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量僅次于鐵、鋁、銅，位居金屬元素的第四位。而且，欽合金具有一系列優異的性能，因而獲得越來越廣泛的應用。鈦合金依其應用背景可分為高溫鈦合金、結構鈦合金和功能鈦合金三種。鈦是非常活潑的金屬，在液態下，和氧、氮、氫和碳的反應相當快，因此鈦合金熔煉必須在較高的真空度或惰性氣體（ar或ne）保護下進行。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下進行。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入坩堝，形成熔池。熔池表面被電弧加熱，始終呈液態，底部和坩堝接觸的四周受到強制冷卻，產生自下而上的結晶。熔池內的金屬液凝固后成為鈦錠。（3）真空自耗電極凝殼護熔煉 熔煉裝置示意。這種熔爐是在真空自耗電極電弧爐基礎上發展起來的，它是一種將熔煉與離心澆注聯成一體的鑄造異形件的爐型。其最大的特點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，這層同材質的凝殼作為坩堝的內襯，用于形成熔池儲存鈦液，避免了坩堝對鈦合金液的污染。澆注后，留在增損內的一層凝殼，可作為坩堝內襯繼續使用。

近年來，隨著科技的發展及生產的需要，相繼研究開發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、真空感應爐等，并獲得一定程度的應用。但從耗電量、熔化速度、成本等技術經濟指標對比來看，自耗電極電弧爐（含凝殼爐）熔煉仍是目前最經濟適用的熔煉方法。由于鈦元素的物理-化學特性，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特的要求和特點。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下進行，有時還要附以離心力。接型殼材料不同，熔模型殼又分為三種不同的系統。
（1）純石墨型殼系統。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。型殼的面、背層均由氧化物作為造型材料，因而型殼強度高，熱導率在三種型殼中最小，適于澆注形狀復雜的薄壁鑄件。
（3）難熔金屬面層型殼系統。為復合型系統，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澆注的鈦鑄件，在化學成分和力學性能方面差別很小；但表面質量有明顯差別，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。