发布日期：2022-4-25 10:34:29
引言
金属熔炼技术随着科学技术的发展和生产的需要不断完善，近年来，新的熔炼方法不断涌现，使材料的质量和产量得到提高，但还存在耗能高、损耗大、经济技术指标较低等问题，所以研究现有熔炼技术并不断开发新的熔炼技术具有深远的意义。与其他金属相比，钛及其合金是高化学活性金属，在熔融状态下，几乎与所有耐火材料发生化学反应，且不能在大气中进行熔炼，必须在真空或惰性气氛下进行，因此掌握钛合金的熔炼技术难度较大，目前只有少数国家掌握了钛合金的熔炼技术。
钛及钛合金的熔炼主要分为两类：真空自耗和真空非自耗熔炼。真空自耗熔炼主要包括真空自耗电弧熔炼(Vacuumarcremehing，VAR)、电渣熔炼以及真空凝壳炉熔炼。真空非自耗熔炼主要包括真空非自耗电弧熔炼、冷坩埚感应熔炼、冷床炉熔炼l_5]，而冷床炉熔炼又分为电子束冷床炉熔炼(Electronbeamcoldhearthmmelting)和等离子束冷床炉熔炼(Plasmaarccoldhearthmelting)。目前钛及钛合金铸锭的工业化生产中应用最广泛的是真空白耗电弧熔炼和冷床炉熔炼。
1、真空自耗电弧熔炼技术
1.1VAR熔炼原理及特点
目前，生产钛及钛合金铸锭的主要方法仍为真空自耗电弧熔炼，并可能在今后较长一段时间占据熔炼工艺的主导地位。图1为真空自耗电弧炉示意图，其中将压制好的自耗电极作为负极，铜坩埚作为正极，在真空或惰性气氛中，将自耗电极在电弧高温加热下迅速熔化，形成熔池并进行搅拌，一些易挥发杂质将加速扩散到熔池表面被去除，合金的化学成分经过搅拌可达到充分均匀。
VAR技术的优点是熔炼速度快，工艺自动化程度高、操作简单、可生产大型铸锭，可满足一般工业要求，对于易挥发杂质和某些气体(如氢气、氮气)的去除有良好的效果；能降低高蒸气微量元素的含量；可得到从下向上的近定向凝固柱状晶；降低宏观偏析和微观偏析；多次重熔后铸锭的一致性和均匀性较好。随着科学技术的进步，VAR技术不断完善，通过运用先进的技术，生产出了大规模、低偏析、高质量的铸锭。
VAR技术还存在着一些不足，如熔炼易偏析合金元素较多的钛合金时，仍然会出现宏观和微观偏析；化学成分均匀性差；容易产生组织缺陷；必须用较大的压力机制备自耗电极、残料利用率低，不能有效去除低、高密度夹杂等。另外，该工艺回收废料困难，生产的铸锭发生夹杂的频率很高，因而限制了它在熔炼高质量合金中的应用。现在自耗电极电弧炉多用来重熔铸锭，这在一定程度上克服了上述缺点，可生产致密、无缺陷、成分均匀，具有所要求的化学成分、尺寸和晶粒结构的铸锭。
1.2VAR熔炼技术发展现状
VAR技术经过5O多年的发展，已经较为完善成熟，近年来的技术发展主要表现在5个方面：
(1)铸锭尺寸大型化。电弧熔炼是一种批次工艺，因此增大批次规模会提高效率。随着现代工业对大型锻件的需求逐渐增多，需要较大规格的铸锭。大型VAR炉在国外的制造技术生产、工艺已经较为成熟和完善，据了解大型VAR炉可熔炼直径为1524mm、质量达30t的钛铸锭，国外工业发达国家熔钛用真空白耗电弧炉吨位多为8～15t。我国钛熔炼主要采用VAR炉，但炉型较小，20世纪90年代增设了6tVAR炉，2002年以后，宝钛集团先后引进4台10t炉，宝钢集团引进2台10t炉，1台15t炉，西部钛业引进2台8t炉、1台12t炉，西部超导公司也先后引进4台8t炉、铸锭生产实现了大型化。
