冷床爐是一種先進的鈦合金熔煉技術，經一次熔煉可生產出無夾雜、無偏析、低成本的優質鈦合金鑄錠。本文簡要介紹了等離子冷床爐熔煉的工藝特點，開展了高密度夾雜去除研究的相關試驗，在TC11 合金原料中加入了高密度夾雜物，并進行了單次等離子冷床爐熔煉，檢驗了鑄錠和凝殼中殘留的夾雜物，通過分析、計算，闡述了熔煉速度、熔體滯留時間及夾雜物沉降時間對去除夾雜物的影響，研究了等離子冷床爐對高密度夾雜物的去除效果。

一、前言

　　高密度夾雜（High Density Inclusions,HDI）是鈦合金中的一種重要的冶金缺陷，包括金屬W、Mo、Nb、Ta，這是由于高熔點金屬混入引起的。另外，鈦材在機械加工時，硬質合金刀具崩塊（主要成分為WC）也容易進入鈦屑或回收殘鈦料中。HDI 熔點很高，即使經過兩次或三次真空自耗電弧熔煉（Vacuum Arc Remelting, VAR）也很難得到熔化和溶解。

　　Rudinger的研究結果表明，尺寸為0.6mm 的WC顆粒，兩次VAR 可溶解掉約90%，三次VAR可全部消除，但0.8mm 或者更大尺寸的WC 顆粒經過三次VAR 也無法充分溶解。一種被稱作迄今為止最先進的鈦合金熔煉技術——冷床爐熔煉(Cold hearth melting, CHM)技術的出現，為這些問題提供了有效的解決途徑。研究表明，兩種冷床爐工藝——電子束和等離子冷床爐熔煉技術在去除鈦合金中的硬α夾雜物和HDI 的效果非常顯著。美國GE 公司1988年開始采用CHM+VAR 熔煉鈦合金，上世紀90 年代初在企業標準中規定飛機發動機關鍵轉子零件用鈦合金必須經過一次冷床爐熔煉。

　　冷床爐熔煉與真空自耗熔煉原理不同，圖1是小型等離子冷床爐熔煉簡圖，原料從喂料槽進入熔煉室，被等離子槍所熔化，流入熔煉床，在這個水冷銅爐床中被等離子槍加熱、均勻，再流入坩堝，被攪拌、凝固。由于等離子束的加熱溫度最高可達6000℃以上，冷床中的熔池可被加熱到足夠高的溫度(熔煉時一般液體可達到2000℃)，并且液體在爐床中可以保持足夠長的時間。因此，低密度夾雜TiO2、TiN 等得到熔化或溶解，而高密度夾雜顆粒由于密度遠大于鈦，熔煉時會沉入爐床底部的糊狀區，凝固后留在凝殼里而不進入鑄錠，達到了有效去除高密度夾雜的目的。

　　PACHM 工藝在去除夾雜方面的優勢如圖2所示。VAR 熔煉時，電極中的物質除了能揮發外，其它所有物質(包括高低密度夾雜)熔煉后又留在鑄錠中，去除LDI的唯一途徑只在通過熔池溶解，但溶解效果非常有限，即使經過很多次熔煉也不容易將這些夾雜去除，所以VAR熔煉對原料的要求非常嚴格。與VAR 相比，CHM 工藝可看作是一個開放的系統[5]，即使原料中混入了高密度夾雜物，在熔煉時，這些夾雜物可以通過沉淀進入凝殼中，從而巧妙地與鑄錠分離。

　　在美國，冷床爐熔煉能力已占到鈦總熔煉能力的45%。我國的冷床爐熔煉工藝還處于起步階段，目前只有幾臺設備，尚未開始工業化生產。西北有色金屬研究院、陜西寶雞鈦業、北京航空材料研究院分別引進了冷床熔煉爐。寶鋼股份有限公司特鋼事業部也已引進大型生產用電子束和等離子冷床爐。隨著我國大飛機項目的啟動和國民經濟對優質鈦合金的需求增加，冷床爐熔煉錠及產品的需求量也將迅速增加。

