發布日期：2022-4-25 10:34:29
引言
金屬熔煉技術隨著科學技術的發展和生產的需要不斷完善，近年來，新的熔煉方法不斷涌現，使材料的質量和產量得到提高，但還存在耗能高、損耗大、經濟技術指標較低等問題，所以研究現有熔煉技術并不斷開發新的熔煉技術具有深遠的意義。與其他金屬相比，鈦及其合金是高化學活性金屬，在熔融狀態下，幾乎與所有耐火材料發生化學反應，且不能在大氣中進行熔煉，必須在真空或惰性氣氛下進行，因此掌握鈦合金的熔煉技術難度較大，目前只有少數國家掌握了鈦合金的熔煉技術。
鈦及鈦合金的熔煉主要分為兩類：真空自耗和真空非自耗熔煉。真空自耗熔煉主要包括真空自耗電弧熔煉(Vacuumarcremehing，VAR)、電渣熔煉以及真空凝殼爐熔煉。真空非自耗熔煉主要包括真空非自耗電弧熔煉、冷坩堝感應熔煉、冷床爐熔煉l_5]，而冷床爐熔煉又分為電子束冷床爐熔煉(Electronbeamcoldhearthmmelting)和等離子束冷床爐熔煉(Plasmaarccoldhearthmelting)。目前鈦及鈦合金鑄錠的工業化生產中應用最廣泛的是真空白耗電弧熔煉和冷床爐熔煉。
1、真空自耗電弧熔煉技術
1.1VAR熔煉原理及特點
目前，生產鈦及鈦合金鑄錠的主要方法仍為真空自耗電弧熔煉，并可能在今后較長一段時間占據熔煉工藝的主導地位。圖1為真空自耗電弧爐示意圖，其中將壓制好的自耗電極作為負極，銅坩堝作為正極，在真空或惰性氣氛中，將自耗電極在電弧高溫加熱下迅速熔化，形成熔池并進行攪拌，一些易揮發雜質將加速擴散到熔池表面被去除，合金的化學成分經過攪拌可達到充分均勻。
VAR技術的優點是熔煉速度快，工藝自動化程度高、操作簡單、可生產大型鑄錠，可滿足一般工業要求，對于易揮發雜質和某些氣體(如氫氣、氮氣)的去除有良好的效果；能降低高蒸氣微量元素的含量；可得到從下向上的近定向凝固柱狀晶；降低宏觀偏析和微觀偏析；多次重熔后鑄錠的一致性和均勻性較好。隨著科學技術的進步，VAR技術不斷完善，通過運用先進的技術，生產出了大規模、低偏析、高質量的鑄錠。
VAR技術還存在著一些不足，如熔煉易偏析合金元素較多的鈦合金時，仍然會出現宏觀和微觀偏析；化學成分均勻性差；容易產生組織缺陷；必須用較大的壓力機制備自耗電極、殘料利用率低，不能有效去除低、高密度夾雜等。另外，該工藝回收廢料困難，生產的鑄錠發生夾雜的頻率很高，因而限制了它在熔煉高質量合金中的應用。現在自耗電極電弧爐多用來重熔鑄錠，這在一定程度上克服了上述缺點，可生產致密、無缺陷、成分均勻，具有所要求的化學成分、尺寸和晶粒結構的鑄錠。
1.2VAR熔煉技術發展現狀
VAR技術經過5O多年的發展，已經較為完善成熟，近年來的技術發展主要表現在5個方面：
(1)鑄錠尺寸大型化。電弧熔煉是一種批次工藝，因此增大批次規模會提高效率。隨著現代工業對大型鍛件的需求逐漸增多，需要較大規格的鑄錠。大型VAR爐在國外的制造技術生產、工藝已經較為成熟和完善，據了解大型VAR爐可熔煉直徑為1524mm、質量達30t的鈦鑄錠，國外工業發達國家熔鈦用真空白耗電弧爐噸位多為8～15t。我國鈦熔煉主要采用VAR爐，但爐型較小，20世紀90年代增設了6tVAR爐，2002年以后，寶鈦集團先后引進4臺10t爐，寶鋼集團引進2臺10t爐，1臺15t爐，西部鈦業引進2臺8t爐、1臺12t爐，西部超導公司也先后引進4臺8t爐、鑄錠生產實現了大型化。
