技术与产品
你的位置:首页 > 技术与产品

钛合金等离子冷炉床熔炼技术的发展

来源:      2022-9-2 10:18:23      点击:

     目前,我国航空用钛合金的熔炼基本上采用真空自耗电弧炉熔炼(VAR)方法。对于质量要求高的钛合金铸锭,一般要经过3次VAR熔炼,以获得成分均匀、缺陷率低的铸锭。在我国,用VAR工艺生产的钛合金铸锭、随后的半成品和铸件中曾发现过多起的夹杂物和成分偏析等冶金缺陷,严重影响了材料的使用可靠性,造成的经济损失也很大。为了提高我国钛合金的熔炼水平和航空用钛合金的质量控制,我国的航空部门和冶金部门等相关单位非常重视,截止2005年,先后有2个单位已经各自引进并安装了电子束冷炉床熔炼炉和等离子冷炉床熔铸炉。本文综合评述了钛合金中的典型冶金缺陷及对使用的危害性,通过与冷炉床熔炼技术和VAR熔炼技术的对比,分析了等离子冷炉床熔炼技术(PACHM)在熔炼钛合金方面的特点和优势,并简要回顾了在短短十几年内等离子冷炉床熔炼的发展及实际应用情况,介绍了北京航空材料研究院PAM525等离子冷炉床熔铸炉的基本结构、特点及前期的研究开发。
     钛合金中的主要冶金缺陷及对使用性能的影响

