一、钛及钛合金铸锭熔炼时的冶金特性

1. 冶金特点

① 具有较高的熔点，熔点为1668℃士5℃

② 具有很高的化学活性，特别是对氧、氮、氢、碳等间隙元素的亲和力很大，对熔炼时耐火材料和气氛的选择都造成较大的困难。

③ 金属材料纯度对其加工和使用性能影响极其敏感。

基于上述三大特点，钛及钛合金铸锭的熔炼均采用真空熔炼方法进行。该熔炼方法的优点主要如下。

① 防止了来自大气中的氧、氮、氢等有害气体对金属材料的污染；

② 消除了非金属耐火材料对金属的污染；

③ 为金属材料的提纯提供了有利的热力学和动力学条件；

④ 顺序凝固的熔铸方式有利于不挥发的不溶杂质上浮，并能改善铸锭组织；

⑤ 熔炼在兼做锭模的坩埚内进行，便于采用热封顶方式补缩，减少冒口切除率。

2.压力加工对铸锭的要求

铸锭是制取加工材的半成品。铸锭应满足以下要求。

① 化学成分和杂质含量合格且分布均匀；

② 内部组织均匀，无特异和个别粗大组织；

③ 无金属和非金属夹杂物；

④ 无气孔、裂纹、缩孔、疏松、冷隔等内部缺陷；

⑤ 无折皱和凸凹不平等表面缺陷；

二、钛及钛合金铸锭熔炼方法及特点

目前，钛及钛合金铸锭的熔炼方法有以下五种，其中应用最广泛的是真空自耗电熔炼和冷床炉熔炼法。

1.真空自耗电弧炉熔炼法(简称VAR法)

随着真空技术的发展和计算机的应用，VAR法很快成为钛熔铸成熟的工业生产技术。当今的钛及钛合金铸锭的熔炼绝大部分采用真空自耗电弧炉熔炼法。VAR法的显著特点是功率消耗低、熔化速度高和良好的质量重现性。VAR法熔炼的铸锭具有良好的结晶组织和均匀的化学成分。通常，由VAR法熔炼制得的成品铸锭，至少要经过两次熔炼。

2.非自耗真空电弧炉熔炼法(简称NC法)

目前，水冷铜电极已经取代了钛工业起步阶段的钨-钍合金或石墨电极，解决了工业污染问题，从而使NC法成为熔炼钛及钛合金的重要方法之一，数吨级的NC炉已在欧美运转。水冷铜电极分为两种类型；一种是自旋转的，另一种是旋转磁场的。NC炉也可分为两种：一种是在水冷铜坩埚内熔炼原料，在水冷铜模中浇铸成铸锭；另一种是在水冷铜坩埚内连续投入原料、熔炼和凝固。

3.冷炉床熔炼法(简称CHM 法)

原料的污染和熔炼工艺过程的异常会引起钛及钛合金铸锭出现冶金夹杂缺陷，这个问题一直影响钛及钛合金在航空航天领域的应用。为了消除钛合金飞机发动机旋转部件中的冶金夹杂，冷炉床熔炼技术应运而生。CHM法最大的特点是将熔化、精炼和凝固过程分离，即待熔化的炉料进入冷炉床后先进行熔化，然后进入冷炉床的精炼区进行精炼，最后在结晶区凝固成锭。铸锭可为圆锭、扁锭及空心锭。扁锭可直接轧制成板材，缩短了生产周期，降低了产品成本。CHM法又分为电子束冷炉床熔炼法和等离子冷炉床熔炼法。

(1)电子束冷炉床熔炼法(简称EBCHM法)

电子束熔炼是利用高速电子的能量，使材料本身产生热来进行熔炼和精炼的工艺过程，该熔炼炉就称为EBCHM炉。EBCHM法能够有效地去除钽、钼、钨、碳化钨等高密度夹杂(HDI)和氮化钛、氧化钛等低密度夹杂(LDI)。电子東熔炼可以保证铸锭的纯度，甚至达超高纯。但因电子束熔炼在高真空下工作，因此蒸气压较高的合金元素挥发损失严重，给控制合金化学成分带来了困难。合金锭一次熔炼后还须用VAR 再熔炼一次，而对于工业纯钛，用该法生产的铸锭，由于表面质量好，皮下气孔浅且少，一次锭即可进行后续的压力加工。

(2) 离子冷炉床熔炼法(简称PACHM 法)

PACHM法利用惰性气体电离产生的等离子弧作为热源，可在从低真空到近大气压很宽的压力范围内完成熔炼。该方法的显著特点是可保证不同蒸气压的合金组分，在熔炼过程中无明显的烧损，同样可消除高密度夹杂(HDI)和低密度夹杂(IDI)。该方法具有提供改进传统合金属性的性能，可实现多元合金的熔炼，是一种较经济的传统熔炼方法。采用该方法熔炼，对于钛及钛合金来说，一次熔炼就可以得到成分均匀性较为理想的铸锭，但铸锭的表面下气孔往往较多且深。

4.冷坩埚熔炼法(简称 CCM 法)

20世纪80年代，美国硅铁公司发展了无渣感应熔炼工艺，把CCM法推向工业生产应用，用于生产钛锭和钛的精密铸件。近年来在一些发达国家，CCM法已经开始步人工业化生产规模，铸锭最大直径为1m，长度2m，发展前景令人瞩目。CCM法熔炼在一个彼此不导电的水冷弧形块或钢管组合的金属坩埚里进行，这种组合的最大优点在于，每两个块间的间隙都是一个增强磁场，磁场产生的强烈搅拌使合金的化学成分和温度一致，从而提高了产品质量。CCM法兼有VAR法和难熔材料坩感应熔炼的特点，不需耐火材料，不必制备电极可获得一次熔炼成分均匀而无坩埚污染的高质量铸锭。与VAR法相比，CCM法具有设备成本低，操作简便等优点。

5.电渣熔炼法(简称 ESR 法)

ESR法利用电流通过导电电渣时与带电粒子的相互碰撞，而将电能转化为热能，即以渣电阻产生的热能将炉料熔化和精炼。ESR法使用自耗电极在非活性材料(CaF₂)中进行渣熔炼，它可直接熔铸成不同形状的锭坯，并且具有良好的表面质量，适宜于下道工序直接加工。