鈦是一種高活性金屬，在熔煉過程中能和多種元素發(fā)生反應(yīng)，包括各種金屬氧化物為基礎(chǔ)的耐火材料。因此鈦合金的熔煉必須在高真空或在惰性氣體（主要是氬氣氛）保護(hù)下進(jìn)行。同時(shí)在真空條件下進(jìn)行熔煉，還可以去除一些雜質(zhì)提高鈦合金的純凈度。盡管真空熔煉設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜和生產(chǎn)成本高，但是要制取優(yōu)質(zhì)的鈦錠，真空熔煉是唯一可行的途徑，別無它法。采用真空熔煉來熔煉合金具有較多優(yōu)勢，首先是消除了大氣中有害氣體和耐火材料對金屬的污染，保證了所熔煉合金的純度，為合金的提純提供了較好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件；合金順序凝固的熔鑄方式提高了難熔雜質(zhì)的去除能力，顯著改善了合金的鑄態(tài)組織；同時(shí)合金的熔煉和凝固過程都在坩堝內(nèi)進(jìn)行，可對合金進(jìn)行熱封頂方式補(bǔ)縮，大大降低了合金冒口的切除率，提高了合金的收得率。一、鈦合金的熔煉特點(diǎn)鈦合金成分和凝固組織的均勻性以及合金中雜質(zhì)元素的含量都會對鈦合金的性能產(chǎn)生較大的影響。所以要使鈦合金的性能優(yōu)良和保持穩(wěn)定，就必須對鈦合金的熔煉進(jìn)行更高的要求。熔煉鈦合金具有以下特點(diǎn)：（1）各合金組元的含量較高；（2）各合金元素的物性參數(shù)差別比較大；（3）各合金元素在溶解過程中需要的反應(yīng)熱較高；（4）對間隙元素尤其是 C、N、O 的敏感性極高；（5）合金純度要求較高，且成分容錯(cuò)度??；（6）合金性能受組織的影響較大；（7）合金熔點(diǎn)高。如此復(fù)雜多樣的特點(diǎn)給獲得優(yōu)異的鈦合金熔體和高質(zhì)量的鑄錠增加了二、現(xiàn)有熔煉技術(shù)的特點(diǎn)近年來，隨著科技進(jìn)步和實(shí)際生產(chǎn)對優(yōu)質(zhì)鑄件的需要，出現(xiàn)了熔煉反應(yīng)性金屬（鈦、鋯、鉿）以及難熔合金（鉭、鈮、鎢、鉬）的多種方法，如真空感應(yīng)水冷銅坩堝凝殼爐熔煉（ISM）、等離子熔煉、真空電弧熔煉（VAR）、電子束熔煉（EBM）和冷床熔煉（CHM）等，也有人在研究運(yùn)用磁場技術(shù)使合金懸浮、不與坩堝壁接觸來熔煉反應(yīng)性金屬。而且真空技術(shù)在所有的熔煉方法中都得到了應(yīng)用。1、真空感應(yīng)凝殼熔煉(Induction Skull Melting)ISM 方法主要是利用感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)在所要熔化合金中產(chǎn)生的渦流熱，加熱合金最終熔化合金。ISM 方法的優(yōu)點(diǎn)很多：（1）合金在熔煉時(shí)可隨時(shí)補(bǔ)充添加合金元素，為合金化提供了較大的自由度。同時(shí)電磁攪拌作用確保了合金成分和熔池溫度的分布均勻，提高了熔煉效率。（2）合金收得率高。熔煉時(shí)便于控制合金元素的加入時(shí)間、加入順序和加入條件等，為高蒸汽壓合金元素的有效利用和難熔合金元素的完全熔化創(chuàng)造條件。這既保證了合金成分的準(zhǔn)確，又大大節(jié)約了成分。（3）降低了合金中的最終氣體含量。熔煉過程中的自我攪拌作用會把坩堝深處溶解的氣泡帶到液面上來，最終排除熔體。（4）熔煉效率較高。熔煉一爐合金用時(shí)比真空自耗凝殼爐短，成本比真空自耗電極電弧凝殼爐低。