钛及钛合金铸锭氧化和预防

钛及钛合金铸锭氧化和预防摘要：本文详细介绍了钛合金铸锭熔炼过程中头部氧化、侧身氧化、底部氧化、整锭氧化的特征、产生原因的判断、以及钛合金铸锭氧化带来的风险和处理方式。通过对不同类型钛及钛合金氧化的处理，可以最大限度的降低铸锭增氧的风险，从而满足钛及钛合金氧元素控制要求。关键词：钛及钛合金；铸锭；氧化分类；电弧炉熔炼、八刖言钛是地壳中分布最广的元素之一，约占地壳总质量的0.6%，仅次于铝、铁、镁，位居于第四位。钛及钛合金由于比强度高、耐蚀性能好、高温性能优良，广泛用于航空、航天、航海以及医疗等领域。但钛由于化学性质性质活泼，很容易与空气中的碳、氮、氧、氢等元素发生化学反应。钛在室温下就与氧发生反应形成一层致密的氧化膜，可以阻止氧进一步向基体扩散。随着温度的升高，钛与钛合金氧化逐步加快，当温度达到500°C时，钛的氧化膜变得疏松且容易脱落，甚至变硬变脆。钛合金铸锭目前最长见的熔炼方式是真空自耗电弧炉熔炼，简称VAR熔炼。为了满足化学成分均匀性的要求，经常需要经过三次真空自耗电弧炉熔炼。在三次熔炼过程中钛合金头部氧化、端面氧化、侧身氧化和底部氧化，都是最常见的钛及钛合金氧化现象。严重时，可能发生整锭氧化，导致铸锭氧元素过高，产品不合而报废。钛及钛合金铸锭氧化的分类。钛及钛合金目前最常见的熔炼方式为真空自耗电弧炉熔炼，真空自耗熔炼过程中跟钛合金氧化相关的设备及工模具有：真空泵组、闭锁阀及其密封、坩埚系统、充氩系统等。若设备及工模具漏气，则钛及钛合金铸锭熔炼出炉后，会明显观察到钛合金氧化的现象，主要分为以下四类：头部氧化、侧身氧化、底部氧化、整锭氧化。头部氧化，即钛及钛合金铸锭头部位置氧化，包含铸锭头部端面和头部侧面。当只有头部端面氧化时，一般影响相对较小。当端面和头部侧面均有氧化时，一般相对氧化较为严重。头部氧化一般发生在熔炼结束以后，闭锁阀、充氩管道和炉室等均与头部氧化存在一定关系。侧身氧化，即钛及钛合金铸锭侧身位置氧化，一般指仅侧身氧化，其他部位未氧化。侧身氧化一般较轻，对产品影响质量较小，它主要是由于出炉铸锭表面温度较高导致，一般侧身氧化的铸锭出炉表面温度在300C以上。底部氧化，即钛及钛合金铸锭尾部附近氧化。底部氧化影响较大，严重时存在安全风险，熔炼过程中可能存在坩埚底部渗水现象，有时甚至会大量漏水导致爆炸，造成安全事故。底部氧化主要是跟坩埚系统的密封相关，经常由于装配不当或者工模具变形严重产生。整锭氧化，指钛合金从头到尾全部氧化的一种现象。这种氧化影响对产品质量最大，甚至常常导致铸锭报废，造成经济损失。整锭氧化一般有两种可能性，一种为底部持续漏气或漏水，随着熔炼进行整个过程中铸锭持续发生了氧化；另一种为炉室持续漏气，随着熔炼进行整个过程中铸锭持续发生了氧化。钛及钛合金铸锭氧化程度的判断及处理钛及钛合金由于其活泼的化学性质极易与空气中的氧发生化学反应。随着反应温度的不同，反应时间的差异，钛及钛合金铸锭往往表现出来的氧化特征有所差异。本文主要通过钛及钛合金铸锭表面氧化的颜色进行鉴别和判断，主要分为以下五类：淡黄色（氧化最轻）、浅蓝色（轻微氧化）、蓝紫色（中度氧化）、灰色（深度氧化）、黑色（严重养护）。