(2)工艺自动化。VAR炉全自动重熔工艺日趋成熟。现代VAR炉采用先进的计算机自动电控盒数据收集系统，根据重熔配方进行电脑控制重熔工艺，重熔对给定的合金和铸锭规格建立良好的熔炼模式，并分析熔炼过程中出现的问题，获得良好的铸锭表面质量和内在的冶金质量，提高金属成品率。目前VAR熔炼的工艺模拟已经发展到能合理准确预测凝固条件、熔池深度和化学成分。新一代模型要求能够预测结晶特征，如β斑，并给出结晶时的三维条件。
(3)生产高效化。自动称重混布料系统、大型真空等离子焊箱、残极焊接装置等辅助设备的应用，能够制造出高质量的自耗电极，使得VAR工艺更具有稳定性和重复性，提高铸锭质量和成品率，此外，国外设计的VAR炉通常采用双工位布置方式，熔炼时在两个工位交替进行，提高了生产效率。
(4)供电方式的改变。过去的VAR炉供电方式为非同轴的，当强大的电流通过电路时，产生很强的磁场，使熔炼过程电弧不稳定。现在新型的VAR炉均采用同轴型供电方式，可以抵消磁场的影响，防止偏析产生，特别是针对大型铸锭，采用这种供电方式非常有必要。
(5)数值模拟技术的发展。VAR技术虽然工艺简单、操作方便，但由于热源的特点导致熔体温度分布不均，从而使所得铸锭存在成分、组织不均匀，易出现凝固缺陷等问题，而铸锭重熔凝固过程中的成分、组织特征与其温度场的分布直接相关，因此，探讨铸锭温度场分布规律与工艺参数的关系是获得成分、组织均匀的高品质铸锭的基础。近年来，国内外学者多采用数值模拟方法研究VAR工艺过程的温度场、电磁场和流场等特征，法国的Hafid等口。建立了数学模型来研究VAR过程中自耗电极的热行为，利用模型成功预测熔炼速度以及自耗电极底部形状变化，并通过实验验证模型的准确性。国内的赵小花等]基于VAR过程的热平衡关系，建立了钛合金铸锭VAR过程的电磁场、温度场和流场的有限元模型，实现了多物理场的顺序耦合；揭示了熔炼电流、电磁搅拌、冷却条件等工艺参数与电弧特性、熔池表
面及流动行为、电磁场和铸锭温度场分布的关系规律，采用所建立的模型准确预测了铸锭成分分布(含偏析)、缺陷分布及凝固组织形貌，指导了大飞机主干材料TC4一DT、TC21钛合金5t、8t铸锭、TB6钛合金1t铸锭熔炼工艺改进和批次稳定性研究，大大提高了铸锭的成分均匀性、洁净度和批次稳定性。
2、冷床炉熔炼技术
冷床炉熔炼技术是在航空用钛合金高质量、高可靠性的迫切需求的形势下出现的，在解决低、高密度夹杂及成分均匀性方面比较好地解决了真空自耗电弧熔炼的不足，与真空感应熔炼相比，也更适合工业化生产。近20年来，国外学者在冷床炉熔炼的数值模拟、工艺简化、参数优化、显微组织改进等方面进行了大量的研究开发工作，这将成为未来高性能、多组元、高纯度钛合金和金属间化合物研究及生产不可少的技术。
在航空飞行史上，有不少飞行事故是由于钛合金的冶金缺陷引起零件的提前断裂，从而导致发动机和飞机失效。据美国FAA(联邦航空局)的报道，1962-1990年间，美国共有25起飞行事故是由和熔炼工艺相关的缺陷引起零件的失效或早期断裂造成的，其中影响最为严重的冶金缺陷是硬a夹杂物和高密度夹杂物1]，有数据统计表明，能被检测出的硬夹杂只占总数的1／100000，大部分硬a夹杂物没有被检测出来。因此，提高钛合金的冶金质量成为钛发展和研究的关键技术之一，直接影响航空发动机和飞机的使用可靠性。1989年美国Iowa州Sioux城发生的IX；一10坠机事件造成111人遇难，经调查，事故原因是发动机的Ti一6A1—4V钛合金一级风扇盘上存在硬夹杂，造成了盘件的早期疲劳断裂。
这次灾难性事故进一步说明了钛合金部件冶金质量的重要性。
