真空自耗电弧炉熔炼钛合金铸锭钨夹杂来源分析及对策

目前，钛及钛合金的熔炼方法除了非自耗电弧熔炼、真空感应熔炼、电子束和等离子冷炉床熔炼、电渣熔炼、感应渣熔炼外，最为主要的是真空自耗电弧熔炼（VAR）。

VAR法的优点在于设备投资和运行成本较低、操作技术简单，生产出的钛材成分均匀性好。但该方法也存在固有的缺点，如果生产过程控制不当，会产生严重的质量问题，尤其是高密度夹杂缺陷，这些材料与钛相比熔点和密度较高，难以熔化，并沉积在熔池底部，夹杂和合金基体严重不相容，加工过程中会导致界面上产生空缺和裂纹，对产品的使用性能会造成致命性的影响。已发现的高密度夹杂有两种类型：难熔金属（W、Mo、Ta和Nb）和其金属化合物（WC，TiW）等。科研人员针对常见的钨夹杂的来源进行分析，并提出了消除的对策。

实验材料为TC4（名义成分为Ti-6Al-4V）汽轮机叶片和70mm厚板材，将有缺陷部位取出后进行测试研究。

研究发现，真空自耗电弧炉熔炼钛合金铸锭钨夹杂有两种来源。一种为在原材料中添加的残料中混入了含钨硬质合金刀具碎块。试验发现在熔炼铸锭时所使用的原材料中添加了少部分使用车床加工的残钛屑料，而在用车床加工钛合金坯料时，使用的刀具为含有W和Co元素的YG8硬质合金刀片，YG8硬质合金是采用粉末冶金方法生产的硬脆性材料，当在车削加工过程中受到强烈冲击时，该刀片会发生崩裂、掉块的现象,从而混入残钛屑料中。另一种来源为生产过程中焊接设备起引弧作用的钨电极跌落引入。由于在自耗电极的焊接过程中，要使用真空等离子焊箱及炉外手工等离子焊机，焊箱及焊机枪头部分起弧用的电极均为纯钨电极外包铜保护罩结构，等离子焊箱内焊枪头钨极距离铜套平面7～10mm，炉外等离子焊枪枪头钨极距离铜保护罩平面约10mm。钨电极在使用过程中损耗极小，其使用寿命一般长达几个月。在焊接过程中钨电极只起引弧作用，一般不会直接与自耗电极接触，这表明出现钨夹杂的问题不应是普遍现象。但由于钨电极是脆性材料，不排除在长期的使用过程中与其它物体碰撞发生脆断而跌落进入焊缝的可能性，也有可能是因为钨电极非正常伸出铜保护罩在焊接过程中粘附在自耗电极焊缝上造成。

根据真空自耗电弧炉熔炼钛合金铸锭钨夹杂来源的分析，研究人员提出了以下对策：对于通过屑料添加引入的钨夹杂问题，可以通过对残钛屑料增加磁选设备、人工挑选工序的方法，将混入残钛中的异物、尤其是刀具碎块彻底清除干净。对于由于等离子焊接引入的钨夹杂问题，为了彻底消除钨极可能产生的钨夹杂隐患，改进措施为：（1）将等离子焊箱枪头钨极改为铜极；（2）焊接工序全部在等离子焊箱内完成，取消炉外手工等离子焊工序。这样就可以完全避免钨电极进入铸锭的可能性。