(2)工藝自動化。VAR爐全自動重熔工藝日趨成熟。現代VAR爐采用先進的計算機自動電控盒數據收集系統，根據重熔配方進行電腦控制重熔工藝，重熔對給定的合金和鑄錠規格建立良好的熔煉模式，并分析熔煉過程中出現的問題，獲得良好的鑄錠表面質量和內在的冶金質量，提高金屬成品率。目前VAR熔煉的工藝模擬已經發展到能合理準確預測凝固條件、熔池深度和化學成分。新一代模型要求能夠預測結晶特征，如β斑，并給出結晶時的三維條件。
(3)生產高效化。自動稱重混布料系統、大型真空等離子焊箱、殘極焊接裝置等輔助設備的應用，能夠制造出高質量的自耗電極，使得VAR工藝更具有穩定性和重復性，提高鑄錠質量和成品率，此外，國外設計的VAR爐通常采用雙工位布置方式，熔煉時在兩個工位交替進行，提高了生產效率。
(4)供電方式的改變。過去的VAR爐供電方式為非同軸的，當強大的電流通過電路時，產生很強的磁場，使熔煉過程電弧不穩定。現在新型的VAR爐均采用同軸型供電方式，可以抵消磁場的影響，防止偏析產生，特別是針對大型鑄錠，采用這種供電方式非常有必要。
(5)數值模擬技術的發展。VAR技術雖然工藝簡單、操作方便，但由于熱源的特點導致熔體溫度分布不均，從而使所得鑄錠存在成分、組織不均勻，易出現凝固缺陷等問題，而鑄錠重熔凝固過程中的成分、組織特征與其溫度場的分布直接相關，因此，探討鑄錠溫度場分布規律與工藝參數的關系是獲得成分、組織均勻的高品質鑄錠的基礎。近年來，國內外學者多采用數值模擬方法研究VAR工藝過程的溫度場、電磁場和流場等特征，法國的Hafid等口。建立了數學模型來研究VAR過程中自耗電極的熱行為，利用模型成功預測熔煉速度以及自耗電極底部形狀變化，并通過實驗驗證模型的準確性。國內的趙小花等]基于VAR過程的熱平衡關系，建立了鈦合金鑄錠VAR過程的電磁場、溫度場和流場的有限元模型，實現了多物理場的順序耦合；揭示了熔煉電流、電磁攪拌、冷卻條件等工藝參數與電弧特性、熔池表
面及流動行為、電磁場和鑄錠溫度場分布的關系規律，采用所建立的模型準確預測了鑄錠成分分布(含偏析)、缺陷分布及凝固組織形貌，指導了大飛機主干材料TC4一DT、TC21鈦合金5t、8t鑄錠、TB6鈦合金1t鑄錠熔煉工藝改進和批次穩定性研究，大大提高了鑄錠的成分均勻性、潔凈度和批次穩定性。
2、冷床爐熔煉技術
冷床爐熔煉技術是在航空用鈦合金高質量、高可靠性的迫切需求的形勢下出現的，在解決低、高密度夾雜及成分均勻性方面比較好地解決了真空自耗電弧熔煉的不足，與真空感應熔煉相比，也更適合工業化生產。近20年來，國外學者在冷床爐熔煉的數值模擬、工藝簡化、參數優化、顯微組織改進等方面進行了大量的研究開發工作，這將成為未來高性能、多組元、高純度鈦合金和金屬間化合物研究及生產不可少的技術。
在航空飛行史上，有不少飛行事故是由于鈦合金的冶金缺陷引起零件的提前斷裂，從而導致發動機和飛機失效。據美國FAA(聯邦航空局)的報道，1962-1990年間，美國共有25起飛行事故是由和熔煉工藝相關的缺陷引起零件的失效或早期斷裂造成的，其中影響最為嚴重的冶金缺陷是硬a夾雜物和高密度夾雜物1]，有數據統計表明，能被檢測出的硬夾雜只占總數的1／100000，大部分硬a夾雜物沒有被檢測出來。因此，提高鈦合金的冶金質量成為鈦發展和研究的關鍵技術之一，直接影響航空發動機和飛機的使用可靠性。1989年美國Iowa州Sioux城發生的IX；一10墜機事件造成111人遇難，經調查，事故原因是發動機的Ti一6A1—4V鈦合金一級風扇盤上存在硬夾雜，造成了盤件的早期疲勞斷裂。
這次災難性事故進一步說明了鈦合金部件冶金質量的重要性。