冷床炉熔炼技术是20世纪80年代发展起来的一种生产洁净金属的先进熔炼技术，其独特的精炼水平可以有效地消除钛合金中的各类低、高密度夹杂物，解决了长期困扰钛合金工业界和航空企业的一大难题，已成为当前生产航空发动机钛合金转动部件不可替代的先进熔炼技术。国外先进企业采用冷床炉进行钛合金熔炼，解决铸锭高、低密度夹杂问题，被作为预防航空转动件和关键结构件冶金缺陷、避免引起灾难事故的关键技术，是实现钛合金材料零缺陷纯净化技术的重要途径。美国现行宇航材料标准中要求重要用途关键部件的钛合金材料必须使用冷床炉制备技术。如GE公司于1988年开始采用冷床炉熔炼加真空自耗电弧熔炼技术生产航空发动机关键转子零件用钛合金铸锭。
目前，我国航空用钛合金的熔炼基本采用真空自耗电弧炉熔炼方法。对于质量要求高的钛合金铸锭，一般要经过3次VAR熔炼，以获得成分均匀、缺陷率低的铸锭。在我国，用VAR工艺生产的钛合金铸锭、随后的半成品和铸件中曾发现多起夹杂物和成分偏析等冶金缺陷，严重影响了材料的使用可靠性，造成的经济损失也很大_2。为了提高我国钛合金的熔炼水平和航空用钛合金的质量控制，我国的航空部门和冶金部门等相关单位非常重视，截至2014年，先后有7家单位已经各自引进并安装了8台电子束冷炉床熔炼炉和2台等离子冷炉床熔铸炉。
2.1冷床炉熔炼原理及特点
冷床炉在设计上将熔炼过程分为3个区域：熔化区、精炼区和结晶区。在熔化区，原料由固态变成液态后流向精炼区；在精炼区，由于钛液在冷床上可停留较长时间，可有效去除易挥发杂质(如H、C1、Ca、Mg等)，低密度夹杂(LDI)(如TiN)可以上浮至熔池表面通过溶解消除，而高密度杂质(HDI)(如W、WC等)则可以下沉至冷床底部被凝壳捕获，并充分实现合金化、减小偏析；最后通过溢流嘴流入结晶器，凝固成圆形铸锭或扁锭，冷床炉示意图见图2。
冷床炉根据热源不同，可分为电子束冷床炉和等离子束冷床炉。电子束冷床炉以电子束为加热源，在高电压下，电子从阴极发出，经阳极加速后形成电子束，在电磁透镜聚焦和偏转磁场的作用下轰击原料，电子的动能转变成热能，使原料熔化，可以熔化各种高熔点金属。电子束冷床炉要求在1×10Pa高真空下进行。高真空有利于去除钛合金中的低熔点挥发性金属和杂质，起到提纯作用。等离子束炉以等离子束为热源，等离子束与自由电弧不同，它是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长。与自由电弧相比，等离子束具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力，从而使它在熔炼、铸造领域中具有独特的优势。等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作，可以防止Al、Sn、Mn、Cr等高挥发性元素的挥发。
与真空自耗电弧熔炼相比，电子束冷床炉熔炼具有很多优势：
(1)可以采用多种形式的原材料如散状海绵钛、残料以及钛屑等，无需压制电极，缩短原材料准备时间，降低成本，提高效率；
(2)能够大量使用经济的原材料，如含有碳化钨杂质的切削料，残料添加比例可达100%；
(3)能够有效去除易挥发杂质以及低、高密度夹杂；
(4)通过控制功率密度，控制钛熔体在冷床中的停留时间，保证合金元素充分均匀化，避免偏析，熔炼速度和熔池温度可以灵活控制；
(5)可生产不同截面的铸锭如圆锭、扁锭或空心锭，减少板材与管材生产时的后续加工，可明显减少金属加工损耗，采用矩形截面的锭坯用于板材生产可以显著提高金属收得率；
(6)通过对进料口和溢流嘴的控制，可以实现一次成锭，一炉多锭，降低熔炼费用，提高生产效率。
与电子束冷床炉熔炼工艺相比，等离子束冷床炉熔炼工艺有如下特性：
