发布日期：2020-2-28 16:28:54
从钛及钛合金的熔炼、铸造特性、等离子冷床炉的工作原理等方面分析了钛棒坯进行半连续铸造的可能 性，从三辊行星轧机的工作原理、材料在变形时的受力状态、钛合金的塑性变形特性等方面对铸造钛棒坯三辊行星 轧制可行性进行了分析。指出，真空等离子冷床炉半连续伪造棒坯——三辊行星轧机开坯轧制是一种钛棒线材的高 效率、短流程加工新技术，是今后的研究发展方向。
关键词：钛合金； 钛棒铸造； PWS三辊行星轧机轧制
1、前言
由于钛及钛合金比强度高，具有良好的耐高温、耐腐蚀性能和优异的生物相容性，已成为航空、航海、航天等军工领域和化工、轻工、冶金、建筑、机械、医疗等民用领域及日常生活用品广泛应用的材料之一，是21世纪最具技术魅力及发展前途的金属材料【1】。
但是钛的富集冶炼过程复杂，冶金成本高；钛的密排六方晶体结构和低的导热率使其塑性变形和切削加工困难；钛的化学性能异常活拨，造成铸锭的制造及各种成品、半成品的热处理需要在真空或惰性气体保护下进行；钛和各种钢质材料的亲和力大，造成了工模具的设计制造、润滑过程等难度增加。以上四点均造成了钛及钛合金产品成本保持在很高的水平，产量很低：虽然2008年我国钛制品达到了历史最高水平，所有钛制品总产量也仅为20000t。要想大力提高钛材的应用范围，就必须大幅度降低其制造成本。
降低钛合金制品成本的主要途径有如下3个：
①采用新的低成本、短流程海绵钛的制备技术，降低原材料海绵钛的成本；
②采用廉价的合金元素代替贵重金属元素，改善合金加工特性的新合金设计；
③在提高半成品和成品生产效率和材料利用率等方面的加工技术革新。本文作者根据多年从事钛产品加工技术的开发研究经验，结合钛的加工特性及多种金属压力加工设备工作原理，提出了一种新的钛及钛合金棒线材短流程制备新技术方案，并就新技术方案的可行性进行了分析，以期达到抛砖引玉，吸引志同道合者来共同开发本新技术方案研究的目的。
2、钛及钛合金棒线材短流程制备新技术方案设想
目前，国内外钛棒线材的加工均采用真空熔炼(自耗电弧熔炼或等离子弧熔炼)为大型铸锭——切冒口、扒皮取样分析———锻造开坯(快锻机、汽锤、水压机等)—一锻造(包括自由锻或精锻)、轧制(包括两辊孔型轧制、步进轧制、型辊斜轧制、Y型轧制)或旋锻(两模或四模旋锻机)出棒线材成品的加工方法。可以看出：现国内外钛棒线材的加工方法尽管各有不同，在成材率、生产效率上也有一定的差异，但总的来说，现行的工艺存在生产周期长、成材率低、生产效率低下，难以实行自动化或半自动化生产，产品长度受限制等缺陷。针对现有工艺存在的问题，根据钛合金材料的加工特性，本文作者结合多年从事钛合金新加工技术研究的经验，提出了一套钛及钛合金棒线材短流程制备新技术方案，其简明生产工艺流程如图1、图2所示。新设计的钛合金棒线材短流程制备技术可实现自动化或半自动化生产，达到高效、环保、组织性能均匀、质量稳定性好、生产单根质量达20kg以上小棒线材的目的。
3、新技术方案的技术可行性分析
3.1 钛棒坯熔铸技术可行性分析
3.1.1 真空等离子冷床炉连续或半连续熔铸钛棒坯技术
真空等离子冷炉床熔炼工艺是利用等离子枪发射的集中、稳定、且可控的等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。等离子弧与自由电弧不同，它是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长。与自由电弧相比，等离子弧具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力，从面使它在钛及钛合金熔炼、铸造领域中具备了特有的优势。