冷床爐熔煉技術是20世紀80年代發展起來的一種生產潔凈金屬的先進熔煉技術，其獨特的精煉水平可以有效地消除鈦合金中的各類低、高密度夾雜物，解決了長期困擾鈦合金工業界和航空企業的一大難題，已成為當前生產航空發動機鈦合金轉動部件不可替代的先進熔煉技術。國外先進企業采用冷床爐進行鈦合金熔煉，解決鑄錠高、低密度夾雜問題，被作為預防航空轉動件和關鍵結構件冶金缺陷、避免引起災難事故的關鍵技術，是實現鈦合金材料零缺陷純凈化技術的重要途徑。美國現行宇航材料標準中要求重要用途關鍵部件的鈦合金材料必須使用冷床爐制備技術。如GE公司于1988年開始采用冷床爐熔煉加真空自耗電弧熔煉技術生產航空發動機關鍵轉子零件用鈦合金鑄錠。
目前，我國航空用鈦合金的熔煉基本采用真空自耗電弧爐熔煉方法。對于質量要求高的鈦合金鑄錠，一般要經過3次VAR熔煉，以獲得成分均勻、缺陷率低的鑄錠。在我國，用VAR工藝生產的鈦合金鑄錠、隨后的半成品和鑄件中曾發現多起夾雜物和成分偏析等冶金缺陷，嚴重影響了材料的使用可靠性，造成的經濟損失也很大_2。為了提高我國鈦合金的熔煉水平和航空用鈦合金的質量控制，我國的航空部門和冶金部門等相關單位非常重視，截至2014年，先后有7家單位已經各自引進并安裝了8臺電子束冷爐床熔煉爐和2臺等離子冷爐床熔鑄爐。
2.1冷床爐熔煉原理及特點
冷床爐在設計上將熔煉過程分為3個區域：熔化區、精煉區和結晶區。在熔化區，原料由固態變成液態后流向精煉區；在精煉區，由于鈦液在冷床上可停留較長時間，可有效去除易揮發雜質(如H、C1、Ca、Mg等)，低密度夾雜(LDI)(如TiN)可以上浮至熔池表面通過溶解消除，而高密度雜質(HDI)(如W、WC等)則可以下沉至冷床底部被凝殼捕獲，并充分實現合金化、減小偏析；最后通過溢流嘴流入結晶器，凝固成圓形鑄錠或扁錠，冷床爐示意圖見圖2。
冷床爐根據熱源不同，可分為電子束冷床爐和等離子束冷床爐。電子束冷床爐以電子束為加熱源，在高電壓下，電子從陰極發出，經陽極加速后形成電子束，在電磁透鏡聚焦和偏轉磁場的作用下轟擊原料，電子的動能轉變成熱能，使原料熔化，可以熔化各種高熔點金屬。電子束冷床爐要求在1×10Pa高真空下進行。高真空有利于去除鈦合金中的低熔點揮發性金屬和雜質，起到提純作用。等離子束爐以等離子束為熱源，等離子束與自由電弧不同，它是一種壓縮弧，能量集中，弧柱細長。與自由電弧相比，等離子束具有較好的穩定性、較大的長度和較廣的掃描能力，從而使它在熔煉、鑄造領域中具有獨特的優勢。等離子槍是在接近大氣壓的惰性氣氛下工作，可以防止Al、Sn、Mn、Cr等高揮發性元素的揮發。
與真空自耗電弧熔煉相比，電子束冷床爐熔煉具有很多優勢：
(1)可以采用多種形式的原材料如散狀海綿鈦、殘料以及鈦屑等，無需壓制電極，縮短原材料準備時間，降低成本，提高效率；
(2)能夠大量使用經濟的原材料，如含有碳化鎢雜質的切削料，殘料添加比例可達100%；
(3)能夠有效去除易揮發雜質以及低、高密度夾雜；
(4)通過控制功率密度，控制鈦熔體在冷床中的停留時間，保證合金元素充分均勻化，避免偏析，熔煉速度和熔池溫度可以靈活控制；
(5)可生產不同截面的鑄錠如圓錠、扁錠或空心錠，減少板材與管材生產時的后續加工，可明顯減少金屬加工損耗，采用矩形截面的錠坯用于板材生產可以顯著提高金屬收得率；
(6)通過對進料口和溢流嘴的控制，可以實現一次成錠，一爐多錠，降低熔煉費用，提高生產效率。
與電子束冷床爐熔煉工藝相比，等離子束冷床爐熔煉工藝有如下特性：
(1)等離子束作為熱源熔煉鈦合金時，等離子槍是在接近大氣壓的惰性氣氛下工作，可以防止Al、Cr、Sn、Mn等高揮發元素的揮發，可實現高合金化和復雜合金化鈦合金元素含量的精確控制。
