由于鈦及鈦合金具有較高的耐腐蝕性、耐熱性、無磁性等特點，在眾多金屬材料中脫穎而出，被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。鈦金屬因其獨特優(yōu)勢，被稱為“第三金屬”“太空金屬”“海洋金屬”，可見其在現(xiàn)代高技術(shù)工業(yè)中的重要地位。鈦及鈦合金的應(yīng)用深度可從側(cè)面反映出國家的綜合國力、國防實力等水平，是高新技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料。自科技快速發(fā)展以來，高精尖裝備需求不斷上升，特別是航空、航天、深海探索等戰(zhàn)略性領(lǐng)域，鈦及鈦合金將面對更加嚴峻的應(yīng)用環(huán)境。因此，對鈦及鈦合金鑄錠制備工藝進行研究具有重要價值。

1、鈦及鈦合金標準

鈦及鈦合金標準體系涵蓋基礎(chǔ)規(guī)范、產(chǎn)品要求及檢測方法，基礎(chǔ)類標準如GB/T3620.2—2023《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分允許偏差》，產(chǎn)品標準涉及GB/T3625—2007《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》、棒材GB/T2965—2023《鈦及鈦合金棒材》等。

2、鈦及鈦合金鑄錠市場需求分析

伴隨全球經(jīng)濟迅速發(fā)展，鈦合金作為高科技材料，需求量急劇上升。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的數(shù)據(jù)顯示，2023年全球海綿鈦產(chǎn)量約44.4萬噸，其中中國海綿鈦產(chǎn)能維持增長態(tài)勢，在全球產(chǎn)能占比逐步提升，年產(chǎn)能增至27.9萬噸，同比占比達63.0%，該數(shù)據(jù)彰顯中國在鈦合金制造方面的強大實力。從應(yīng)用優(yōu)勢角度來看，高品質(zhì)鈦錠具有良好的物理、化學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子技術(shù)、醫(yī)療等多個高科技領(lǐng)域。通過對比中美兩國高品質(zhì)鈦錠應(yīng)用情況可以看出，美國64%的鈦錠被應(yīng)用于航空、軍事領(lǐng)域，展現(xiàn)其在國防與高科技產(chǎn)業(yè)對高端鈦錠的高度依賴。而中國的鈦錠雖然產(chǎn)量龐大，但其在航空及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用比例僅為15%[1]。美國作為全球首個實現(xiàn)海綿鈦、鈦加工工業(yè)化的國家，也是最大鈦錠消費國，不僅重視高端鈦錠研發(fā)生產(chǎn)，而且致力于不斷提升鈦錠性能，滿足航空領(lǐng)域等尖端裝備需求。另外，日本在鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面展現(xiàn)出民用特色，主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域，覆蓋石油化工、建筑、冶金等多個行業(yè)。從全球鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢來看，主要方向是引入先進技術(shù)，制備高品質(zhì)鈦合金鑄錠，這反映了鈦材料在高科技領(lǐng)域的重要地位[2]。

3、鈦及鈦合金鑄錠制備工藝

3.1真空自耗熔煉

在鈦及鈦合金鑄錠制備工藝中，真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)被廣泛使用，其主要操作方式為利用直流低電壓、高強度電流引發(fā)電弧效應(yīng)，利用電弧連接自耗電極下端與結(jié)晶器，并在熔池上方創(chuàng)建高溫電弧等離子體區(qū)域，該熱區(qū)達到極高溫度，可促使自耗電極逐漸熔化，激發(fā)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，對去除氣體雜質(zhì)起到重要作用[3]。

真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)主要優(yōu)勢為可提高氣體、非金屬夾雜物、低熔點有害物質(zhì)去除效率，改善鈦材冷加工、熱加工過程中的性能，提高其機械性能，同時還可減少鑄錠縱向、橫向性能上的差異，確保鈦材在實際應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性與可靠性。與此同時，真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)還可使用水冷銅結(jié)晶器完成熔煉設(shè)計，防止金屬、耐火材料之間形成相互作用，使金屬保持潔凈避免污染。尤其是在水冷條件下，金屬熔體凝固速度極快并形成結(jié)晶，同時也會生成組織均勻、無縮孔鑄錠[4]。

