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钛合金熔炼的特点

钛合金的熔炼与常用的金属相比有较大不同，主要原因在于钛及其

合金是一种高化学活性金属，在熔融状态下，几乎与所有的耐火材料发

生化学反应，因此不能在大气中进行熔炼。必须在水冷铜坩埚中及真空

或氩气、氖气等惰性气氛中熔炼。因此，熔炼环境与坩埚是钛合金与其

他合金熔炼技术的主要不同之处。

钛合金熔炼根据热源不同，可分为电磁感应熔炼、电弧熔炼、等离

子弧熔炼、电子束熔炼等。当然还可进一步分类，如电弧熔炼可分为自

耗电弧熔炼和非自耗电弧熔炼等。

根据所用坩埚不同，可分为普通坩埚熔炼、凝壳熔炼、冷床熔炼等。

在钛合金铸锭纯净度要求不高的情况下，可采用石墨坩埚或者某些氧化

物坩埚熔炼。生产中大多数采用的是凝壳熔炼，可获得高纯度钛合金铸

锭。近年来又发展了悬浮无坩埚熔炼技术，可进一步提高钛合金熔炼的

纯净度。

钛合金熔炼过程中极易与环境中的气体发生反应从而吸收杂质元

素。随着航空航天等工业的快速发展，对钛合金质量的要求也越来越高。

钛合金的性能在很大程度上取决于合金中间隙元素（H、O、N等）的含

量。钛及其合金中的杂质元素常常是决定它们性能和应用范围的重要因

素。O元素对TiAl合金的负面影响最大，能够显著地恶化合金的力学性

能。对于TiAl合金这种滑移系较少的合金系来说，在极高纯度的时候，

1/2110普通位错能够大量开动，此时TiAl合金具备一定的塑性，而

随着O含量的增多，这类普通位错将被大量抑制，这是由于O元素对位

错线的钉扎作用。在O含量较多的合金中，变形基本来源于超位错的开

动，因此室温下合金表现出很强的脆性。随着O含量的降低，合金的室

温塑性将会逐渐升高。溶解于钛合金中的H是使铸锭产生气孔、疏松的

主要原因。钛合金中的N及其他化合物夹杂，会恶化材料的工艺性能和

力学性能。

以钛合金吸O为例，O的溶解过程大致分为以下三个步骤：气氛中

的O2首先吸附在钛合金熔体表面上；O2分解为O原子；O原子扩散到

合金熔体中直至达到其饱和溶解度。合金熔体中氧元素溶解度与熔化室

内的温度、平衡分压有直接的关系。式（3-2）为氧元素在钛合金熔体

中溶解的热力学平衡式，平衡常数K由式（3-3）求出。

其他气体，如H2、N2与氧元素的溶解具有相似性。熔炼过程中合

金熔体温度、合金成分及熔炼室内气体分压对其溶解度均有很大的影响。

气体在合金熔体中的溶解度与该气体在熔体液面上的平衡分压的平方

根成正比，应尽可能降低熔炼室中这些气体的分压以降低合金熔体中的

杂质含量。因此，钛合金熔炼均在真空环境中，通常还需要采用惰性气

体保护。

钛合金可与常用的耐火氧化物发生化学反应。常用的耐火材料，如

SiO2、MgO、刚玉等都不能直接与钛合金熔体接触，不能用作钛合金熔

炼的坩埚材料。钛合金与一些耐火材料的反应见表3-3。为了降低钛及

钛合金的生成成本，各国都在寻求完全满足低能耗真空感应熔炼钛及钛

合金用坩埚材料。虽然国内外研究者己经进行了大量的研究，并取得了

相当的进展，但是直到目前仍未有完全满足钛及钛合金工业化使用的坩

埚材料。

迄今为止，人造石墨、难熔金属粉（钨、钼、钽、铌粉等）、特种

耐火氧化物（氧化锆、氧化钇、氧化钙）等众多正在使用或者研究的耐

火材料仅能够满足基本要求。

石墨坩埚曾被俄罗斯的钛熔炼企业广泛使用。石墨坩埚一般由整体

人造石墨制成，壁厚为20～60mm，底厚达100mm。在大型凝壳炉中，坩

埚是用块状石墨拼合而成的。在1个不锈钢套上，内壁衬上由厚度为

10～40mm石墨块，抹上石墨腻子将其固定，干燥除气后，形成所需尺寸

的坩埚。石墨坩埚的使用寿命取决于正确的熔铸工艺，一般可达几百次。

石墨有天然石墨和人造石墨两大类。可用于钛和钛合金坩埚材料的

是人造石墨，普通石墨的密度为1.4～1.8g/cm3，存在较大的孔隙度。

人造石墨的性能很大程度上取决于原材料和制备工艺。人造石墨的制造

过程是，以石油焦、炭黑、沥青焦等为主要原料，经过2000℃以上的高

温处理，使无定形碳转化为石墨。其特点是wC99%，灰分一般不超过

0.5%（质量分数），生产工艺比较复杂。人造石墨作为钛合金用坩埚材

料，具有热化学稳定性和耐火度高以及强度高的特点；尤其是高温强度

优异，温度升高时，它不但不软化，强度反而增加，见表3-4。

另外，石墨的热膨胀性低。

1）在空气中加热易氧化。普通人造石墨在空气中加热，从430℃起就开