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钛合金熔炼时的金属损耗

真空熔炼中，从金属熔体中蒸发出杂质元素是提纯金属，改善金属

质量的一个重要途径。但是，与此相反，合金元素的蒸发，将使合金成

分的控制成为问题。钛合金通常是在真空炉中熔炼的，在熔炼含易挥发

元素的钛合金时，就遇到合金元素挥发的问题。

在真空条件下，饱和蒸气压大的元素的挥发损失会非常严重，有研

究者用电子束炉熔炼了TiAl金属间化合物，研究发现Al元素的挥发损

失达到10%～15%，而元素的挥发损失将使得熔炼后合金的组织性能发

生很大的变化。

众所周知，合金熔体中，当组分平衡蒸气分压比它们在熔体面上的

蒸气分压高时，该组分就会从熔体中蒸发去除。所谓易挥发元素，是相

对于基体金属而言的。判断一个元素在合金熔体中挥发的难易，并不能

单以它在纯态时的蒸气压大小为依据，还必须视其在合金熔体中的有效

浓度即活度和相对原子质量大小来判断。下式可以判断元素在二元合金

熔体中能否由于挥发而损失。

为了减少易挥发元素在熔炼过程中的损失，在选择中间合金体系时

应选择降低易挥发元素活度的体系，造成抑制挥发的热力学条件。在真

空熔炼中，熔体中元素的挥发是温度、蒸气分压、真空室压力、熔体组

成和时间的函数。有意识地控制这些因素就可能达到去除杂质或抑制挥

发损失的效果。

真空自耗电弧熔炼是钛合金熔炼的主要方式之一。实际的真空自耗

熔炼的挥发过程，是一个复杂的、通常是处于不平衡状态的过程。它的

挥发是在电极、电弧区和熔池等三个区域进行的。同时，由于电极的屏

蔽，熔池面上金属蒸气云的存在，熔池连续凝固以及结晶壁的凝结和熔

池面上升造成的再熔化过程的存在，加上真空系统的工作，在动力学上

对挥发过程产生重大影响，使挥发过程更加复杂。研究表明，中间合金

体系、熔炼室压力、熔化速率、电源极性、涡极间距等工艺因素，对真

空自耗电弧熔炼钛合金中的易挥发元素的成分有重大影响。控制钛合金

中易挥发性元素成分的最佳工艺路线是在设计和制备合适的中间合金

体系的条件下，一次自耗采用反极性较高熔速的工艺，二次自耗采用充

氩气加压正常速度熔炼。

Ti-6Al-4V是最重要和应用最为广泛的α+β钛合金，其用量约占整

个钛合金用量的一半。它含有4%（质量分数）的β稳定元素V和6%（质

量分数）的α稳定元素Al。

在合金的真空熔炼过程中，元素的挥发损失将主要是Al元素的挥

发损失。钛合金使用温度较低，为了进一步适应航空航天工业对高温材

料的使用要求，TiAl金属间化合物受到了人们的重视。TiAl合金的成

分容错度小，微量的成分变化就会显著地改变合金的性能。关于TiAl

合金熔炼技术的研究甚少，一般沿用钛合金熔炼的方法，即利用水冷铜

坩埚在真空下进行熔炼。真空熔炼的目的是避免气氛中间隙元素对合金

的污染，而TiAl合金熔体中的主要成分铝具有较高的饱和蒸气压，在

真空熔炼过程中极易产生挥发损失，严重影响合金成分的准确性，而且

挥发产物污染真空系统。因此，选择合适的真空度将是真空熔炼TiAl

合金过程中需要解决的首要问题。

纯钛的饱和蒸气压在2000K时约为1.227Pa，这就是为什么熔炼钛

合金时真空度一般控制在1.333Pa左右的原因。在2000K时，纯铝的饱

和蒸气压约为866.593Pa，是同温度下纯钛的饱和蒸气压的700倍以上。

尽管在计算组元饱和蒸气压的过程中，采用了不同的热力学数据，其计

算数值存在些微差异，但Ti和Al元素之间的饱和蒸气压比值相差不大。

而在TiAl合金熔体中，组元的饱和蒸气压除了与纯组元的饱和蒸

气压有关外，还与其在熔体中的活度有关：

经计算，在Al含量为40%～55%（摩尔分数）范围的TiAl合金

熔体中，由于Ti和Al原子间的作用力较强，而使Ti和Al的活度降低，

其饱和蒸气压也相应降低。Ti的饱和蒸气压在2000K时约为4×10-2Pa，

已远低于纯钛的饱和蒸气压。Ti的饱和蒸气压随着其摩尔分数的增加而

减小，随着温度的升高而增大。Al的饱和蒸气压随摩尔分数增加而增大，

随温度升高而增大。Al的饱和蒸气压在2000K时为19.998Pa。因此熔

炼TiAl合金时，为了防止合金熔体中铝的沸腾，真空度不宜过高，应

不超过临界值。

电子束冷床熔炼是一种生产洁净钛及钛合金的熔炼技术，通过将原