結(jié)合實際應(yīng)用情況，真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)具有較強應(yīng)用優(yōu)勢，但也會在使用過程中面臨問題，如真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)會對材料配比、電極壓制等方面有一定的嚴格要求，同時還會嚴格要求海綿鈦的疏松度和顆粒度。此外，在使用真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)時，生產(chǎn)消耗時間較多，且需對其進行2~3次熔煉，才能確保鈦及鈦合金鑄錠組織的成分滿足需求。重熔期間，電極邊熔化邊結(jié)晶，熔化電極后的電極會被直接整合入熔體內(nèi)，待徹底凝固后轉(zhuǎn)化為鑄錠。此外，由于重熔過程實施過程中，熔池深度較淺，且熔體高溫階段滯留時間短，無法精煉過濾。因此必須持續(xù)優(yōu)化工藝，才可克服現(xiàn)有技術(shù)問題[5]。

3.2電子束冷床

電子束冷床熔煉技術(shù)作為前沿金屬熔煉手段，在鈦及其合金鑄錠制備領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。電子束冷床熔煉技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，使用電子束作為加熱源，在高電壓條件下，電子由陰極釋放經(jīng)過陽極加速，形成高能量電子束，通過電磁聚焦透鏡精準引導(dǎo)、偏轉(zhuǎn)磁場，轟擊待熔煉材料。該過程進行過程中，電子動能被轉(zhuǎn)化為熱能，使原料迅速熔化。

電子束冷床熔煉技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，對操作環(huán)境的要求較為嚴格，例如，該過程必須在真空環(huán)境下進行，為熔煉過程提供潔凈空間，去除鈦合金中低熔點揮發(fā)性金屬、雜質(zhì)，從而提高鑄錠的純度。通過熔煉、精煉、鑄錠凝固等多個工藝流程，電子束冷床熔煉技術(shù)能有效去除鈦合金中的低密度夾雜物、高密度夾雜物，提升鑄錠冶金品質(zhì)。電子束冷床熔煉技術(shù)的優(yōu)勢是不需要對原料進行壓制電極處理，可使原料選擇范圍更加 廣泛，包括海綿鈦、鈦屑、各種廢鈦材料等[6]。

在鈦屑回收、純鈦熔煉方面，電子束冷床熔煉技術(shù)也具有良好應(yīng)用效果。例如，國內(nèi)已將電子束冷床熔煉技術(shù)納入鈦及鈦合金生產(chǎn)流程，成功制造高質(zhì)量產(chǎn)品。從技術(shù)角度來看，電子束冷床熔煉技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在其具有高效、純凈熔煉過程。通過精準控制電子束能量轟擊位置，可針對性加熱、熔化原料，避免了傳統(tǒng)熔煉方法中可能出現(xiàn)的局部過熱、熔化不均勻等現(xiàn)象。但是，盡管電子束冷床熔煉技術(shù)取得良好應(yīng)用效果，但其未來發(fā)展依舊面臨較多挑戰(zhàn)，例如，如何進一步提高熔煉效率并降低能耗、如何優(yōu)化工藝參數(shù)等。

3.3等離子束冷床熔煉

等離子束冷床熔煉技術(shù)應(yīng)用過程中，使用的等離子熱源可分為單槍式、多槍式兩種，最高加熱溫度可達到6000℃，幾乎能熔化所有金屬、非金屬材料。等離子束冷床熔煉技術(shù)應(yīng)用過程較為復(fù)雜，技術(shù)人員需要將原料送入喂料槽，之后進入熔煉室。在熔煉室內(nèi)，等離子槍發(fā)出高溫等離子束將原料迅速熔化，熔融金屬液體流入熔煉床，基于水冷銅爐床作用下，金屬液會被加熱、均勻化處理，之后流入坩堝中。坩堝內(nèi)部，金屬液經(jīng)過電磁攪拌逐漸凝固，形成鑄錠。

等離子束冷床熔煉技術(shù)具有集中能量、高熔煉溫度、顯著提升熔化速度等優(yōu)勢。即便在高溫環(huán)境下，等離子束冷床熔煉技術(shù)也可將TiO2、TiN等低密度夾雜物有效熔解，有效提高鑄錠純凈度。同時，爐料中高密度夾雜物在熔化中會沉降至冷爐床底部，在凝固完成后保留于凝殼內(nèi)，不會影響最終鑄錠的質(zhì)量。

