钛合金等离子冷炉床熔炼技术的发展

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1、钛合金等离子冷炉床熔炼技术的发展摘要：真空自耗电弧熔炼(VAR)是当前钛合金生产的主要方法。但是与VAR工艺相关的冶金缺陷及其造成的危害深受航空界的关注。本文主要探讨改进钛合金冶金质量的途径和介绍等离子冷炉床熔炼技术。关键词：等离子冷炉床熔炼；低密度夹杂物；高密度夹杂物1、前言随着钛合金在航空工业中使用量的增加，其重要性显得愈加突出。在航空飞行史上，有不少飞行事故是由于钛合金零件的早期断裂而导致发动机失效的。据美国FAA(联邦航空局)的报告报道，从1962年至1990年间，美国共有25起飞行事故是由熔炼工艺有关的钛合金缺陷引起零件的失效或早期断裂造成的，而其中影响最为严重的冶金缺陷是硬

2、α夹杂物和高密度夹杂物［1］。有数据统计表明，能被检测出硬α夹杂只占总数的十万分之一，大部分的硬α夹杂没有被检测出来。因此，提高钛合金的冶金质量成为钛发展和研究的关键技术之一，直接影响航空发动机和飞机的使用可靠性。特别是在1989年美国Iowa州Sioux城发生的DC-10坠机事件，造成111人遇难。经调查，事故原因是因发动机的Ti-6AI-4V钛合金一级风扇盘上存在硬α夹杂，造成了盘件的早期疲劳断裂。这次灾难性事故进一步说明了钛合金部件冶金质量的重要性［2］。在该事件之后，在美国FAA的资助下，成立了一个钛工业界委员会，以指导钛合金工业界生产优质钛合金［3］。同时也触动了航空发动机制

3、造商和钛制造商必须尽快致力于寻求解决钛合金中的硬α和高密度夹杂物的方法，其中一个重要的途径是引入了冷炉床熔炼技术。由于航空工业对钛制造商的产品冶金质量等方面的要求和压力，很大程度上限制了单纯采用2次或3次真空自耗电弧熔炼(VAR)生产钛合金铸锭的应用。经过10余年冷炉床熔炼的实践，认为采用冷炉床熔炼技术对于消除硬α和高密度夹杂物效果显著，并逐步在一些工业标准中实施，如美国GE公司等在接受10多起“硬α缺陷”破坏性事故的严重教训后，已正式在企业标准中规定关键性的发动机转子零件用钛合金必须经过1次冷炉床(电子束或等离子束)熔炼［4］。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

4、(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

5、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。2、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，具体分类见图1。钛合金中的夹杂物一般分为两类，即低密度夹杂物(LDI--LowDensityInclusions)和高密度夹杂物(HDI--HighDensityInclusions)。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)，

6、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"C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。图2显示了Ti-8Al-1Mo-1V钛合金某锻件上发

7、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