(2)等離子槍產生的He或Ar等離子束是高速和旋轉的，對熔池內的鈦液能起到攪拌作用，有助于合金成分的均勻化。
(3)等離子冷床爐熔煉時熔池大、深度相對較深，可以實現溶液的充分擴散。
(4)等離子是在接近大氣壓氣氛下工作，因此不受原材料種類的限制，可以利用散裝料，如海綿鈦、鈦屑、澆道切塊等，也可以用棒料送入；而電子束爐需要在高真空度下(d0.1Pa)工作，在熔煉由海綿鈦組成的進料時，因海綿鈦中釋放的氣體會使得真空度下降，無法保證電子束槍的正常工作。
(5)熔煉時需要消耗大量惰性氣體(氬氣或氦氣)，增加了熔煉成本，為了降低成本，回收利用昂貴的氦氣，大型PACHM爐常需配備惰性氣體回收裝置。
(6)生產效率不如EBCHM爐，在同樣功率下，EBCHM爐的熔煉速率約為PACHM爐的2倍，所以在冷床爐熔煉中，純鈦的熔煉主要以電子束為主。
2.2EBCHM技術發展現狀
目前世界上能生產冷床爐的公司主要有4家，即美國的Retech公司、Consarc公司，德國的ALD公司和烏克蘭的巴頓焊接研究所。冷床爐熔煉技術在國外發展較快，應用最廣，尤其是美國冷床爐熔煉技術發展最成熟，生產能力最大，產能約占美國鈦熔煉總產能的45%。
電子束冷床爐根據電子槍工作原理不同又可分為冷陰極和熱陰極電子槍加熱，目前應用最廣的是傳統的熱陰極電子束冷床爐，如美國Allvac公司1999年裝備了全世界最大的EB冷床爐，功率為5600kw，8槍，2路床，2坩堝，2供料系統，最大錠重22.7t(圓形、方形)，能熔煉860mmX1420mm扁錠，直接軋制成板材，美國采用單次錠電子束熔煉工藝生產的Ti6A14V板材代替多次VAR或“Hearth+VAR”板材產品，在軍用和民用領域已經得到推廣應用；德國DTG公司從ALD購買1臺EB爐于2008年初投入使用，最多可生產15t的鑄錠；日本東邦公司采用改造過的1800kw電子束冷床爐實現鈦的工業化生產，可生產660mm×1350mm×2750mm優質純鈦扁錠。而針對冷陰極電子束冷床爐，除烏克蘭、俄羅斯具備該項技術外，其余國家均未涉足。輝光放電冷陰極電子槍首先由烏克蘭科學院巴頓焊接研究所研制成功，該電子槍取消了傳統的鎢絲結構，無需加熱到高溫的部件，槍體本身不需要抽真空，結構簡單，操作方便，使用壽命長達1000h，其性能遠優于傳統的熱陰極電子槍，可使生產效率提高1倍多。熔煉可在較低真空度甚至接近大氣壓下進行，該方法的明顯優點是可以防止A1、Sn、Mn、Cr等高揮發元素的燒損，實現鈦合金高合金化和復雜合金化的元素含量的精確控制，特別適合鈦合金鑄錠的生產。由于冷陰極電子束冷床爐熔煉是在接近大氣壓氣氛下進行，因此不受原材料種類的限制，可以利用散裝料如海綿鈦、中間合金、鈦屑等，也可直接添加未破碎的海綿鈦垛，可大大降低成本，提高生產效率。采用該技術研制的電子束冷床熔煉設備可以生產φ1200mm×4000mm(20t)的圓錠、420mm×1380mm×4000mm(10t)的扁錠，此外，巴頓所還掌握了直接添加大塊未破碎海綿鈦進行熔煉的工藝技術、電子束表面熔修技術以及電子束冷床爐熔煉大型空心錠技術。而國內見報道的僅北京長城鈦金公司于2008年成功設計制造100kw冷陰極電子槍，其性能達到國際同類產品先進水平。目前，該公司已經能夠制造100~600kw的大功率冷陰極電子槍，但是大型電子束冷床爐成套設備還不能獨立生產，只能依靠進口。