從等離子束冷床熔煉技術(shù)的缺陷角度來看，由于等離子束能量高度集中且具有較高熔煉溫度，容易造成低熔點合金元素揮發(fā)，導(dǎo)致合金成分控制難度較大。同時，等離子束冷床熔煉設(shè)備，生產(chǎn)難度較高，生產(chǎn)過程也較為復(fù)雜，無法被廣泛應(yīng)用于鈦及鈦合金鑄錠熔煉中。為解決上述問題，企業(yè)應(yīng)積極尋求解決方案，例如，通過優(yōu)化等離子束參數(shù)、優(yōu)化熔煉工藝等方式，減少低熔點合金元素的揮發(fā)。另外，若要降低設(shè)備生產(chǎn)成本，增強等離子束冷床熔煉技術(shù)經(jīng)濟效益，可通過改善局部設(shè)備結(jié)構(gòu)、選用新型材料等措施，減少設(shè)備制造、維護開支。

3.4真空感應(yīng)熔煉

3.4.1水冷銅坩堝熔煉

真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)是快速結(jié)合電磁感引起渦流熱效應(yīng)將金屬熔化。該過程中電磁力可確保金屬與坩堝壁間實現(xiàn)軟接觸狀態(tài)，避免高溫條件下坩堝材料對熔體造成污染，確保熔煉過程的純凈性。真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)主要優(yōu)勢為可利用感應(yīng)加熱、電磁攪拌，實現(xiàn)熔池溫度的均勻分布，精確控制合金熔液的成分，從而改善材料的均質(zhì)性。同時，真空感應(yīng)懸浮熔煉還展現(xiàn)出卓越適應(yīng)能力，應(yīng)用范圍可拓展至超合金、金屬間化合物、頂級純度濺射靶材、難熔金屬多個領(lǐng)域。此外，真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)還可與其他現(xiàn)代材料制備方法緊密結(jié)合，催生系列創(chuàng)新技術(shù)，如冷坩堝電磁連鑄技術(shù)、冷坩堝定向凝固技術(shù)等，使材料制備乘用路徑更加豐富。

但真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)在應(yīng)用過程中也會面臨一定挑戰(zhàn)，例如，該技術(shù)中水冷銅坩堝能耗較高，且在冷卻方面存在許多技術(shù)難題。結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀來看，若想制備全感應(yīng)懸浮熔煉材料，其質(zhì)量被限制在100kg范圍內(nèi)，使該技術(shù)在航空航天、艦船等領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，無法滿足大規(guī)格、高均質(zhì)性鈦合金鑄錠的需求。為解決該問題，科研機構(gòu)專注于優(yōu)化真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)工藝參數(shù)，希望降低能耗、提升冷卻效率。

3.4.2半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉

受到電源技術(shù)、冷卻技術(shù)限制，傳統(tǒng)感應(yīng)熔煉方法無法滿足大規(guī)格鈦合金鑄錠制備需求，為有效應(yīng)對該問題，可使用半連續(xù)感應(yīng)熔煉技術(shù)。半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉技術(shù)核心工作原理是在維持真空狀態(tài)基礎(chǔ)上，通過持續(xù)投料將合金原料逐步添加至水冷銅坩堝中，水冷銅坩堝在感應(yīng)電磁場作用下能生成大量熱能，使合金原料迅速熔化。完成熔化后，技術(shù)人員使用拉錠裝置將熔融合金下拉至結(jié)晶器內(nèi)，之后開始凝固成錠。

從學(xué)術(shù)研究層面來看，半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉技術(shù)獲得廣泛認可，如某工大學(xué)研究小組通過感應(yīng)熔煉連續(xù)拉錠方法，獲取小規(guī)格鈦合金定向凝固特性數(shù)據(jù)。在該過程中，技術(shù)人員精確控制熔煉、拉錠全過程，成功制備性能卓越的鈦合金材料。然而，該研究成果仍限于小規(guī)格鑄錠，為解決該缺陷，國內(nèi)某企業(yè)投入大量資源進行研發(fā)，成功研制650kg級半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉設(shè)備，設(shè)備采用真空加料、感應(yīng)熔煉、間歇拉錠等先進工藝，實現(xiàn)大規(guī)格鈦合金鑄錠高效制備。