2、真空自耗電極電弧熔煉(Consumable Arc Melting) VAR 法是在真空爐中利用低電壓、大電流形成的電弧作為熱源來加熱熔煉合金，所熔煉合金制成的棒狀電極在熔煉過程逐漸被消耗，迅速熔化后滴進(jìn)水冷結(jié)晶器中凝固成錠。VAR 法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）合金熔煉采用水冷銅坩堝，所以不受鑄型和氧化物耐火材料等的污染，同時(shí)熔煉是在惰性氣氛或真空條件下進(jìn)行的，降低了合金中的氣體含量；（2）能夠生產(chǎn)大噸位、大尺寸合金鑄錠；（3）由于水冷坩堝也是合金凝固的結(jié)晶器，所以坩堝底部和邊緣的快速冷卻會使合金定向結(jié)晶，最終消除常見的氣孔和中心縮松等鑄造缺陷。VAR 法的缺點(diǎn)是：（1）電極的制備較難，要保證電極平直，有足夠的強(qiáng)度和導(dǎo)電性，同時(shí)還要保證合金元素在電極中分布合理；（2）鑄錠為柱狀晶組織，因此不利于后續(xù)的壓力加工開坯；（3）熔煉過程中如果工藝控制不當(dāng)會出現(xiàn)偏析等冶金缺陷，如成分偏析和凝固偏析。成分偏析可能是電極中合金元素分布不均和熔煉過程中電極掉塊引起的；凝固偏析是由于原材料不清潔或電極制備工藝不當(dāng)，最終會使合金中引入低密度夾雜物(LDI)和高密度夾雜物(HDI)缺陷，上述夾雜物在真空電弧熔煉過程中無法徹底清除，只能采用先進(jìn)的冷床技術(shù)來消除。3、真空非自耗電極電弧熔煉(Non-Consumable Arc Melting)非自耗電極電弧熔煉和自耗電極電弧熔煉的最大區(qū)別就是電極，由于 W 和石墨具有較高的熔點(diǎn)和良好的導(dǎo)電性，所以早期的電極材料普遍采用鎢棒或石墨棒。在水冷銅坩堝中進(jìn)行非自耗電弧熔煉，是出現(xiàn)最早的一種熔煉鈦的方法。實(shí)際應(yīng)用表明，這兩種材料制成的電極會對熔煉合金造成污染?，F(xiàn)在研制成的兩種水冷銅電極，解決了電極對合金造成污染的問題，因?yàn)楹辖鹬秀~的痕量是在允許范圍內(nèi)的?，F(xiàn)在有兩種水冷銅電極：一種是自身旋轉(zhuǎn)非自耗電極，另一種是旋轉(zhuǎn)磁場的，叫做旋轉(zhuǎn)電?。ɑ蚍Q Durarc 旋轉(zhuǎn)）電極，目的是使弧點(diǎn)在電極上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以避免電極頭部局部過熱和燒損而污染被熔合金。4、電子束熔煉(Electron Beam Melting)EBM 是利用在真空下受熱陰極表面發(fā)射的電子流，在高壓電場的作用下產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，并通過聚焦、偏轉(zhuǎn)使高速電子流準(zhǔn)確的射向陽極，電子在高速運(yùn)動(dòng)過程中會發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，其高速動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能最終被陽極吸收，使陽極高熔點(diǎn)金屬熔化。由于陽極金屬是受電子轟擊而熔化，所以電子束爐也稱電子轟擊爐。與其他真空熔煉方法相比有以下主要優(yōu)點(diǎn)：（1）由于熔煉是在高真空下進(jìn)行，保證了在熔煉溫度下，能使氣態(tài)或蒸汽壓較高的雜質(zhì)被除去，可獲得很高的凈化效果；（2）熔煉速度和加熱速度可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。