TC4钛合金的熔炼方法及生产工艺

目前世界上生产的钛合金中,有50%以上是TC4钛合金,在工业应用方面,TC4钛合金的使用量高达80%以上。TC4钛合金已成为世界上所有钛合金牌号中品种规格较齐全、工业量最大的国际通用型钛合金。然而,成本问题限制了其广泛应用。世界各国,尤其是美、日、俄、中国等都在积极寻找降低成本的方法和工艺。钛合金的成本主要取决于原料成本和熔炼、加工成本。为了降低成本,一方面采用廉价元素,降低原料成本;另一方面改进生产工艺,降低熔炼和加工成本。

目前,世界上常用的熔炼方法有以下5种:

1、真空自耗电弧炉熔炼法;

2、非自耗真空电弧炉熔炼法;

3、冷炉床熔炼法;

4、冷埚熔炼法;

5、电渣熔炼法五种方法。

世界上提炼海绵钛均采用Kroll法,尚无可行的低成本生产方法取代该方法,因此,在海绵钛生产技术未取得重大突破之前,仅通过使用价格低廉的合金化元素的方法难以使钛合金成本大幅降低。然而,钛合金生产过程中,由于切头、切边、表面车削清理等加工需要,会产生大量的返回料。由于钛合金返回料的成本只有一些筛选、破碎、清理带来的附加成本,不到海绵钛成本的三分之一。若能在合金制备过程中大量利用返回料,则可以显著降低成本。常规生产流程制备的钛合金板的成本构成中,海绵钛成本占总成本约40%,合金化元素的成本仅占总成本6.7%;熔炼和变形加工成本分别各占总成本约20%和约26%。因此,降低原料成本且缩短加工流程是降低钛合金成本的有效途径。此外,目前常用的钛合金熔炼工艺是真空自耗电弧熔炼(VAR),采用该工艺需要预先压制电极。为保证电极的强度,返回料仅能少量地添加到电极中,回收利用率受到限制,降低成本作用有限。电子束冷床熔炼(EBCHM)技术的日趋成熟为钛合金的低成本化制备提供了重要的技术途径。

EBCHM有如下优点:

1、较好地消除高、低密度夹杂,可获得组织均匀的铸锭;

2、可100%利用返回料,而生产Ti-6Al-4V合金的VAR只能利用30%以下的返回料;

3、可1次熔炼成锭;

4、可生产扁锭,减少后续加工量。本研究采用EBCHM代替传统的VAR,通过大量添加返回料,单次熔炼生产TC4钛合金扁锭;扁锭表面处理、包覆后直接开坯轧制,制备8mm厚TC4钛合金板;同时将VAR和EBCHM铸锭制备板材的制造成本进行了对比。


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