(1)等离子束作为热源熔炼钛合金时，等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作，可以防止Al、Cr、Sn、Mn等高挥发元素的挥发，可实现高合金化和复杂合金化钛合金元素含量的精确控制。
(2)等离子枪产生的He或Ar等离子束是高速和旋转的，对熔池内的钛液能起到搅拌作用，有助于合金成分的均匀化。
(3)等离子冷床炉熔炼时熔池大、深度相对较深，可以实现溶液的充分扩散。
(4)等离子是在接近大气压气氛下工作，因此不受原材料种类的限制，可以利用散装料，如海绵钛、钛屑、浇道切块等，也可以用棒料送入；而电子束炉需要在高真空度下(d0.1Pa)工作，在熔炼由海绵钛组成的进料时，因海绵钛中释放的气体会使得真空度下降，无法保证电子束枪的正常工作。
(5)熔炼时需要消耗大量惰性气体(氩气或氦气)，增加了熔炼成本，为了降低成本，回收利用昂贵的氦气，大型PACHM炉常需配备惰性气体回收装置。
(6)生产效率不如EBCHM炉，在同样功率下，EBCHM炉的熔炼速率约为PACHM炉的2倍，所以在冷床炉熔炼中，纯钛的熔炼主要以电子束为主。
2.2EBCHM技术发展现状
目前世界上能生产冷床炉的公司主要有4家，即美国的Retech公司、Consarc公司，德国的ALD公司和乌克兰的巴顿焊接研究所。冷床炉熔炼技术在国外发展较快，应用最广，尤其是美国冷床炉熔炼技术发展最成熟，生产能力最大，产能约占美国钛熔炼总产能的45%。
电子束冷床炉根据电子枪工作原理不同又可分为冷阴极和热阴极电子枪加热，目前应用最广的是传统的热阴极电子束冷床炉，如美国Allvac公司1999年装备了全世界最大的EB冷床炉，功率为5600kw，8枪，2路床，2坩埚，2供料系统，最大锭重22.7t(圆形、方形)，能熔炼860mmX1420mm扁锭，直接轧制成板材，美国采用单次锭电子束熔炼工艺生产的Ti6A14V板材代替多次VAR或“Hearth+VAR”板材产品，在军用和民用领域已经得到推广应用；德国DTG公司从ALD购买1台EB炉于2008年初投入使用，最多可生产15t的铸锭；日本东邦公司采用改造过的1800kw电子束冷床炉实现钛的工业化生产，可生产660mm×1350mm×2750mm优质纯钛扁锭。而针对冷阴极电子束冷床炉，除乌克兰、俄罗斯具备该项技术外，其余国家均未涉足。辉光放电冷阴极电子枪首先由乌克兰科学院巴顿焊接研究所研制成功，该电子枪取消了传统的钨丝结构，无需加热到高温的部件，枪体本身不需要抽真空，结构简单，操作方便，使用寿命长达1000h，其性能远优于传统的热阴极电子枪，可使生产效率提高1倍多。熔炼可在较低真空度甚至接近大气压下进行，该方法的明显优点是可以防止A1、Sn、Mn、Cr等高挥发元素的烧损，实现钛合金高合金化和复杂合金化的元素含量的精确控制，特别适合钛合金铸锭的生产。由于冷阴极电子束冷床炉熔炼是在接近大气压气氛下进行，因此不受原材料种类的限制，可以利用散装料如海绵钛、中间合金、钛屑等，也可直接添加未破碎的海绵钛垛，可大大降低成本，提高生产效率。采用该技术研制的电子束冷床熔炼设备可以生产φ1200mm×4000mm(20t)的圆锭、420mm×1380mm×4000mm(10t)的扁锭，此外，巴顿所还掌握了直接添加大块未破碎海绵钛进行熔炼的工艺技术、电子束表面熔修技术以及电子束冷床炉熔炼大型空心锭技术。而国内见报道的仅北京长城钛金公司于2008年成功设计制造100kw冷阴极电子枪，其性能达到国际同类产品先进水平。目前，该公司已经能够制造100~600kw的大功率冷阴极电子枪，但是大型电子束冷床炉成套设备还不能独立生产，只能依靠进口。