3.4.3陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉

陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉實施過程中，其會生成較高溫度，同時還可保障良好電磁攪拌效果，可對成分均勻的鑄錠進行單次熔煉。相比于前兩種熔煉來說，陶瓷坩堝真空感應(yīng)熔煉無需使用強制水冷方式，同時還可節(jié)約能量損耗，可有效解決目前行業(yè)中熔煉能耗高、成分不均勻等問題。結(jié)合目前研究現(xiàn)狀來看，某些研究人員于AIN粉末內(nèi)使用活化燒結(jié)助劑獲取混合物質(zhì)，之后將其加入球磨機內(nèi)采取球磨濕混處理。之后將漿料進行烘干，并獲取混合粉末，還會在其中投入有機粘結(jié)劑完成造粒，最后研磨過篩。最后制備完成陶瓷坩堝，可對小規(guī)格鈦合金鑄錠形成良好熔煉效果。

4、鈦及鈦合金鑄錠制備工藝發(fā)展現(xiàn)狀解析

真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)作為傳統(tǒng)工業(yè)熔煉方法，歷經(jīng)多年發(fā)展，工藝相對成熟、設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能高效制備質(zhì)量較高的鈦及鈦合金鑄錠，該技術(shù)在國內(nèi)外多個工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是航空航天、醫(yī)療器械等高端制造行業(yè)。應(yīng)用真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)生產(chǎn)出的鈦及鈦合金錠具備卓越力學(xué)性能、耐腐蝕特性，滿足高標準工業(yè)需求。對于電子束冷床熔煉技術(shù)來說，因其高效、純凈熔煉特性，為產(chǎn)品質(zhì)量提供堅實保障。與此同時，水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)結(jié)合感應(yīng)加熱、電磁懸浮雙重優(yōu)點，能在維持真空狀態(tài)下實現(xiàn)合金快速熔化、均勻冷卻，使該技術(shù)特別適合制備大規(guī)格、高品質(zhì)鈦及鈦合金鑄錠。

雖然等離子束冷床熔煉、半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉技術(shù)，其在鈦及鈦合金鑄錠工業(yè)應(yīng)用中存在一定局限，但隨著科技持續(xù)進步，等離子束冷床熔煉和半連續(xù)真空感應(yīng)熔煉技術(shù)將在鈦及鈦合金鑄錠制備中發(fā)揮更加重要的作用，并利用各種熔煉技術(shù)交融創(chuàng)新，成為推動鈦及鈦合金材料制備技術(shù)持續(xù)發(fā)展的強勁動力。

5、結(jié)語

在材料科學(xué)體系中，鈦及鈦合金鑄錠制備工藝屬于其中重要構(gòu)成部分，隨著工業(yè)需求不斷增長，尤其是航空航天、醫(yī)療器械等高端制造領(lǐng)域，會對鈦及鈦合金鑄錠制備工藝提出更高要求。通過文章分析，鈦及鈦合金鑄錠制備工藝仍存在一定缺陷，當(dāng)前研究方向主要圍繞提高鑄錠純凈度、均質(zhì)性等關(guān)鍵目標。在熔煉過程中，相關(guān)企業(yè)應(yīng)盡量避免雜質(zhì)引入，開展熔煉工藝設(shè)計過程中，需保障設(shè)計方案簡單高效。具體來說，應(yīng)縮短 鈦及鈦合金鑄錠制備工藝流程，減少與外界環(huán)境接觸機會，可有效降低雜質(zhì)污染風(fēng)險。同時，實施鈦及鈦合金鑄錠制備工藝過程中，還應(yīng)科學(xué)選擇熔煉坩堝，坩堝材料應(yīng)具備高度惰性，不與熔體發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，以防止坩堝材料成為雜質(zhì)來源。并且，為提高鈦及鈦合金鑄錠制備工藝水平，還應(yīng)保障鑄錠均質(zhì)性。實際應(yīng)用中，熔煉工藝必須具備良好溫控、攪拌能力，確保熔體在熔煉過程中均勻混合，避免成分不均。此外，還應(yīng)積極采用高效熔煉技術(shù)，如電子束熔煉、等離子熔煉技術(shù)等，通過精確控制熔煉溫度、時間，進一步提升鑄錠均質(zhì)性。另外，為促進鈦及鈦合金鑄錠制備工藝獲得持續(xù)發(fā)展，還應(yīng)重視降低生產(chǎn)成本，為實現(xiàn)該目標，應(yīng)優(yōu)化原料使用策略、減少能耗等，有效降低鈦及鈦合金鑄錠制備工藝成本。此外，還要積極開發(fā)新型熔煉技術(shù)，促進鈦及鈦合金鑄錠制備工藝體系的持續(xù)進步。

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（注，原文標題：鈦及鈦合金鑄錠制備工藝的發(fā)展現(xiàn)狀）

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