     钛合金的冶金缺陷主要是指夹杂物和化学成分偏析。钛合金中的夹杂物一般分为两类,即低密度夹杂物(LDI--Low Density Inclusions)和高密度夹杂物(HDI--High Density Inclusions)。常见的LDI主要是钛的氧化物或氮化物,尽管钛的氧化物和氮化物的密度还略高于钛基体(如TiN的密度为5.22g/cm’,钛的密度为4.5g/cm3),但因与HDI相比要低得多的密度而得其名。另外,因钛的氧、氮化物的硬度远高于钛基体,而且很脆,因为这些都是a稳定元素,所以还形象地被称为硬α夹杂。HDI主要是指熔炼过程中因未完全熔解而残余的高熔点金属或金属间化合物,常见的有Mo、Ta、W、WC等。
     硬α夹杂具有比钛高得多的熔点,如Ti02的熔点为1825℃,TiN的熔点约为2950℃,而边熔化边凝固方式的VAR熔炼时,熔池的温度一般在1700℃左右,而且熔池液态保持时间较短,难以将钛的氧化物或氮化物彻底熔化。因TiN的熔点更高,因此更难于熔化,与Ti02相比,在实际中出现的几率更大。在Ti-8Al-1Mo-1V钛合金某锻件上发现的硬α,在经过变形之后,在硬α区的中心已形成孔洞。或者零件在工作时,由于硬α夹杂和基体对应力反应的显著差异,容易在夹杂区过早形成裂纹。硬α的存在极大地降低了钛合金的高、低周疲劳寿命,因此,可以认为是钛合金中最为危险的冶金缺陷。钛合金中的硬α夹杂和基体的密度差别不大,因此,对超声波反应的声学性能没有明显差别,除非被检测材料中在硬α处已形成孔洞或裂纹,否则很难用超声波探伤检测出。F/A-22上使用钛合金铸件的早期工程化阶段,在约200件钛铸件中共发现了20个可疑的和被确认的硬α夹杂,出现的概率约为10%。后期在钛铸件生产的车间里执行了“污染控制计划(Contamination controlPlan)”,通过控制硬α夹杂物的潜在来源及严格执行车间的清理规范等措施,大大减少了硬α夹杂物的出现率。另外,通过引入两种无损检测技术来检查铸件中的硬α夹杂物,一种是定向排列超声检测法(PhasedArray Ultrasonic Tested),以检查厚度、关键铸件截面;另一种是氟氢化胺腐蚀检验法(Ammonium Bifluoride Etch Inspection),以检查薄壁表面的硬α。据报道,蓝色阳极化在检查零件表面的硬夹杂中得到了成功的应用。之外,一些钛合金生产商和航空发动机生产商也发展了超声波检测技术,如采用超声波定位检测技术和多区超声波检测技术等,明显提高了缺陷的发现率。
     HDI一般是因在原料中混入了高熔点的金属( 如W、Mo、Nb、Ta)或金属间化合物(如WC),而在熔炼过程中又没有得到充分的熔化而造成的。在进行钛的机械加工时经常用到WC硬质合金刀具,难免在钛屑或残钛中混入WC刀具崩块,由钛屑或残钛回收时带入铸锭中。HDI的存在也会严重降低钛合金零件的疲劳性能和使用可靠性,我国也一向禁止在航空用钛合金配料时采用回收料。通过X射线可以检查出钛合金中的HDI。在TCll钛合金锻件进行无损检测时被发现的Mo夹杂和Ta夹杂。在经过多次VAR熔炼后,纯Ta区域(白色)与钛基体之间已经形成过渡层。
     尽管通过熔炼过程的现场管理及原材料的严格控制,在一定程度上降低了钛合金中的各类夹杂物的出现概率,而且随着无损检测技术的改进和检测灵敏度的提高,发现夹杂物的机率也在增加,但这些措施都无法从根本上解决钛合金夹杂物的问题,因此,必须从熔炼技术本身的改进来降低钛合金中的缺陷率,实现钛合金的高纯化。冷炉床熔炼技术独特的精炼水平可以有效地消除钛合金中的各类夹杂物,解决了长期困扰钛工业界和航空企业的一大难题,因此,冷炉床熔炼技术可以认为是钛合金熔炼技术发展史上的一次飞跃。
    等离子冷炉床熔炼技术的特点
    VAR熔炼工艺一直是钛合金熔炼的主要方法,对于通用的钛合金铸锭,一般采用2次VAR工艺;对于航空发动机转动零部件用钛合金,为了提高钛铸锭成分的均匀性和尽可能消除偏析等缺陷,一般采用3次VAR工艺。大量研究表明,VAR工艺消除钛合金中的高密度夹杂物和低密度夹杂物的能力有限。美国在20世纪80年代开始进行钛合金新的熔炼工艺——冷床熔炼技术的研究、开发与应用。经大量的研究表明,电子束冷炉床(EBCHM-Electron Beam Cold Hearth Melting)和等离子冷炉床(PACHM—Plasma Arc Cold Hearth Melting)熔炼方法在消除钛合金的HDI和LDI夹杂效果非常好。特别是在美国1988年Iowa州的Souix城事件后,冷炉床熔炼技术开始在美国被广泛承认,并用于实际生产,如GEAE发动机公司于1988年开始采用HM+VAR工艺生产航空发动机关键转子零件用钛合金铸锭。

      1、VAR熔炼消除钛合金中夹杂物的局限性

     VAR熔炼炉可以看作是一个封闭系统,电极材料经过电弧熔化后都进入了铸锭(或下一次熔炼的电极),无法将熔池与不熔物分离,从而无法过滤掉硬α和HDI。电极材料熔化后在高温段保留的时间很短,来不及让高熔点的硬α和HDI充分熔化。Reddy测试了TiN颗粒在1650℃静止Ti熔池条件下的熔解速度,大约为0.004cm/min。Rudinger等研究了WC夹杂物颗粒在VAR熔炼过程中的熔解情况,经1次VAR熔炼仅能熔化0.4mm尺寸的颗粒;经过2次VAR熔炼,90%左右的0.6mm尺寸的WC颗粒得以熔化,经过3次VAR熔炼后,0.6mm尺寸WC颗粒能全部熔化掉,但0.8mm及其更大尺寸的WC颗粒即使经过3次VAR熔炼都无法充分熔化。因此,采用VAR熔炼工艺想要得到高纯的钛合金铸锭是非常困难的,即使采用3次VAR熔炼结果都不是很理想。
     2.等离子冷床炉工作原理