我国的电子束冷床炉熔炼技术起步较晚，目前国内共有8台电子束冷床炉，西北有色金属研究院于2000年从德国购买了我国第一台电子束冷床炉，总功率500kw，生产的铸锭尺寸较小，只能作为科研和中试用。宝钛集团于2005年从德国引进2400kw电子束冷床炉，可熔炼圆锭和扁锭，已实现工业化生产，圆锭直径达φ736mm，扁锭截面尺寸为370mm×1340mm，铸锭最大长度为5000mm，最大质量可达11t。宝钢特钢2008年从美国引进的3200kw单结晶室双坩埚电子束冷床炉已完成安装调试，可实现工业化生产。圆锭直径达到φ860mm，最大质量达12t；扁锭截面尺寸为400mmX1200mm，最大质量达10t。另外中船舶725所2010年从德国购置的3200kW电子束冷床炉、青海聚能钛业从乌克兰购置的3150kW电子束冷床炉、云南钛业从美国引进的3200kw电子束冷床炉以及攀枝花云钛实业从乌克兰引进的3150kw电子束冷床炉均已完成安装调试，具备工业化生产能力。此外青海聚能钛业2012年从美国引进4800kW双工位电子束冷床炉，其是国内功率最大的冷床炉，目前已安装调试完成，每年可至少生产50000t钛及钛合金铸锭。
近几年来EBCHM技术发展主要表现在以下几个方面：
(1)海绵钛垛直接熔炼钛锭。为进一步降低生产钛锭的成本和劳动量，减少熔炼损失率，乌克兰巴顿所首次在世界上研制出EBCHM熔炼0.7t重海绵钛垛工艺，省去了海绵钛破碎工序，研究结果表明海绵钛垛的熔炼速率与块状废料的熔炼速率相接近，熔化钛垛比熔炼粒度10~70mm的破碎海绵钛损失率低30～40，工艺经济指标提高20%。生产的纯钛板坯组织均匀，无气孔、非金属夹杂等缺陷，杂质含量均在标准要求范围内。目前乌克兰巴顿所已经可以直接熔炼质量达4t的海绵钛垛。此外，采用未经破碎的海绵钛垛熔炼钛合金锭工艺正在研究中，目前已实现了部分高合金化的钛合金铸锭的熔炼，如BT6、BT22、BT8、BT9等，已用钛垛熔炼出满足AM标准要求的中840mmX4000mm的合金锭。
(2)数值模拟技术。采用电子束冷床炉熔炼钛合金时，存在合金元素易挥发、化学成分难控制的问题，而通过建立合金元素挥发过程中的数学模型来预测熔炼合金铸锭的化学成分，并通过合金补偿方式来确保铸锭达到既定的化学成分，成为各国学者争相研究的重点。乌克兰Akhonin等_2建立Ti一6A1—4V合金在电子束冷床炉熔炼过程Al元素挥发动力学的数学模型，结合质量及能量平衡方程来研究熔炼速度、电子束功率以及原料成分对铸锭最终成分的影响，并通过实验验证数学模型的准确。
乌克兰巴顿所建立合金成分挥发过程数学模型，并利用该模型成功熔炼直径为φ400mm且符合GOST标准的VT6和VT22钛合金铸锭。
乌克兰ZhukG.V等_26_研究了电子束冷床炉熔炼过程中铸模温度分布对铸锭组织的影响，并通过实验验证计算的数据，获得相应的技术条件来提高铸锭组织含量。
法国Bellot等对EBCHM过程进行了数值模拟，建立了元素挥发损失的数学模型以及硬质a夹杂溶解动力学模型，利用模型计算温度场、流场、Al浓度变化以及硬质夹杂运动轨迹，并通过实验验证模型的准确性。
美国Kelkar等胡建立了计算机模型预测电子束冷床炉熔炼过程中的热传递、相变、流体流动以及夹杂运动轨迹，预测的表面温度及熔池形状与实验结果相吻合。
国内本课题组建立了电子束冷床炉熔炼过程中传质数学物理模型，掌握了电子束冷床炉熔炼钛合金过程元素挥发与工况条件之间的关系和工艺参数对成分分布的影响规律，实现了目标成分的准确预测。