我國的電子束冷床爐熔煉技術起步較晚，目前國內共有8臺電子束冷床爐，西北有色金屬研究院于2000年從德國購買了我國第一臺電子束冷床爐，總功率500kw，生產的鑄錠尺寸較小，只能作為科研和中試用。寶鈦集團于2005年從德國引進2400kw電子束冷床爐，可熔煉圓錠和扁錠，已實現工業化生產，圓錠直徑達φ736mm，扁錠截面尺寸為370mm×1340mm，鑄錠最大長度為5000mm，最大質量可達11t。寶鋼特鋼2008年從美國引進的3200kw單結晶室雙坩堝電子束冷床爐已完成安裝調試，可實現工業化生產。圓錠直徑達到φ860mm，最大質量達12t；扁錠截面尺寸為400mmX1200mm，最大質量達10t。另外中船舶725所2010年從德國購置的3200kW電子束冷床爐、青海聚能鈦業從烏克蘭購置的3150kW電子束冷床爐、云南鈦業從美國引進的3200kw電子束冷床爐以及攀枝花云鈦實業從烏克蘭引進的3150kw電子束冷床爐均已完成安裝調試，具備工業化生產能力。此外青海聚能鈦業2012年從美國引進4800kW雙工位電子束冷床爐，其是國內功率最大的冷床爐，目前已安裝調試完成，每年可至少生產50000t鈦及鈦合金鑄錠。
近幾年來EBCHM技術發展主要表現在以下幾個方面：
(1)海綿鈦垛直接熔煉鈦錠。為進一步降低生產鈦錠的成本和勞動量，減少熔煉損失率，烏克蘭巴頓所首次在世界上研制出EBCHM熔煉0.7t重海綿鈦垛工藝，省去了海綿鈦破碎工序，研究結果表明海綿鈦垛的熔煉速率與塊狀廢料的熔煉速率相接近，熔化鈦垛比熔煉粒度10~70mm的破碎海綿鈦損失率低30～40，工藝經濟指標提高20%。生產的純鈦板坯組織均勻，無氣孔、非金屬夾雜等缺陷，雜質含量均在標準要求范圍內。目前烏克蘭巴頓所已經可以直接熔煉質量達4t的海綿鈦垛。此外，采用未經破碎的海綿鈦垛熔煉鈦合金錠工藝正在研究中，目前已實現了部分高合金化的鈦合金鑄錠的熔煉，如BT6、BT22、BT8、BT9等，已用鈦垛熔煉出滿足AM標準要求的中840mmX4000mm的合金錠。
(2)數值模擬技術。采用電子束冷床爐熔煉鈦合金時，存在合金元素易揮發、化學成分難控制的問題，而通過建立合金元素揮發過程中的數學模型來預測熔煉合金鑄錠的化學成分，并通過合金補償方式來確保鑄錠達到既定的化學成分，成為各國學者爭相研究的重點。烏克蘭Akhonin等_2建立Ti一6A1—4V合金在電子束冷床爐熔煉過程Al元素揮發動力學的數學模型，結合質量及能量平衡方程來研究熔煉速度、電子束功率以及原料成分對鑄錠最終成分的影響，并通過實驗驗證數學模型的準確。
烏克蘭巴頓所建立合金成分揮發過程數學模型，并利用該模型成功熔煉直徑為φ400mm且符合GOST標準的VT6和VT22鈦合金鑄錠。
烏克蘭ZhukG.V等_26_研究了電子束冷床爐熔煉過程中鑄模溫度分布對鑄錠組織的影響，并通過實驗驗證計算的數據，獲得相應的技術條件來提高鑄錠組織含量。
法國Bellot等對EBCHM過程進行了數值模擬，建立了元素揮發損失的數學模型以及硬質a夾雜溶解動力學模型，利用模型計算溫度場、流場、Al濃度變化以及硬質夾雜運動軌跡，并通過實驗驗證模型的準確性。
美國Kelkar等胡建立了計算機模型預測電子束冷床爐熔煉過程中的熱傳遞、相變、流體流動以及夾雜運動軌跡，預測的表面溫度及熔池形狀與實驗結果相吻合。
國內本課題組建立了電子束冷床爐熔煉過程中傳質數學物理模型，掌握了電子束冷床爐熔煉鈦合金過程元素揮發與工況條件之間的關系和工藝參數對成分分布的影響規律，實現了目標成分的準確預測。
(3)單次合金錠熔煉技術。由于VAR法不能有效去除低、高密度夾雜，兩次VAR法或多次VAR法在一些關鍵領域的應用受到限制。“Hearth+VAR”方法近年來已被人們認可為工業標準級的生產方法。但是與“Singlemelting”相比，“Hearth+VAR”法成本相對較高，不能滿足日益增加的成本敏感型應用需求。