     与VAR相比,冷炉床熔炼可以看作是一个开放系统,冷床炉在设计上将水冷铜炉床和坩埚分开,允许输入能量和熔炼速率的独立控制,因此实现了原材料熔化和铸锭熔炼凝固的分离,在水冷铜炉床中,钛合金原料在经受等离子束的高温高能轰击熔化后在冷床中形成熔池,熔池中熔液的保留时间可以自由控制,在水冷铜炉床中经过精炼、搅拌后的熔液经“E”处的槽口溢流入水冷铜坩埚中,通过坩埚上的等离子枪或电子束枪的再次加热和搅拌,凝固后形成铸锭。硬α或HDI夹杂物通过两种模式进入拉锭坩埚中,一种是夹杂物在熔池中在极高的温度下且有充足的时间来熔化,等离子枪产生的等离子束的温度可达到6000℃以上,因此,炉床中的熔液可以获得一个非常大的过热度,可以促进高熔点夹杂物的熔解;另一种是因HDI与钛液的较大密度差异,HDI会沉入水冷炉床底部而被凝壳所捕获。熔池保温时间长和熔液温度高可以保证钛合金中的合金化元素能充分熔解和扩散,且通过在冷炉床和坩埚两级熔炼,铸锭的成分偏析能得以很好消除。
     与采用单一的进料方式(压实的电极)和只能得到圆形铸锭的VAR熔炼工艺相比,冷炉床熔炼工艺的喂料形式多,可采用残料、回收料、压制的电极等;根据需要,通过拉锭坩埚的设计,可实现生产多种形状的铸锭,如圆形、方形和矩形。而且冷炉床熔炼采用边熔炼、边搅拌、边凝固拉锭的办法,所以虽然炉床尺寸不大,但所熔炼的合金成分均匀,凝固后拉出的铸锭可以较大。
    3. 等离子冷炉床熔炼技术的优点

    等离子冷炉床熔炼工艺是利用等离子枪发射的集中的和可控稳定化的等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。与电子束冷炉床相比,主要是热源不同。等离子弧与自由电弧不同,它是一种压缩弧,能量集中,弧柱细长。与自由电弧相比,等离子弧具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力,从而使它在熔炼、铸造领域中具备了特有的优势。与EBCHM工艺相比,PACHM工艺具有以下的优点:①等离子作为热源熔炼钛合金时,等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作,可以防止Al、Sn、 Mn、Cr等高挥发性元素的挥发,可以实现高合金化 和复杂合金化钛合金的元素含量的精确控制;因电子束冷炉床必须在高真空条件下熔炼,因此,熔炼含高挥发性元素的钛合金非常困难,合金的化学成分无法精确控制;②等离子枪产生的He或Ar等离子束是高速和旋转的,对熔池内的钛液能起到了搅拌作用,有助于合金成分的均匀化;③等离子冷炉床熔炼时熔池大、深度相对较深,可以实现熔液的充分扩散。④等离子是在接近大气压气氛下工作,因此不受原材料种类的限制,可以利用散装料,如海绵钛、钛屑、浇道切块等,也可以用棒料送入;而电子束炉需要在高真空度下(优于0.1Pa)工作,在熔炼由海绵钛组成的进料时,因海绵钛中释放的气体会使得真空度下降,无法保证电子束枪的正常工作。

     为了改进和优化PAM工艺,目前美国通过计算机模拟技术,对熔体流动、热量和物质转移、电磁场、 熔池表面、夹杂物熔化、铸锭凝固及宏观和微观偏析等进行模拟,并已开发了一个名为COMPACT的软件,正在逐渐应用于各个钛生产商的等离子冷炉床熔炼。钛合金纯净度的提高将大大增加发动机的使用可靠性和完整性。
     等离子冷炉床熔炼技术的应用