(3)单次合金锭熔炼技术。由于VAR法不能有效去除低、高密度夹杂，两次VAR法或多次VAR法在一些关键领域的应用受到限制。“Hearth+VAR”方法近年来已被人们认可为工业标准级的生产方法。但是与“Singlemelting”相比，“Hearth+VAR”法成本相对较高，不能满足日益增加的成本敏感型应用需求。
作为一种节约成本的方法，单次电子束冷床炉熔炼工艺(EBSM)已经成功用于生产纯钛板坯，并已经通过AMS标准认可。近年来，EBSM工艺也被用于生产合金，在美国，经EBSM工艺生产的Ti6A14V合金已被制成从装甲到体育用品的多种产品，并且还用于生产TIMETALICB(TiA1一MoFe)悬浮弹簧丝。1999年由美国空军研究室资助的MAI项目对EBCHM熔炼的单次扁锭生产Ti6Al4V标准板材做了系统研究，制订了单次电子束熔炼的钛薄板、带、厚板宇航材料技术标准(AMS6954)，使EBSM—Ti6A14V板材代替VAR或“Hearth+VAR”板材产品，在军用和民用领域得到推广应用。
(4)铸锭表面熔修技术。电子束冷床炉熔炼过程中会在铸锭表面产生冶金缺陷，需要通过机加工来消除，损失量达5%～15%，为减少金属损失，乌克兰巴顿所成功开发电子束熔修铸锭表面技术来代替机加工技术，结果表明熔修后铸锭表面光滑，无明显裂纹和间断面，成功消除铸锭表面缺陷，提高成品率最高可达。
(5)大型空心锭生产技术。为降低管材、环材生产成本，开发电子束冷床炉熔炼生产空心铸锭的工艺，可明显减少金属浪费，缩短后续加工工序。空心锭的工艺参数控制更为复杂，为此乌克兰ZhukG.V等在实心锭的基础上建立了空心锭电子束冷床炉熔炼过程数学模型，确定了内径φ200mm、外径φ600mm的Ti一6Al一4V空心铸锭的最佳熔炼参数。借助数学模型，巴顿所成功生产出φ600／400mmX2000mm大型空心锭，将空心锭轧制获得直径02000Inm、壁厚50mm的钛环。
2.3PACHM技术发展现状
目前美国拥有世界上大部分的PAM炉，且开发时间早，如GEAE发动机公司在1991年就与ALLVAC公司采用PAM+VAR工艺生产钛合金，并将其用于发动机部件等关键应用领域。经过十几年的大力发展，美国具备了批量生产优质钛合金铸锭的能力，目前装备的冷炉床熔炼能力已占美国钛总熔炼能力的45%，其中20%是采用等离子冷床炉生产的。单台设备的功率也在提高，如美国RMI公司在2001年安装了一台2支枪的等离子冷床炉，总功率1000kW，可生产圆锭和扁锭，质量可达7000kg。采用PACHM一次熔炼生产TiAl铸锭，最大尺寸达0660mm，质量为2000kg，挤压和锻造成涡轮盘件。
俄罗斯的上萨尔达冶金生产联合体(VSMPO)于2003年安装了美国Reteeh公司生产的8t级的等离子冷床熔炼炉，该设备有5支等离子枪，功率为4.8MW，可生产圆锭，也可生产扁锭，圆锭的最大直径可达φ810mm，扁锭的最大截面尺寸为1260mmX320mm，质量可达8000kg，可直接投入板坯生产，预计年生产能力为3600tl3。随着VSMPO的新等离子炉的投产，目前世界范围内等离子炉的总生能力每年可达11000t。
采用等离子冷床炉熔炼技术生产的钛合金已经应用于美国海军F／A.18飞机用的F404和F414发动机。今后还将逐步扩大应用于海军F_14和空军F-16飞机用的F110发动机、海军、，_22直升机的T406发动机、空军F-15和F-16飞机的F100发动机、空军B-2飞机的Fl18发动机及空军F-22飞机的F1l9发动机。