被熔化的金屬材料在液態(tài)的保持時(shí)間可以在很大范圍內(nèi)控制，有利于液態(tài)中的碳和氧完全反應(yīng)，使擴(kuò)散能力低的雜質(zhì)能擴(kuò)散到熔體表面，參與蒸發(fā)作用；（3）功率密度高，熔池表面溫度高并可以調(diào)節(jié)。同時(shí)電子束的掃描，對金屬熔體有攪拌作用；（4）金屬熔體在水冷銅坩堝中凝固形成鑄錠，所以熔融金屬不會被耐火材料污染。（6）可以得到很高的溫度，能熔化任何難熔金屬，也可以熔化非金屬。電子束熔煉除上述優(yōu)點(diǎn)外，還有以下缺點(diǎn)：（1）熔煉合金時(shí)，添加元素易于揮發(fā)，合金的成分及均勻性不易控制；（2）電子束爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需采用直流高壓電源，運(yùn)行費(fèi)用較高；（3）電子束爐熔煉時(shí)需要對人體采取特殊的防護(hù)措施避免工作中產(chǎn)生的對人體有害的 X 射線。5、等離子熔煉(Plasma Arc Melting)等離子熔煉是利用溫度高、速度快、純凈的等離子體的能量來熔化反應(yīng)金屬或合金。等離子弧熔煉的功率可以做得較大，一般等離子弧心的溫度可達(dá)24000-26000K（遠(yuǎn)大于自由電弧的溫度：5000-6000K），速度可達(dá) 100-500m/s。該方法的優(yōu)點(diǎn)是熔煉溫度高、能量集中、熔化速度快、合金元素?fù)p失非常小，產(chǎn)品的純潔度好，品質(zhì)好等。6、冷床熔煉（Cold Hearth Melting）冷床熔煉技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代才開始發(fā)展起來的一種先進(jìn)熔煉技術(shù)。根據(jù)熱源的不同，冷床熔煉可分為電子束冷床熔煉和等離子束冷床熔煉兩種熔煉方式。冷床熔煉的優(yōu)勢是能提高鑄錠成分的均勻性和有效地消除鈦合金中的各種夾雜物包括高密度夾雜（HDI）和低密度夾雜（LDI）。7、磁懸浮感應(yīng)熔煉(Magnetic Suspension Induction Melting)磁懸浮熔煉技術(shù)也是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新的熔煉技術(shù)。所謂懸浮熔煉，就是在熔煉過程中坩堝產(chǎn)生的磁場對被熔爐料產(chǎn)生一個(gè)推向中心的作用力，使?fàn)t料不與坩堝壁接觸，實(shí)現(xiàn)懸浮熔煉。磁懸浮感應(yīng)熔煉的優(yōu)點(diǎn)是：（1）爐料與坩堝無接觸，完全在磁懸浮狀態(tài)下熔化，實(shí)現(xiàn)無污染熔煉，可以獲得高純、無夾雜的金屬錠；（2）爐料形狀選擇隨意，不必壓制電極；（3）易于控制合金成分，同時(shí)電磁攪拌作用可以確保合金成分均勻；（4）熔化效率高，操作方便；（5）可以工作在任意氣氛、氣壓下；（6）可以對物料進(jìn)行充分的過熱，能熔化高熔點(diǎn)金屬（2000℃以上）可以保持高溫較長時(shí)間，加上強(qiáng)烈的攪拌，有助于爐料中難熔成分的溶解。能夠消除航空鈦合金中危害大的夾雜。三、陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉鈦合金的研究現(xiàn)狀高溫鈦合金在澆注溫度下具有低的流動(dòng)性，所以在熔煉時(shí)必須使熔體保持一定的過熱度來防止?jié)沧⑦^程中產(chǎn)生的冷隔和澆不足缺陷。目前熔煉高溫鈦合金常用的方法有真空自耗電弧熔煉（VAR）法和真空感應(yīng)凝殼熔煉（ISM）法，和VAR 和 ISM 等方法相比，采用陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉鈦合金有容易控制合金成分、提高過熱度和成本的優(yōu)勢。