鈦及鈦合金的熔煉鑄造新方法及新裝備

鈦元素在地殼中的儲(chǔ)量?jī)H次于鐵、鋁、銅，位居金屬元素的第四位。而且，欽合金具有一系列優(yōu)異的性能，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。鈦合金依其應(yīng)用背景可分為高溫鈦合金、結(jié)構(gòu)鈦合金和功能鈦合金三種。鈦是非常活潑的金屬，在液態(tài)下，和氧、氮、氫和碳的反應(yīng)相當(dāng)快，因此鈦合金熔煉必須在較高的真空度或惰性氣體（ar或ne）保護(hù)下進(jìn)行。熔煉用坩堝均采用水冷銅坩堝，具體的熔煉工藝主要有三種方式：（1）非自耗電極電弧爐熔煉 合金熔煉在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。該工藝主要為自耗電極熔煉制備電極。（2）真空自耗電極電弧爐熔煉 以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極，以水冷銅坩堝為陽極。熔化了的電極以液滴形式進(jìn)入坩堝，形成熔池。熔池表面被電弧加熱，始終呈液態(tài)，底部和坩堝接觸的四周受到強(qiáng)制冷卻，產(chǎn)生自下而上的結(jié)晶。熔池內(nèi)的金屬液凝固后成為鈦錠。（3）真空自耗電極凝殼護(hù)熔煉 熔煉裝置示意。這種熔爐是在真空自耗電極電弧爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是一種將熔煉與離心澆注聯(lián)成一體的鑄造異形件的爐型。其最大的特點(diǎn)是在水冷銅坩堝與金屬熔體之間存在一層鈦合金固體薄殼，即所謂凝殼，這層同材質(zhì)的凝殼作為坩堝的內(nèi)襯，用于形成熔池儲(chǔ)存鈦液，避免了坩堝對(duì)鈦合金液的污染。澆注后，留在增損內(nèi)的一層凝殼，可作為坩堝內(nèi)襯繼續(xù)使用。

近年來，隨著科技的發(fā)展及生產(chǎn)的需要，相繼研究開發(fā)了熔煉鈦合金及其他活性金屬的新方法及裝備，主要有電子束爐、等離子體爐、真空感應(yīng)爐等，并獲得一定程度的應(yīng)用。但從耗電量、熔化速度、成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比來看，自耗電極電弧爐（含凝殼爐）熔煉仍是目前最經(jīng)濟(jì)適用的熔煉方法。由于鈦元素的物理-化學(xué)特性，使得鈦合金的鑄造工藝，無論是造型材料率是工藝方法均有其獨(dú)特的要求和特點(diǎn)。一是要求耐火度非常高的造型材料；二是澆注必須在較高的真空度或惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行，有時(shí)還要附以離心力。接型殼材料不同，熔模型殼又分為三種不同的系統(tǒng)。
（1）純石墨型殼系統(tǒng)。用不同粒度的石墨粉作為耐火填料和撒砂材料，以樹脂為粘接劑。型殼強(qiáng)度高、重量輕、成本低，原料來源廣泛。適于離心或重力澆注。
（2）氧化物陶瓷型殼系統(tǒng)。型殼的面、背層均由氧化物作為造型材料，因而型殼強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率在三種型殼中最小，適于澆注形狀復(fù)雜的薄壁鑄件。
（3）難熔金屬面層型殼系統(tǒng)。為復(fù)合型系統(tǒng)，除面層因造型材料不同（鎢粉等難熔金屬）需采取特殊工藝外，背層從造型材料到制殼工藝均同于鑄鋼的熔模鑄造。
用以上三種型殼系統(tǒng)澆注的鈦鑄件，在化學(xué)成分和力學(xué)性能方面差別很小；但表面質(zhì)量有明顯差別，后兩種型殼的收縮率明顯小于石墨型殼，因而鑄件尺寸精度。