尽管目前美国航空发动机转动部件等关键钛合金铸锭仍采用“HEARTH+VAR”的工艺，但单一冷床炉熔炼技术正在发展。根据目前的研究结果来看，单一的冷床炉熔炼工艺对于航空结构件用钛合金也是可行的。通过减少熔炼次数和炉床熔炼生产扁锭的优势，可以节约加工成本20～40%。美国从1989年3月到1995年6月期间，通过空军ManTech项目的资助，进行了单一EBCHM和单一PACHM熔炼技术的研究，结果表明，采用单一PACHM技术熔炼TC4扁锭直接用于板材轧制，经测试，板材的微观组织和拉伸性能满足MIL-DTL-46077标准的要求，并且提高了金属收得率，降低了成本。
与传统的钛合金相比，TiAl基金属间化合物是非常难于熔炼和加工的。铸态粗晶组织的塑性很差，生产大型TiAl铸锭是一项非常大的挑战。美国Allvac公司采用2台等离子冷床炉(一台炉子为4枪，总功率为3000kW；另一台为2枪，总功率为1000kw)尝试了生产小型和大型铸锭，生产的铸锭尺寸为φ165mm~φ760mm，质量为200~5450kg。
我国近几年才开始PACHM技术的研究，北京航空材料研究院于2003年安装了1台美国Retech公司制造的PACHM炉，总功率为600kW，该设备兼拉锭与浇铸功能于一身。北京航材院采用PACHM炉成功生产TC4和TIAl铸锭，在合金的杂质元素含量、夹杂物和合金化元素含量控制等方面均取得了较大的成功。上海宝钢集团为提升市场竞争力，扩大熔铸能力，于2008年引进一台单结晶室双坩埚PACHM炉，总功率3300kW，可生产的圆锭尺寸为φ660mmX3000mm，最大质量为7t，扁锭尺寸为330mm×750mmX4500mm，最大质量为5t，同时还为PACHM炉配置了氦气回收再生系统，能够有效回收昂贵气体，降低熔炼成本。
在数值模拟方面，国内的寇宏超等建立有限元模型成功模拟了等离子冷床炉熔炼过程中TiA1合金中夹杂物粒子运动轨迹及停留时间，结果表明，钨、钼、铌等高密度夹杂物可由糊状区域捕获去除。夹杂物在冷床的停留时间取决于颗粒的密度和尺寸，夹杂物的密度和尺寸越大，停留时间越短。
为了改进和优化PAM工艺，美国开发了一套冷床炉熔炼模拟COMPACT软件系统，实现了对熔体流动、热量和物质转移、电磁场、熔池表面、夹杂物熔化、铸锭凝固及宏观和微观偏析等的模拟，该套模拟系统正逐渐应用于各个钛合金生产商的等离子冷床炉熔炼。
3、展望
VAR技术是目前成熟且操作简单的钛及钛合金熔炼工艺，同时一些辅助工艺的不断改进，使熔炼技术进一步得到改善，但VAR工艺不能有效去除低、高杂质且只能生产圆锭，在一定程度上限制了它的发展。
冷床炉熔炼给钛熔炼带来了一定的经济和技术优点，使得廉价原材料能够得到充分利用，并且有极好的收得率和高的生产率，电子束和等离子束冷床炉熔炼工艺在美国、俄罗斯、德国等工业发达国家得到快速发展，正在逐渐取代传统的VAR熔炼工艺。
虽然我国在电子束冷床炉熔炼数值模拟技术方面以及单次合金锭熔炼技术方面做了一定的基础研究工作，但离世界先进水平差距较大，以TC4钛合金为例，约30%Al成分在电子束冷床炉熔炼过程中挥发，但目前国内还无法实现对易挥发元素的精确控制，因此开发一套高均质钛合金铸锭单次电子束冷床炉熔炼控制技术，提高原料的利用率，降低生产成本，是我国未来钛合金电子束冷床炉熔炼技术发展的趋势所在。掌握具有自主知识产权的高均质钛合金铸锭制备加工技术及钛合金低、高密度夹杂的净化和铸锭成分的控制技术，实现均质、洁净、细晶大型钛合金铸锭制备技术跨越，解决国家重大工程所需钛材铸锭熔炼的技术瓶颈，为我国由钛资源大国变为钛生产强国提供科学技术支撑，将该技术推广应用于钛工业化生产中，可大大降低生产成本，提高生产效率，必将产生巨大的经济和社会效益。
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