一、鈦及鈦合金鑄錠熔煉時的冶金特性

1. 冶金特點

① 具有較高的熔點，熔點為1668℃士5℃

② 具有很高的化學活性，特別是對氧、氮、氫、碳等間隙元素的親和力很大，對熔煉時耐火材料和氣氛的選擇都造成較大的困難。

③ 金屬材料純度對其加工和使用性能影響極其敏感。

基于上述三大特點，鈦及鈦合金鑄錠的熔煉均采用真空熔煉方法進行。該熔煉方法的優點主要如下。

① 防止了來自大氣中的氧、氮、氫等有害氣體對金屬材料的污染；

② 消除了非金屬耐火材料對金屬的污染；

③ 為金屬材料的提純提供了有利的熱力學和動力學條件；

④ 順序凝固的熔鑄方式有利于不揮發的不溶雜質上浮，并能改善鑄錠組織；

⑤ 熔煉在兼做錠模的坩堝內進行，便于采用熱封頂方式補縮，減少冒口切除率。

2.壓力加工對鑄錠的要求

鑄錠是制取加工材的半成品。鑄錠應滿足以下要求。

① 化學成分和雜質含量合格且分布均勻；

② 內部組織均勻，無特異和個別粗大組織；

③ 無金屬和非金屬夾雜物；

④ 無氣孔、裂紋、縮孔、疏松、冷隔等內部缺陷；

⑤ 無折皺和凸凹不平等表面缺陷；

二、鈦及鈦合金鑄錠熔煉方法及特點

目前，鈦及鈦合金鑄錠的熔煉方法有以下五種，其中應用最廣泛的是真空自耗電熔煉和冷床爐熔煉法。

1.真空自耗電弧爐熔煉法(簡稱VAR法)

隨著真空技術的發展和計算機的應用，VAR法很快成為鈦熔鑄成熟的工業生產技術。當今的鈦及鈦合金鑄錠的熔煉絕大部分采用真空自耗電弧爐熔煉法。VAR法的顯著特點是功率消耗低、熔化速度高和良好的質量重現性。VAR法熔煉的鑄錠具有良好的結晶組織和均勻的化學成分。通常，由VAR法熔煉制得的成品鑄錠，至少要經過兩次熔煉。

2.非自耗真空電弧爐熔煉法(簡稱NC法)

目前，水冷銅電極已經取代了鈦工業起步階段的鎢-釷合金或石墨電極，解決了工業污染問題，從而使NC法成為熔煉鈦及鈦合金的重要方法之一，數噸級的NC爐已在歐美運轉。水冷銅電極分為兩種類型；一種是自旋轉的，另一種是旋轉磁場的。NC爐也可分為兩種：一種是在水冷銅坩堝內熔煉原料，在水冷銅模中澆鑄成鑄錠；另一種是在水冷銅坩堝內連續投入原料、熔煉和凝固。

3.冷爐床熔煉法(簡稱CHM 法)

原料的污染和熔煉工藝過程的異常會引起鈦及鈦合金鑄錠出現冶金夾雜缺陷，這個問題一直影響鈦及鈦合金在航空航天領域的應用。為了消除鈦合金飛機發動機旋轉部件中的冶金夾雜，冷爐床熔煉技術應運而生。CHM法最大的特點是將熔化、精煉和凝固過程分離，即待熔化的爐料進入冷爐床后先進行熔化，然后進入冷爐床的精煉區進行精煉，最后在結晶區凝固成錠。鑄錠可為圓錠、扁錠及空心錠。扁錠可直接軋制成板材，縮短了生產周期，降低了產品成本。CHM法又分為電子束冷爐床熔煉法和等離子冷爐床熔煉法。

(1)電子束冷爐床熔煉法(簡稱EBCHM法)

電子束熔煉是利用高速電子的能量，使材料本身產生熱來進行熔煉和精煉的工藝過程，該熔煉爐就稱為EBCHM爐。EBCHM法能夠有效地去除鉭、鉬、鎢、碳化鎢等高密度夾雜(HDI)和氮化鈦、氧化鈦等低密度夾雜(LDI)。電子東熔煉可以保證鑄錠的純度，甚至達超高純。但因電子束熔煉在高真空下工作，因此蒸氣壓較高的合金元素揮發損失嚴重，給控制合金化學成分帶來了困難。合金錠一次熔煉后還須用VAR 再熔煉一次，而對于工業純鈦，用該法生產的鑄錠，由于表面質量好，皮下氣孔淺且少，一次錠即可進行后續的壓力加工。

(2) 離子冷爐床熔煉法(簡稱PACHM 法)

PACHM法利用惰性氣體電離產生的等離子弧作為熱源，可在從低真空到近大氣壓很寬的壓力范圍內完成熔煉。該方法的顯著特點是可保證不同蒸氣壓的合金組分，在熔煉過程中無明顯的燒損，同樣可消除高密度夾雜(HDI)和低密度夾雜(IDI)。該方法具有提供改進傳統合金屬性的性能，可實現多元合金的熔煉，是一種較經濟的傳統熔煉方法。采用該方法熔煉，對于鈦及鈦合金來說，一次熔煉就可以得到成分均勻性較為理想的鑄錠，但鑄錠的表面下氣孔往往較多且深。

4.冷坩堝熔煉法(簡稱 CCM 法)

20世紀80年代，美國硅鐵公司發展了無渣感應熔煉工藝，把CCM法推向工業生產應用，用于生產鈦錠和鈦的精密鑄件。近年來在一些發達國家，CCM法已經開始步人工業化生產規模，鑄錠最大直徑為1m，長度2m，發展前景令人矚目。CCM法熔煉在一個彼此不導電的水冷弧形塊或鋼管組合的金屬坩堝里進行，這種組合的最大優點在于，每兩個塊間的間隙都是一個增強磁場，磁場產生的強烈攪拌使合金的化學成分和溫度一致，從而提高了產品質量。CCM法兼有VAR法和難熔材料坩感應熔煉的特點，不需耐火材料，不必制備電極可獲得一次熔煉成分均勻而無坩堝污染的高質量鑄錠。與VAR法相比，CCM法具有設備成本低，操作簡便等優點。

5.電渣熔煉法(簡稱 ESR 法)

ESR法利用電流通過導電電渣時與帶電粒子的相互碰撞，而將電能轉化為熱能，即以渣電阻產生的熱能將爐料熔化和精煉。ESR法使用自耗電極在非活性材料(CaF₂)中進行渣熔煉，它可直接熔鑄成不同形狀的錠坯，并且具有良好的表面質量，適宜于下道工序直接加工。