将以上五中颜色对应五个级别的氧化程度，具体见表1：表1：钛及钛合金铸锭氧化程度分级在实际生产中最长见的就是0~2级氧化程度，根据氧化位置的不同，经常我们采取的应对措施也有所不同。对于铸锭表面呈淡黄色的0级而言，由于表面氧含量很低，对铸锭实际几乎无影响，因此我们经常不进行处理，直接进行下一次熔炼。对于浅蓝色的1级和蓝紫色2级氧化而言，当出现在铸锭端面时，由于铸锭端面对应下一次铸锭的头或尾，因此对产品几乎无影响，我们不进行处理。但当出现在侧身时，由于再进行熔炼时对应铸锭中间位置，必然会引入铸锭增氧的风险。另一方面，考虑到氧化深度较浅，一般在1mm以内，因此我们一般采用打磨的方式去除。对于灰色的3级和黑色的4级，由于氧化程度较为严重，且氧含量较高，铸锭表面已经脆化，为保证下一次焊接质量和降低铸锭增氧的风险，我们一般采取车削的方式，将氧化皮去除干净。钛及钛合金铸锭氧化原因的排查及预防头部氧化大多发生在熔炼结束以后，出现铸锭头部氧化一般排查以下两处：（1）检查闭锁阀环形保护密封面是否有金属颗粒嵌入，或者环形保护密封圈是否有损伤，以及闭锁阀挡板密封面是否有金属颗粒。（2）坩埚法兰面与闭锁阀下法兰是否有划痕，或者金属颗粒嵌入，坩埚法兰面和闭锁阀密封圈有损伤。（3）对于没有闭锁阀的真空电弧自耗炉而言，头部氧化发生频率很小，当氧化发生时一般为连接真空室的某一管道，或密封面在熔炼结束后发生了漏气现象。铸锭侧身氧化一般是由于冷却时间不足导致。出炉瞬间铸锭表面温度过高，当铸锭暴露在空气中时，与空气中的氧发生化学反应，呈现氧化发蓝、发紫等现象。为了消除铸锭侧身氧化，一般采取延长冷却时间，比如：对于5t级直径720mm的铸锭冷却时间一般需大于等于5h。为了确定合适的冷却时间，一般对于铸锭的熔炼电流、熔炼的时长、铸锭的吨位、铸锭的规格、熔化站的冷却温度、坩埚的材质等均有直接关系，需要综合考虑。此外，为了提高冷却效率，也可以充入惰性冷却介质进行冷却，比如最常用的氩气，一般可缩短冷却时间0.5h~1h以上。铸锭底部氧化与坩埚体系直接相关，凡是与坩埚底部密封和装配相关均可能导致底部氧化。在进行底部氧化排查时，主要从以下四方面考虑：（1）在坩埚装配时，螺丝紧固是否均匀，且采用对称紧固的方式。（2）坩埚下沿密封面是否有贯穿型伤痕或者嵌入金属颗粒。（3）坩埚底垫密封圈是否有损伤，严重变形松弛等现象。（4）坩埚底部是否变形严重，导致装配间隙过大。综上所述，在生产过程中，为了尽可能减少铸锭氧化的发生，应注意以下几个环节：（1）在装配坩埚时，确保坩埚下沿密封面平滑干净无损伤，确保底垫密封面、密封槽、密封圈干净无损伤。（2）在闭锁阀开进炉位前，确保坩埚法兰面、密封槽及闭锁阀下法兰面清理干净，压痕修理平整，确认闭锁阀环形保护密封圈干净无损伤，闭锁阀挡板密封面无金属颗粒。（3）熔炼结束关闭闭锁阀后及时向冷却炉位充入适当压力的氩气。结论钛及钛合金铸锭氧化分类主要有：头部氧化、底部氧化、侧身氧化和底部氧化，不同氧化类型产生的原因不同，实际中应根据产