     冷炉床熔炼技术是20世纪80年代才开始发展的一种先进的熔炼技术,在短短不到20年的时间内得到了迅猛发展。目前世界上能生产冷床炉的公司主要有4家,即美国Retech公司、Consarc公司,德国A1D公司和乌克兰的巴顿焊接研究所。其中Retech公司装备了世界上大部分的PAM炉子。目前美国拥有了世界上大部分的PAM炉子,且开发时间早,如GEAE发动机公司在1991年就与ALLVAC公司采用PAM+VAR工艺生产的钛合金,用于发动机部件等关键应用领域。经过十几年的大力发展,美国具备了批量生产优质钛合金铸锭的能力,目前装备的冷炉床熔炼能力已占美国钛总熔炼能力的45%,其中20%是采用等离子冷炉床生产的。单台设备的功率也在提高,如美国RMI公司在2001年安装了一台2支枪的等离子冷床炉,总功率1000kW。可生产圆锭和扁锭,质量可达7000 kg。采用PACHM一次熔炼生产TiAl铸锭,最大尺寸达φ660 mm,重2000 kg,挤压和锻造成涡轮盘件。俄罗斯的上萨尔达冶金生产联合体(VSMPO)于2003年安装了美国Retech公司生产的8t级的等离子冷炉床熔炼炉,该设备有5支等离子枪,功率为4.8MW,可生产圆锭,也可生产扁锭,圆锭的最大直径可达810mm,扁锭的最大截面尺寸为1260 mmx320 mm,重可达8000 kg,可直接投入板坯生产,预计年生产能力为3600t。随着VSMPO新的等离子炉的投产,目前世界范围内等离子炉的总生产能力每年可达11000 t。
      采用等离子冷炉床熔炼技术生产的钛合金已经应用于美国海军F/A-18飞机用的F404和F414发动机。今后还将逐步扩大应用于海军F-14和空军F-16飞机用的F110发动机、海军V-22直升机的T406发动机、空军F-15和F-16飞机的F100发动机、空军B-2飞机的F118发动机及空军F-22飞机的F119发动机。
     尽管目前美国航空发动机转动部件等关键钛合金铸锭仍采用“HEARTH+VAR”的工艺,但单一炉床熔炼技术正在发展。根据目前的研究结果来看,单一的冷炉床熔炼工艺对于航空结构件用钛合金也是可行的。这样,通过减少熔炼次数和炉床熔炼生产扁锭的优势,可以节约加工成本20%-40%。美国从1989年3月到1995年6月期间,通过由空军ManTech项目的资助,进行了单一EBM和单一PAM炉床熔炼技术的研究,结果认为是可行的。
      与传统的钛合金相比,TiAl基金属间化合物是非常难于熔炼和加工的。铸态粗晶组织的塑性很差,生产大型TiAl铸锭是一个非常大的挑战。美国Allvac公司采用2台等离子冷床炉(一台炉子为4枪,总功率为3000 kW:另一台为2枪,总功率为1000 kW)尝试了生产小型和大型铸锭,生产的铸锭尺寸可从φ165 mm~φ760 mm,质量从200 kg-5450。
      虽然电子束冷炉床熔炼时成分的控制比较困难,但通过试验,已经可以比较好的熔炼出了Ti-6AI-4V铸锭,如美国THT公司采用3.2MW电子束冷床炉一次熔炼成直径为760mm的Ti-6AI-4V合金锭,铸锭成分均匀,Al、V含量的标准偏差不大于0.15%。但在熔炼其他一些复杂成分及Al含量较高的合金,如 Ti-Al基金属间化合物时成分的控制就非常困难。英国伯明翰大学也采用等离子冷床炉熔炼TiAl合金铸锭,取得了较好的效果。
      我国等离子冷炉床熔炼技术的发展

     北京航空材料研究院于2003年安装了1台美国 Retech公司制造的型号为PAM525的等离子冷炉床熔铸炉,兼拉锭与浇铸功能于一身。PAM525炉有2支枪,配备2台电源,总熔炼功率达600 kW,外形见图6。
    PAM525炉具备拉锭和浇铸2个功能,拉锭坩埚尺寸φ100 mm、φ150 mm和φ200 mm三种,最大拉锭长度均可达到1500mm,熔炼的钛合金铸锭最大质量可达200kg。采用熔化浇铸坩埚中的钛合金材料,通过底注的方式实现铸件的生产,而且铸造模具安装在液压驱动的速度可调节的离心盘上,因此,可以进行离心铸造。