作為一種節約成本的方法，單次電子束冷床爐熔煉工藝(EBSM)已經成功用于生產純鈦板坯，并已經通過AMS標準認可。近年來，EBSM工藝也被用于生產合金，在美國，經EBSM工藝生產的Ti6A14V合金已被制成從裝甲到體育用品的多種產品，并且還用于生產TIMETALICB(TiA1一MoFe)懸浮彈簧絲。1999年由美國空軍研究室資助的MAI項目對EBCHM熔煉的單次扁錠生產Ti6Al4V標準板材做了系統研究，制訂了單次電子束熔煉的鈦薄板、帶、厚板宇航材料技術標準(AMS6954)，使EBSM—Ti6A14V板材代替VAR或“Hearth+VAR”板材產品，在軍用和民用領域得到推廣應用。
(4)鑄錠表面熔修技術。電子束冷床爐熔煉過程中會在鑄錠表面產生冶金缺陷，需要通過機加工來消除，損失量達5%～15%，為減少金屬損失，烏克蘭巴頓所成功開發電子束熔修鑄錠表面技術來代替機加工技術，結果表明熔修后鑄錠表面光滑，無明顯裂紋和間斷面，成功消除鑄錠表面缺陷，提高成品率最高可達。
(5)大型空心錠生產技術。為降低管材、環材生產成本，開發電子束冷床爐熔煉生產空心鑄錠的工藝，可明顯減少金屬浪費，縮短后續加工工序。空心錠的工藝參數控制更為復雜，為此烏克蘭ZhukG.V等在實心錠的基礎上建立了空心錠電子束冷床爐熔煉過程數學模型，確定了內徑φ200mm、外徑φ600mm的Ti一6Al一4V空心鑄錠的最佳熔煉參數。借助數學模型，巴頓所成功生產出φ600／400mmX2000mm大型空心錠，將空心錠軋制獲得直徑02000Inm、壁厚50mm的鈦環。
2.3PACHM技術發展現狀
目前美國擁有世界上大部分的PAM爐，且開發時間早，如GEAE發動機公司在1991年就與ALLVAC公司采用PAM+VAR工藝生產鈦合金，并將其用于發動機部件等關鍵應用領域。經過十幾年的大力發展，美國具備了批量生產優質鈦合金鑄錠的能力，目前裝備的冷爐床熔煉能力已占美國鈦總熔煉能力的45%，其中20%是采用等離子冷床爐生產的。單臺設備的功率也在提高，如美國RMI公司在2001年安裝了一臺2支槍的等離子冷床爐，總功率1000kW，可生產圓錠和扁錠，質量可達7000kg。采用PACHM一次熔煉生產TiAl鑄錠，最大尺寸達0660mm，質量為2000kg，擠壓和鍛造成渦輪盤件。
俄羅斯的上薩爾達冶金生產聯合體(VSMPO)于2003年安裝了美國Reteeh公司生產的8t級的等離子冷床熔煉爐，該設備有5支等離子槍，功率為4.8MW，可生產圓錠，也可生產扁錠，圓錠的最大直徑可達φ810mm，扁錠的最大截面尺寸為1260mmX320mm，質量可達8000kg，可直接投入板坯生產，預計年生產能力為3600tl3。隨著VSMPO的新等離子爐的投產，目前世界范圍內等離子爐的總生能力每年可達11000t。
采用等離子冷床爐熔煉技術生產的鈦合金已經應用于美國海軍F／A.18飛機用的F404和F414發動機。今后還將逐步擴大應用于海軍F_14和空軍F-16飛機用的F110發動機、海軍、，_22直升機的T406發動機、空軍F-15和F-16飛機的F100發動機、空軍B-2飛機的Fl18發動機及空軍F-22飛機的F1l9發動機。
