熔炼难熔金属的新技术——真空悬浮熔炼技术

2016-05-24 11:12:50 安装信息网

李碚张森元少勇陈贵生

（深圳市赛迈特悬浮冶金科技有限公司）

摘要利用真空悬浮熔炼技术熔炼了V和V-Ta合金.Nb和Nb-Ti、Nb-Zr合金.Mo和Mo-Ti合金.Ta和Ta- Ti合金以及Co-Cr-W合金等多种难熔金属及其合金。研究发现，采用真空悬浮熔炼技术熔炼难熔金属及其合金的优点是对原料的形态没有严格的要求，炉料整体熔化并且能得到充分的电磁搅拌，合金的成分和组织均匀；合金料可以随主料一起加入坩埚，也可以在熔炼过程中或熔炼结束前加入，使合金含量的精确性得到保证；真空熔炼的条件可以有效排除杂质元素；熔炼后可以根据需要直接铸造成形状和尺寸符合要求的产品。

关键词难熔金属；电磁悬浮熔炼；真空熔炼；冷坩埚

一般将熔点接近和超过2 000℃的金属称为难熔金属（见表1），这些金属及其合金在航空、航天、兵器等领域有重要的应用。难熔金属及其合金由于熔点很高，用真空感应炉熔炼几乎无法实现。

制备难熔金属及其合金一般采用两类技术，一是粉末冶金技术。这种技术的流程长，包括制粉、压型、真空烧结、等静压、加工等工序，而且，材料的致密度低，杂质含量比较高；二是电弧、电子束、等离子等熔炼技术，统称为能量束熔炼技术，这类技术的最大的优势是温度高，杂质去除的效果好，可以应用于金属的提纯处理。但是，一个重要缺陷是能量束集中、加热面积小、熔化深度浅，不能形成整体熔化，所以，难以达到高均匀性，除非结合连续加料和连续拉锭技术，否则无法获得大尺寸产品。这些技术不能直接用铸造的方法得到产品，另外由于局部温度太高，合金元素的烧损量很大，成分难以控制。真空悬浮熔炼技术是在真空感应熔炼技术的基础上，利用电磁悬浮力，使金属熔池在坩埚中呈悬浮或准悬浮状态，排除了熔池与坩埚的相互作用。在悬浮熔炼技术中，冷坩埚感应熔炼技术是一种基本成熟并且得到了实际应用的技术（见图1和图2），特别适合于活泼金属及合金、超纯金属及合金的熔炼。

通过多年的技术开发和生产实践，将冷坩埚感应熔炼技术发展到了较高的水平，并且，已经使用这种技术熔炼和铸造了稀土、Ti、Cr、Zr及其合金。主要目的是研究利用冷坩埚感应熔炼技术熔炼熔点高于2 000℃的难熔金属的方法。

1 冷坩埚感应熔炼设备

冷坩埚装置是冷坩埚感应熔炼设备的核心部件，主体是水冷紫铜坩埚。为了使电磁场能进入坩埚内部，坩埚沿轴向分割成20～30个瓣片；在每一个瓣片中都有供水回路的冷却系统以便使坩埚承受2 000～3 000℃的高温。

本课题注重于提高悬浮力的技术措施，即悬浮力增大，则熔池与坩埚内壁的接触减少，被坩埚中带走的热量就大幅度减少。这与薛冠霞等的研究结果一致；悬浮力随感应电流和坩埚分瓣数的增加而增大，并根据试验结果设置了最佳的参数。试验结果表明，在坩埚内径为80 mm时，感应电源的频率取10～30 kHz时悬浮力最大。为了达到最佳工艺效果，在电源功率不变的条件下，减小坩埚和感应圈的直径，增大坩埚内磁力线的密度；采用底部带有锥度的坩埚和感应线圈，增大悬浮力，减小熔池与坩埚底的接触；在坩埚上方设置水冷铜坩埚盖，减少热量的辐射损失。坩埚盖必须开缝，以便使磁力线能够穿过；改进坩埚的水路设计，强化坩埚的冷却能力实际上成为了提高熔炼温度的关键因素。

悬浮熔炼设备包括1、5、20 kg级的设备，见图3。

2 试验结果

2.1 V和V-Ta合金的熔炼

用1kg级设备和5 kg级设备对V和V-Ta合金进行了熔炼，并进行了铸造。试验条件和试验结果见表2，熔炼得到的V锭和V-Ta锭见图4。为了使高熔点的Ta完全熔化到合金之中，必须用厚度小于0.5 mm的Ta箔作为原料。

2.2 Nb和Nb-Ti、Nb-Zr合金的熔炼

用5 kg级设备对Nb和Nb-Ti、Nb-Zr合金进行了熔炼，试验条件和试验结果见表3，熔炼得到的金属见图5。熔炼结束时，为了防止在熔池整体落到坩埚的底面烧损坩埚，所以，金属Nb和Nb合金必须缓慢降低电流，使熔池在悬浮状态下凝固。一些金属锭呈现带沟槽的指状结构，这是由于熔池在电磁约束力的作用下形成的形态。