真空等离子冷床炉可用于熔炼钛及钛合金大、中、小型铸锭，在俄、美、日及欧洲均已普遍采用，我国则刚刚开始应用研究。该方法制造的最大锭型已达8t，既可以是圆锭，又可以为扁锭，它由两套电子枪组成，其设备工作原理如图3所示。
从图3可以看出：冷床炉在设计上将水冷铜炉床和地埚分开，允许输人能量和熔炼速率的独立控制，从而实现了原材料熔化和铸锭熔炼凝固的分离。在水冷铜炉床中，钛合金原料在图3“B*处经受等离子束的高温高能轰击熔化后在冷床中形成熔池，熔池中熔液的保留时间可以自由控制，在水冷铜炉床中经过精炼、搅拌后的熔液经“E”处的槽口溢流人水冷铜坩埚中，通过坩埚上的等离子枪或电子束枪的再次加热和搅拌， 凝固后形成铸锭。硬a或HDI夹杂物通过两种模式进人拉锭坩埚中，一种是夹杂物在熔池中极高的温度下且有充足的时间来熔化，等离子枪产生的等离子束温度可达到6000℃以上，因此，炉床中的熔液可获得一个非常大的过热度，以促进高熔点夹杂物的熔解； 另一种是因HDI与钛液的较大密度差异， HDI会沉人水冷炉床底部而被凝壳所捕获。熔池保温时间长和熔液温度高可以保证钛合金中的合金化元素能充分熔解和扩散，且通过在冷炉床和坩埚两级熔炼，铸锭的成分偏析能得以很好消除。
根据需要，通过拉锭坩埚的设计，可实现生产多种形状的铸锭，如圆形、方形和矩形。而且冷炉床熔炼采用边熔炼、边搅拌、边凝固拉锭的办法，所以虽然炉床尺寸不大，但所熔炼的合金成分均匀，凝固后拉出的铸锭长度可以较大。通过设计多个喂料系统，加长拉锭地埚的长度，可实现棒坯的半连续或连续铸造，提高成材率及工作效率。
3.1.2真空感应凝壳炉连续或半连续熔铸钛棒坯技术(IS M)
感应凝壳熔炼也称为冷壁地埚感应熔炼，这种熔炼和一般真空感应熔炼及定向结晶炉的加热机理是一样的。采用中频电源，通过囤在地埚外面的感应线圈，产生交变磁场，使坩埚内的金属原料受感应产生涡流而加热“。它们之间的主要区别是使用的坩埚不同， 图4是真空感应凝壳熔炼炉(即IS M炉) 。从图4可以看出：IS M炉使用的是用水冷却的像大木桶壁那样一瓣一瓣的铜制零件固定在一个铜制水冷的坩埚底上，各瓣之间电绝缘，由于每瓣都和底导通，瓣数又较多，较大降低了零件间的电位差，因此消除了引起零件间破坏性电弧。分离状的地埚壁减少了金属液的结壳，原料中的涡流和线圈作用的磁场产生一个向心力，推动液态金属离开分割的地埚壁，并防止与壁分离的部分喷出坩埚，如图5所示。
关于钛及钛合金的感应熔炼，俄罗斯已先后建立了中215.5mm和中508mm的组合式水冷铜地埚感应凝壳炉(也称冷壁地埚凝壳炉IS M) ； 美国的Con-s are公司已能够制造从9~150kg的批量式或半连续式的这种组合式水冷铜坩埚感应凝壳炉，已广泛地应用于钛及其它活性金属以及超洁净的高温合金马；我国沈阳真研真空科技有限公司已能设计制造熔炼钛及钛合金的5~30kg水冷铜坩埚感应凝壳炉；北京钢铁研究院也能设计制造熔炼钛及钛合金的5~15kg水冷铜地埚感应凝壳炉，并已在多家单位获得了应用；日本也可生产最大可容纳50kg的该种设备；其它国家也都不同程度的开展了这方面的研究并进人了工业化应用。
3.2 PWS三辊行星轧机开坯轧制钛铸造棒坯的技术可行性
三辊行星斜轧技术是20世纪70年代研制成功的一项新型压力加工技术，经不断的研究开发完善，现主要应用于圆形棒材和管材的轧制生产线中16-91。
3.2.1三辊行星轧机的工作原理10-1]
PSW三辊行星轧机(如图6所示) 是由固定机架、太阳辊轮、运动回转大盘和以120°分布并装人大盘中的三个轧辊、齿轮传动机构、中心润滑系统等组成。轧机由主、辅电机直接或经调速装置同时驱动运转。
