资助，进行了单一 EBM 和单一 PAM 炉床熔炼技术的研究，结果认为是可行的。与传统的钛合金相比，TiAl 基金属间化合物是非常难于熔炼和加工的。铸态粗晶组织的塑性很差，生产大型 TiAl 铸锭是一个非常大的挑战。美国 Allvac 公司采用 2 台等离子冷床炉(一台炉子为 4 枪，总功率为 3000 kW：另一台为 2 枪，总功率为 1000 kW)尝试了生产小型和大型铸锭，生产的铸锭尺寸可从 165 mm760 mm，质量从 200 kg-545015 。虽然电子束冷炉床熔炼时成分的控制比较困难，但通过试验，已经可以比较好的熔炼出了 Ti-6AI-4V 铸锭，如美国 THT
23、 公司采用 3.2MW 电子束冷床炉一次熔炼成直径为 760mm的 Ti-6AI-4V 合金锭，铸锭成分均匀，Al、V 含量的标准偏差不大于 015。但在熔炼其他一些复杂成分及 Al 含量较高的合金，如 Ti-Al 基金属间化合物时成分的控制就非常困难。英国伯明翰大学也采用等离子冷床炉熔炼 TiAl 合金铸锭，取得了较好的效果16。5 我国等离子冷炉床熔炼技术的发展北京航空材料研究院于 2003 年安装了 1 台美国 Retech 公司制造的型号为 PAM525 的等离子冷炉床熔铸炉，兼拉锭与浇铸功能于一身。PAM525 炉有 2 支枪，配备 2 台电源，总熔炼功率达 600 kW，外形见图
24、6。PAM525 炉具备拉锭和浇铸 2 个功能，拉锭坩埚尺寸 100 mm、150 mm 和 200 mm三种，最大拉锭长度均可达到 1500mm，熔炼的钛合金铸锭最大质量可达 200kg。采用熔化浇铸坩埚中的钛合金材料，通过底注的方式实现铸件的生产，而且铸造模具安装在液压驱动的速度可调节的离心盘上，因此，可以进行离心铸造。图 7 显示了采用 PAM525 炉子生产的部分不同规格的 TC4 钛合金铸锭。图 8 为熔炼的TiAl 金属间化合物铸锭，气体杂质含量很低(O-0.056， N-0.0074，H-0.0031)。TC4 和 TiAl 合金的杂质元素含量、夹杂物和合金化元素含量控制等方面均
25、取得了较大的成功。参考文献 ReferencesDevelopment 0f Plasma COld Hearth Melting Technology for Titanium AlloysAbstract：Vacuum Arc Remelting(VAR)is a main indUstrial process for titanium alloys prodUCtion at presentBut the great attention 0f the metaIlurgical defects of the ingots related with VAR processing and i
26、ts harm t0 aircraft reIiability have been paid by aeronauticalapplicationsThe approach t0 improve the metallurgical quality of titanium alloys and the introduction of Plasma Cold Hearth Melting technologY are reviewedKey words：plasma arc cold hearth naelting；10w delisity inclusion；high density inclusion