陶瓷坩堝材料的選擇必須滿足以下條件：（1）坩堝材料必須能耐高的溫度，熔點(diǎn)要在 Ti 和大部分合金元素的熔點(diǎn)之上；（2）不應(yīng)在熔煉過程中和合金熔體發(fā)生反應(yīng)；（3）必須能耐熱沖擊。由于合金熔體的高化學(xué)活性，所以最終的過熱處理必須非常迅速。這個(gè)過程將導(dǎo)致接觸熔體和不接觸熔體的坩堝部分產(chǎn)生較高的熱梯度。根據(jù)上述原則和文獻(xiàn)報(bào)道，一些金屬氧化物如 Al2O3、ZrO2、CaO 和 Y2O3適合作為坩堝材料來熔煉鈦合金。研究人員采用 Al2O3坩堝真空感應(yīng)熔煉了Ti-48Al-2Cr 合金，結(jié)果顯示在各種情況下獲得的合金鑄錠組織均包含α2和γ相片層以及 Al2O3顆粒。顆粒的出現(xiàn)可能歸因于熔體與坩堝的機(jī)械交互作用，同時(shí)組織中沒有發(fā)現(xiàn)鈦氧化合物降低了熔體與坩堝發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性。Al2O3顆粒體積分?jǐn)?shù)隨著冷卻速度的增加而下降，隨著熔體在坩堝內(nèi)保溫時(shí)間的增加而增加。研究還發(fā)現(xiàn)坩堝的純度對 Al2O3顆粒的產(chǎn)生具有重要的影響，坩堝純度越高，所產(chǎn)生的Al2O3顆粒越少。研究人員采用帶有Y2O3涂層的ZrO2坩堝研究了過熱參數(shù)（溫度和保溫時(shí)間）對 Ti-48Al合金和坩堝界面反應(yīng)的影響，結(jié)果顯示，采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)鑄造Ti-48Al 合金的優(yōu)化熔煉工藝參數(shù)是過熱溫度1550℃，保溫時(shí)間60s。Y2O3作為坩堝的面層材料熔煉TiAl合金是可行的。過熱溫度和保溫時(shí)間是影響合金和坩堝界面反應(yīng)的重要因素并直接影響著界面合金元素和顯微硬度的分布。研究人員采用 CaO坩堝真空感應(yīng)熔煉技術(shù)成功熔煉了 Ti-48Al 合金。結(jié)果顯示過熱溫度在 1550℃和 1600℃時(shí)，合金的氧含量分別為 0.08wt.%和 0.10wt.%，氧含量過高限制了其在臨界條件下的應(yīng)用。在過熱溫度到 1600℃時(shí)，合金的最大α 型反應(yīng)層厚度和表面顯微硬度分別達(dá)到 50μm 和 326HV。研究人員選用不同坩堝在同等條件下熔煉 Ti-46Al 合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，氧化物夾雜數(shù)量最多的是Y2O3坩堝，最少的是 CaO 坩堝，其次是ZrO2坩堝。研究還發(fā)現(xiàn)氧含量對合金的室溫抗拉性能具有重要的影響，采用 Y2O3坩堝熔煉 Ti-46Al 合金時(shí)的氧含量可達(dá)到 0.4wt.%，能有效地提高合金的強(qiáng)度。研究人員研究了Y2O3坩堝對 Ti-46Al-8Nb 合金在定向凝固時(shí)的污染情況，結(jié)果顯示定向凝固時(shí)形成的非金屬顆粒是Y2O3，Y2O3顆粒的體積分?jǐn)?shù)隨著反應(yīng)時(shí)間和熔體溫度的增加而增加。通過計(jì)算可得Y2O3顆粒的形成激活能為 421.8k J/mol，時(shí)間指數(shù)為 0.55。Y2O3顆粒的形態(tài)和分布表明它們是合金在凝固過程中通過共晶反應(yīng)形成的。