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钛及钛合金熔炼技术的发展现状(2)

时间:2013-12-26 10:45来源:洛阳科诺工业 作者:Admin 点击:

电子束冷床炉的炉料可以是已压制好的电极、一次熔炼铸锭、残料及散状的海绵钛甚至是海绵钛垛。

2)EBCHM技术的特点

与VAR工艺相比,EBCHR工艺有其独特的特点和优势:

①可以采用多种形式的原材料,无需制备电极,缩短了原料准备时间;

②能够大量使用经济的原材料,如含有碳化钨杂质的切削料,残料添加比例可达100%。

③能够有效去除易挥发杂质以及HDIs和LDIs。钛熔体长时间大面积暴露在真空下,可有效去除易挥

发杂质,使H、Cl、Ca、Mg、K等杂质达到很低的水平;在炉床中,低密度夹杂(如TiN)可以溶解或上浮,高密度夹杂(如WC)可以下沉,粘结到底部的凝壳上;

 

④通过控制功率密度,控制钛熔体在炉床中的停留时间,保证合金元素充分均匀化,避免偏析,且熔炼过程灵活,可根据需要而停止或重启;

⑤可以生产扁锭或空心锭,减少板材与管材生产时的后续加工,减少金属加工的损耗。采用矩形截面的锭坯用于板材生产能够显著提高金属收得率。

⑥通过进料口和溢流嘴的控制,可以实现一次成锭,一炉多锭,降低熔炼费用,提高生产效率。然而电子束冷床熔炼是一个复杂的过程,特别是在熔炼合金时,存在高蒸气压合金元素易挥发、化学成分难控制的问题。以Ti.6AI.4V合金为例,约30%的Al成分在EB熔炼过程中挥发,在这种情况下,就需要精确预测并且补偿烧损的元素,然后非常精确的控制工艺,保持整个铸锭的元素损失均匀并与预测值相符。

3) EBCHM技术发展现状

EBCHM技术是在减少夹杂,提高钛铸锭质量和降低钛材成本的双重要求下应运而生的,从20世纪80年代开始引起各国的高度关注,近年来的技术发展主要表现在以下几个方面:

①海绵钛垛直接熔炼铁锭。为了更进一步地降低生产钛锭的成本和劳动量,乌克兰巴顿所首次在世界上研制出EBCHM熔炼0.7 t重海绵钛垛的工艺,这样就去掉了海绵钛破碎、准备的工序。在熔炼过程中,钛垛被连续的进给到加热工作室进行预热,经过除气和去除表面的附着物和杂质,然后在电子束的扫描下,熔化整个表面。熔炼在稳定条件下进行,观察不到像熔炼破碎的海绵钛颗粒时液态金属和固态颗粒爆裂飞溅的现象。

研究结果表明海绵钛垛的熔炼速率与块状废料的熔炼速率相接近。熔化钛垛比熔炼粒度为10~70 mm的破碎海绵钛的损失率低30%一40%,工艺经济指标提高20%。生产的纯钛试验型板坯组织均匀,无气孔、裂缝、非金属夹杂等缺陷,杂质含量均在标准要求的范围内。目前,乌克兰可以直接熔炼重达4 t的海绵钛垛,但还没有制定与海绵钛垛相关的一系列标准。此外,采用未经破碎的海绵钛垛熔炼钛合金锭的工艺也正在研究中,其中合金元素的添加足关键技术。

 

②利用模拟技术和工艺控制生产高质量的钛合金。

在EBCHM炉中熔炼大矩形截面和大重量的合金铸锭有一定的挑战性。在高真空的EB炉中,高蒸气压元素如AI、Mo、Cr,优先从熔池中蒸发。成功钛合金的熔炼主要是控制最终产品的化学成分和均匀性。蒸发损失是一个包含有原材料结构、原材料进料方式、电子枪性能、熔炼速率以及冷床和铸件的表面积等许多变量的复杂函数。此外Al的损失也会导致高浓度的Al在炉内冷凝聚集并落入熔池引起局部化学偏析和宏观Al的变化。如何合理控制元素挥发并使铸锭达到既定的化学成分,是各国冶金学者重点研究的课题之一。

乌克兰巴顿所的科学家们对在真空条件下用电子束加热表面时合金成分的挥发情况作了基础性研究,提供了在电子束冷床熔炼钛合金的过程中决定合金元素挥发的动力学规律,并根据这些规律建立了合金成分挥发过程的数学模型。模型中,钛合金锭中合金元素的浓度是由熔炼技术参数和消耗原料中的合金浓度所决定的,运用这些模型能够预测熔炼合金锭的化学成分,并通过合金补偿的方式确保生产铸锭达到既定的化学成分。他们利用这个有效的优化模型,成功熔炼了符合GOST标准的VT6和VT22合金锭。

③单次锭熔炼技术(single step electron beam cold hearth melting,EBSM)。由于VAR法不能有效去除HDIs和LDIs,双VAR法或多次VAR法在一些关键领域的应用受到了限制。“Hearth+VAR”方法,10年前因航空发动机制造商的要求首次实现应用后,近年来已被人们认可为工业标准级的生产方法。但是“Hearth+VAR”法与“single melting”相比成本相对高,不能满足日益增加的成本敏感型应用需求。

单次电子束冷床熔炼工艺(EBSM),作为一种节约成本的方法,已经成功用于生产纯钛板坯,纯钛坯在轧钢厂经轧制后可经济地转换成传统工业市场上用的带材或板材,EBSM法生产工业纯钛已经通过AMS标准的认可。正如前面所说,大型单次EBCHM扁锭生产有许多有利之处,它可以灵活的采用多种原材料、能够直接出扁锭、减少加工工序、提高金属收得率。

 

新近,EBSM工艺也被用于生产合金。在美国,经EBSM工艺生产的Ti6A14V合金已被制成了从装甲到体育休闲的多种工业产品,并且还用于生产TIMETALLCB(Til.5A16.8M04.5Fe)悬浮弹簧丝。

随着EBSM生产合金经验的不断积累,现在这一技术正在向航空航天领域过渡。1999年由美国空军研究室资助的MAI项目,对EBCHM熔炼的单次扁锭(EBCHM single.melting slab)生产Ti6A14V标准板材作了系统研究,项目的设计目的是生成一个机械性能数据库,构建设计数据,在与空军用户共同合作的基础上开发单次熔炼产品的航空材料技术标准(ASM),使EBSM—Ti6A14V板材代替多次VAR或“Hearth+VAR”板材产品,在军用和民用领域得到推广应用。经过多年研究,MAI已证实EBSM工艺能够生产出满足成分要求的产品,板材的静态和动态性能均超过现有的Ti6A14V标准板材的最小设计值。