冷爐床熔煉技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用要求達(dá)到兩個目標(biāo):一是提高鈦合金的冶金質(zhì)量,即成分均勻、無夾雜和控制鑄錠組織;二是提高工藝的經(jīng)濟(jì)性,簡化工藝,廣泛使用各種原料和回收料。此外,等離子冷爐床在熔煉高鋁、高熔點(diǎn)組元的鈦合金方面有不可取代的功能。
20多年來,冷爐床熔煉無論在設(shè)備還是在工藝技術(shù)方面都得到了迅速的發(fā)展。在結(jié)構(gòu)方面,對于工業(yè)生產(chǎn)型熔煉裝置,由于技術(shù)定位,除了對容量、電子槍(或等離子槍)的功率和數(shù)量有不同的選擇外,根據(jù)熔煉原材料的不同(如顆粒料、塊料或壓制的電極棒),采用不同的進(jìn)料方式和進(jìn)料口(如電子束冷爐床有兩個進(jìn)料斗和一個加長的電極棒進(jìn)料器),并按不同的產(chǎn)品(錠型),配置不同的鑄錠結(jié)晶器。但是冷爐床最重要的改進(jìn)是采用雙室(或多室)結(jié)構(gòu),擴(kuò)大爐床,把熔化和精煉部分適當(dāng)分開,從而適當(dāng)延長金屬(合金)在液態(tài)停留的時間,使精煉、凈化進(jìn)行更充分,如圖2-6所示的C型電子束冷爐床和等離子冷爐床。C型冷爐床之所以可能實(shí)現(xiàn),主要在于電子槍技術(shù)的進(jìn)步,特別是電子束的聚束與偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的改進(jìn),使電子槍的工作距離增加到1500mm,掃描頻率達(dá)到10kHz,可以根據(jù)工藝的需要,通過計(jì)算機(jī)設(shè)定熱源的掃描形式和覆蓋范圍。工藝方面,目前應(yīng)用中比較成熟的熔煉工藝路線是CHM+VAR.以充分發(fā)揮冷爐床和真空自耗熔煉各自的優(yōu)點(diǎn),改善在等離子熔煉過程中可能存在提高惰性氣體含量的情況,并改善了鑄錠的表面質(zhì)量。數(shù)值模擬方面,為了改進(jìn)和優(yōu)化冷爐床熔煉工藝,美國NCEMT(National Center for Excellence in Metal-working Technology)公司開發(fā)了一個冷爐床熔煉模擬COMPACT軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)可以模擬熔體流動、熱量和物質(zhì)轉(zhuǎn)移、電磁場、等離子束、夾雜物熔化、鑄錠凝固和宏觀偏析、晶粒長大和微觀偏析等。這套模擬系統(tǒng)已轉(zhuǎn)到鈦合金的生產(chǎn)商(如Allvac),以指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)出優(yōu)異的鈦合金鑄錠。
同時,正在開發(fā)只采用單一的冷爐床熔煉技術(shù)。根據(jù)目前的研究結(jié)果來看,單一的冷爐床熔煉工藝對于航空結(jié)構(gòu)件用鈦合金也是可行的。通過減少熔煉次數(shù)和爐床熔煉生產(chǎn)扁錠的優(yōu)勢,可以節(jié)約加工成本20%~40%.美國從1989年3月到1995年6月期間,通過由空軍Man-Tech項(xiàng)目的資助,進(jìn)行了單一的EBM和單一的PAM爐床熔煉技術(shù)的研究,結(jié)果認(rèn)為是可行的。如美國THT公司采用3.2MW電子束冷爐床一次熔煉成直徑為760mm的Ti-6Al-4V合金錠,鑄錠成分均勻,Al、V質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于0.15%.
與傳統(tǒng)的鈦合金相比,鈦鋁基金屬間化合物是非常難以熔煉和加工的。鑄態(tài)粗晶組織的塑性很差,生產(chǎn)大型鈦鋁鑄錠是一個非常大的挑戰(zhàn)。美國Allvac公司采用兩臺等離子體冷爐床(一臺爐子為4槍,總功率為3000kW;另一臺為2槍,總功率為1000kW)嘗試了生產(chǎn)小型和大型鑄錠,生產(chǎn)的鑄錠尺寸可為ф165~760mm,質(zhì)量為200~5450kg.
此外,J.A.Silvus 等人總結(jié)了 Teledyne-Allvac 公司和Retech公司曾經(jīng)在等離子體冷爐床上進(jìn)行了以種子形式加入各種夾雜的鈦合金熔煉研究,熔制了兩個ф200mmx1000mm的圓錠,目的是研究高密度夾雜、低密度夾雜在等離子體冷爐床熔煉過程中消除的程度。謹(jǐn)慎地加入的雜質(zhì)種子包括鉭、碳化鎢、氮化的海綿鈦顆粒和Ti-6Al-4V的回收料?;w合金的成分為Ti-6Al-4V.等離子氣體為氦氣,爐子的氣氛為111kPa.Φ200mm錠型經(jīng)過變形成ф25mm圓棒,在X射線和超聲波檢查中未發(fā)現(xiàn)任何高密度和低密度夾雜。因?yàn)閷τ讦?5mm的圓棒,是很容易通過無損檢測方法發(fā)現(xiàn)夾雜的。在X射線檢查冷爐床的凝殼時發(fā)現(xiàn)了鉭和碳化鎢型高密度夾雜的顆粒。鉭和碳化鎢高密度夾雜在凝殼中的分布位置如圖2-15所示。未能熔化的高密度夾雜沉積在爐床的凝殼中,純凈的鈦液通過澆注槽流入拉錠坩堝,凝固形成鑄錠。
R.Chinins等人為了深入研究等離子體冷爐床熔煉技術(shù)和開發(fā)航空優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料,正在多方面開展工作:
(1)開發(fā)先進(jìn)的參數(shù)測試儀器,如熔化表面高溫計(jì)、熔池金屬深度傳感器、工藝氣體的化學(xué)分析儀;
(2)確定實(shí)際的工藝窗口,如雜質(zhì)種子與工藝參數(shù)的關(guān)系、爐床熔體保留時間的測量、缺陷跟蹤試驗(yàn)等;
(3)工藝的數(shù)值模擬工作,并取得了多項(xiàng)的突破。
億沐鑫鈦產(chǎn)品分類:鈦棒、鈦管、鈦板、鈦陽極、鈦箔鈦帶、鈦法蘭、鈦絲、鈦靶材、鈦設(shè)備、鈦餅鈦環(huán)、鈦標(biāo)準(zhǔn)件、鈦加工件
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