盡管目前美國航空發動機轉動部件等關鍵鈦合金鑄錠仍采用“HEARTH+VAR”的工藝，但單一冷床爐熔煉技術正在發展。根據目前的研究結果來看，單一的冷床爐熔煉工藝對于航空結構件用鈦合金也是可行的。通過減少熔煉次數和爐床熔煉生產扁錠的優勢，可以節約加工成本20～40%。美國從1989年3月到1995年6月期間，通過空軍ManTech項目的資助，進行了單一EBCHM和單一PACHM熔煉技術的研究，結果表明，采用單一PACHM技術熔煉TC4扁錠直接用于板材軋制，經測試，板材的微觀組織和拉伸性能滿足MIL-DTL-46077標準的要求，并且提高了金屬收得率，降低了成本。
與傳統的鈦合金相比，TiAl基金屬間化合物是非常難于熔煉和加工的。鑄態粗晶組織的塑性很差，生產大型TiAl鑄錠是一項非常大的挑戰。美國Allvac公司采用2臺等離子冷床爐(一臺爐子為4槍，總功率為3000kW；另一臺為2槍，總功率為1000kw)嘗試了生產小型和大型鑄錠，生產的鑄錠尺寸為φ165mm~φ760mm，質量為200~5450kg。
我國近幾年才開始PACHM技術的研究，北京航空材料研究院于2003年安裝了1臺美國Retech公司制造的PACHM爐，總功率為600kW，該設備兼拉錠與澆鑄功能于一身。北京航材院采用PACHM爐成功生產TC4和TIAl鑄錠，在合金的雜質元素含量、夾雜物和合金化元素含量控制等方面均取得了較大的成功。上海寶鋼集團為提升市場競爭力，擴大熔鑄能力，于2008年引進一臺單結晶室雙坩堝PACHM爐，總功率3300kW，可生產的圓錠尺寸為φ660mmX3000mm，最大質量為7t，扁錠尺寸為330mm×750mmX4500mm，最大質量為5t，同時還為PACHM爐配置了氦氣回收再生系統，能夠有效回收昂貴氣體，降低熔煉成本。
在數值模擬方面，國內的寇宏超等建立有限元模型成功模擬了等離子冷床爐熔煉過程中TiA1合金中夾雜物粒子運動軌跡及停留時間，結果表明，鎢、鉬、鈮等高密度夾雜物可由糊狀區域捕獲去除。夾雜物在冷床的停留時間取決于顆粒的密度和尺寸，夾雜物的密度和尺寸越大，停留時間越短。
為了改進和優化PAM工藝，美國開發了一套冷床爐熔煉模擬COMPACT軟件系統，實現了對熔體流動、熱量和物質轉移、電磁場、熔池表面、夾雜物熔化、鑄錠凝固及宏觀和微觀偏析等的模擬，該套模擬系統正逐漸應用于各個鈦合金生產商的等離子冷床爐熔煉。
3、展望
VAR技術是目前成熟且操作簡單的鈦及鈦合金熔煉工藝，同時一些輔助工藝的不斷改進，使熔煉技術進一步得到改善，但VAR工藝不能有效去除低、高雜質且只能生產圓錠，在一定程度上限制了它的發展。
冷床爐熔煉給鈦熔煉帶來了一定的經濟和技術優點，使得廉價原材料能夠得到充分利用，并且有極好的收得率和高的生產率，電子束和等離子束冷床爐熔煉工藝在美國、俄羅斯、德國等工業發達國家得到快速發展，正在逐漸取代傳統的VAR熔煉工藝。
雖然我國在電子束冷床爐熔煉數值模擬技術方面以及單次合金錠熔煉技術方面做了一定的基礎研究工作，但離世界先進水平差距較大，以TC4鈦合金為例，約30%Al成分在電子束冷床爐熔煉過程中揮發，但目前國內還無法實現對易揮發元素的精確控制，因此開發一套高均質鈦合金鑄錠單次電子束冷床爐熔煉控制技術，提高原料的利用率，降低生產成本，是我國未來鈦合金電子束冷床爐熔煉技術發展的趨勢所在。掌握具有自主知識產權的高均質鈦合金鑄錠制備加工技術及鈦合金低、高密度夾雜的凈化和鑄錠成分的控制技術，實現均質、潔凈、細晶大型鈦合金鑄錠制備技術跨越，解決國家重大工程所需鈦材鑄錠熔煉的技術瓶頸，為我國由鈦資源大國變為鈦生產強國提供科學技術支撐，將該技術推廣應用于鈦工業化生產中，可大大降低生產成本，提高生產效率，必將產生巨大的經濟和社會效益。
參考文獻
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