轧辊系统是轧机的重要组成部分，由三个绕轧制轴线互成120°的带渐锥形辊的辊座及相应的调整装置组成。三个倾斜的轧辊轴线与轧制中心线构成倾斜角B(碾轧角)和偏转角a，并围绕棒坯的轴线按120°角平均分布，这样有利于棒坯的旋转咬人。三个互成120°布置的渐锥形轧辊之间形成了轧件的塑性变形区(见图7所示)。借助于辊系的公转与轧辊的自转，自动咬人轧件，形成稳定的轧制过程，使轧件沿着轧制中心线无转动轴向进给。变形材料在变形区处于三向压应力状态，受到轧辊的均匀压缩，产生塑性变形。
从图7的轧辊空间布置图可以看出：由于每个轧辊的轴线与轧制中心线均呈异面直线，所以锥形轧辊在转动时能产生推力，使轧件在减径的同时，沿轧制中心线方向移动。三个轧辊均绕着自己的轴作定轴转动，转动方向相同，靠磨擦力的作用，三个轧辊带动轧件既作旋转，又能使其沿轴向移动。
轧机的运动主要包括轧辊围绕自身轴线的自转、三个轧辊围绕棒坯轴线的公转以及喂料小车推动棒坯的轴向运动，轧辊公转的方向与轧辊自转方向相同。公转的作用主要是抵消工件在轧制过程中的扭转变形，并防止轧出棒的转动和表面的划伤，保证棒材的表面质量。
3.2.2三辊行星轧机进行铸造钛棒塑性变形的可能性
图8是轧辊的实物照片， 可以看出：PSW三辊行星轧机的轧辊由10~20个变形区段组成的，每一个变形区段在瞬间完成变形一—定径过程，最后由10~20个小变形区段组合成整体变形，完成整个变形过程，使道次变形率可达80%~95%以上，金属的变形行为属于点变形，与旋压变形类似。
PSW三辊行星轧机的变形实质是小变形量， 所以轧制力不大，轧制功率省。由于连续积累形成了宏观上的大压下量。三辊行星轧制过程的应力状态好，对轧制质量有利，尤其是适合一些加工温度范围较窄的难变形金属材料，如镍钛合金等，均试轧成功。
PSW三辊行星轧机道次变形量很大， 但轧制力矩却很小，由于电动机功率与轧制力矩成正比，所以与挤压、锻造及其它轧制方法相比，行星轧制的能耗很低。该轧机的主要优点如下：①通过轧辊的自转与公转，实现金属大的变形量；②大变形量产生巨大的变形热和磨擦热，使材料在短时间内温度达到再结晶以上，同时完成材料的热处理过程；③三轧辊能提供一定的推进量，使材料在变形区内受到强烈的三项压应力作用，适合于铸造组织或难变形材料的变形。
PSW三辊行星轧机可用于钛材的加工， 从以下几点可以看出：①三辊行星轧制已成功的应用在钢、铜等管、棒、线材的生产中，应用效果很好；②三辊行星轧制已应用于钨、钼等材料烧结棒坯的轧制生产中，其道次加工率达85%以上；③铸造TC4棒坯通过步进轧机轧制已获得成功；④铸造TA2管坯通过旋压变形已制备出了组织、性能满足国标要求的薄壁管材。
4、结语
开发钛半成品短流程新技术，提高成材率、工作效率及产品质量的均匀一致性是从事钛半成品研究、生产工作者孜孜追求的目标。钛半成品中钛棒线材制备工艺简单，是研究短流程(连铸连轧)制备技术的良好切人点。
采用真空等离子冷床炉实现钛棒坯连续铸造，并用三辊行星轧机开坯的连铸连轧法生产钛棒线坯的技术方案是可行的：三辊行星轧机轧制可实现钛铸态晶粒的充分破碎，解决钛铸坯中心的锻透性问题，其道次变形率至少可达80%(一般均在95%左右)以上；真空等离子冷床炉连续铸造棒坯——三辊行星轧机开坯轧制是一种钛棒线材的高效、短流程新加工技术，是今后的发展方向。
西北有色金属研究院是国家专门从事稀有金属材料加工研究及生产的综合性研究院，现已拥有许多先进的仪器设备等硬件设施，今后应从新加工技术等软件上下一些工夫，研究出独有的新加工技术，为其钛产业达到世界领先而努力。
希望从事钛材料、加工技术、加工设备设计制造等方面的有志之士能分工合作，联合攻关，勇于创新，使该种新技术早日变为现实，为钛加工技术的发展开创新路。
作者：杨英丽，赵彬，苏航标，吴金平，赵恒章，郭获子
(西北有色金属研究院，陕西西安710016)
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