　　國內關于等離子冷床爐的研究非常少，本文旨在通過對熔煉過程中的高密度夾雜物的去除研究，進一步了解、認識冷床爐的熔煉機理。

二、試驗方法

　　選擇綜合性能良好的α-β型鈦合金---TC11 合金作為試驗材料，該合金在500℃以下具有優良的熱強性能和熱加工性能，常規的熔煉工藝需經過三次VAR，主要用于制造航空發動機零部件和飛機結構件。本文采用單次冷床爐工藝熔煉TC11 合金，并對該工藝得到的鑄錠進行研究。采用了北京航空材料研究院的PAM525 等離子冷床爐進行熔煉。熔煉時Ar 氣作為保護氣氛，爐室中的氣壓接近大氣壓，等離子槍氣體采用He 氣。熔煉時兩只等離子槍的設定功率分別為400KW、200KW，水冷坩堝中的攪拌電流為108 A。

　　為了研究冷床爐熔煉工藝對高低密度夾雜的去除效果，熔煉前在原料中加入了純W和硬質合金刀具碎塊。熔煉總共需四只壓塊(Φ130×300mm)，在其中分別鉆孔，孔大小為Φ7×10 ㎜，加入的夾雜物尺寸及位置如下：

　　1）硬質刀具YG8 合金，成分為WC+Co，密度為14.5～14.9g/cm3, WC 含量達92%，WC的熔點為2870℃。將刀具碎塊人工粉碎，制成12 顆碎塊顆粒，共6 種規格，最大一顆四邊長分別為5.0、3.75、2.6、4.5mm，厚度0.52～1.30mm，最小的一顆尺寸為0.60×0.66×1.18 mm；

　　2）燒結純W 塊，其密度約為16g/cm3，熔點3410℃。人工粉碎，從鎢條上取下大小不同的12 顆，尺寸大約為1～6mm；各夾雜加入以下四只壓塊中的1/2、1/2、1/4 和1/2 處，如圖4。熔煉時，各壓塊從左到右依次送入爐中熔化。

　　經過一次冷床爐熔煉后，得到一支φ150*600mm、50kg 的小錠和一個220*280*30mm 凝殼。為使高密度夾雜物區域發生變形，并易于X 射線檢測，將鑄錠和凝殼進行熱變形，工藝如下：

　　1）800℃入爐，1.5 小時升至970℃，保溫2 小時；

　　2）970℃下，用型號為THP10 的2000T 液壓機將Φ150 ㎜棒材鍛壓成截面為190*80mm的扁平材，凝殼鍛壓成320*240*24mm。

　　使用型號為YXLON450_D08 的X 射線設備對整支錠進行無損探測，操作電壓為450kv、曝光時間為6min。用X 射線多次、不同角度對樣品進行拍照，精確確定夾雜物的具體位置，切割、取樣、做金相制備，采用顯微硬度儀測量夾雜物、過渡區、基體的硬度。用OLYMPUS金相顯微鏡觀察殘留的夾雜物，然后用SAMSCAN 掃描電子顯微鏡鏡（SEM）對夾雜物拍照、并做能譜成分分析，確定夾雜物的種類。另外，用X 射線檢測凝殼中的高密度夾雜物。

三、試驗結果與分析

1.鑄錠和凝殼中的HDI 與分析

　　用X 射線檢測，在凝殼中發現了幾乎全部的夾雜物，如圖4（a）中的亮點，凝殼中的裂紋是在熱變形的過程中產生的。夾雜物的分布呈現一定的規律：主要分布在凝殼的中線左右，這是因為壓塊熔化后基本上是沿中線進入爐床熔池的；從液體流向看，大部分夾雜物分布在液體進入爐床的前中部位置。二維方向的分布規律表明，夾雜物進入熔池后，大尺寸的顆粒大部分不前移或沿液體的流向前移很短的距離，就沉入爐床，小顆粒被液體帶到爐床中的其它位置沉淀下來。但是，有的夾雜物即使顆粒較大，也甚至被帶到爐床靠近坩堝一側的邊緣。