钛脊合金拥有比强度高、耐蚀耐热、无磁无毒、生物相容性好等个性，是继钢铁、铝之后的沉要金 属资料，宽泛利用于航空、航天、航海、军工、核电、电子、医疗、化工等领域，被誉为“第三金属”、 “太空金属”、“海洋金属”等[1-5]。钛脊合金资料在国民经济中的利用在肯定水平上反映了一个国 家的综合国力、经济实力和国防实力，是高新技术不成或缺的关键资料。

钛的冶炼、熔炼、热加工及深加工难度大，目前世界上占有齐全钛产业链的国度重要有美国、日本、 俄罗斯、中国等。海绵钛为海绵状迪胙金属颗粒，商品海绵钛的粒度通常为0.83~25.4mm，是熔炼钛脊 合金铸锭的沉要原资料，钛脊合金铸锭则是造备铸件、棒材、管材、线材、丝材以及结构件的基础。21 世纪以来，随着全球科技创新的不休推动，沉点战术领域对高精尖设备的需要不休提升。同时，越发刻薄 的极端服役环境对钛脊合金的杂质含量、成吩旖均性、靠得住性提出了更高的要求。因而，若何实现低杂 质含量、高均质钛脊合金铸锭的高效、低成本造备，已成为该领域亟待解决的世界性难题，同时对国度 的发展拥有着至关沉要的战术意思[5-8]。

1、钛脊合金铸锭市场需要

随着全球经济的发展，钛合金在各领域的利用越来越广，需要量越来越大。图1为2015—2023年全 球及中国钛锭产量统计。2023年全球钛锭产量为23.8×10⁴t；中国钛锭产量为15.1×10⁴t，占全球 钛锭产量的63.4%。高品质钛锭重要利用于航空、航天、电子、医疗等领域。美国64%迪胙锭用于航空及 军事领域，而中国仅有15%用于航空及军事领域，可见高品质钛锭利用占比力低。

美国是世界上第一个工业化出产海绵钛和钛加工材的国度，既是高品质钛锭出产强国，也是钛锭消费 大国，其钛锭重要用于航空领域。美国一向较为器沉高端钛锭的研发和出产，近年来，非航空用钛产业发 展也较为迅速。

日本钛工业的民用技术走在世界前列。与美国分歧，日本迪胙锭重要用于民用领域，其民用钛制品遍及 石油化工、构筑、冶金、医疗、汽车、体育休闲（高尔夫球具、网球拍、渔具、垂钓船等）、日用电子产 品（拍照机、腕表、复印机、打字机、手机、手提电脑等）、炊具（刀、叉、锅、铲等）等各个领域。日 本凭据本国国情，大力发展民用钛产品，走出了一条独具特色迪胙产业发展路路。

纵观世界钛产业的发展情况能够看出，目前整体的发展趋向是通过先进技术造备高品质钛合金铸锭， 进而满足钛材在尖端设备上更为宽泛的利用。除此之表，重要是通过低成本化实现钛材的大领域利用，逐 渐覆盖产业经济各个领域，以此推动钛产业发展。

2、钛脊合金熔炼工艺

由于钛拥有高活性的特点，钛脊合金的熔炼难度很高，险些所有钛脊合金的熔炼步骤都选取了真 空及冷坩埚技术。目前，钛脊合金铸锭的熔炼步骤重要有真空自耗熔炼和真空非自耗熔炼。其中，真空 非自耗熔炼又分为3种：电子束冷床熔炼、等离子束冷床熔炼和真空感应熔炼[9-13]。

2.1真空自耗熔 

 炼真空自耗电弧炉自1839年熔炼白金丝试验成功以来，重要用于研造难熔金属，直到1948年才发展 得较为美满，1953年正式用于工业出产中。真空自耗熔炼是目前造备钛脊合金铸锭最为主流的出产工 艺[9-14]，所出产的铸锭质量通常为0.2~15t。图2为真空自耗电弧炉结构示意图[15]。真空自耗电极 电弧熔炼是在直流低电压、大电流的电弧作用下进行的，自耗电极下端同结晶器之间燃起电弧，同熔池之 间形成电弧等离子区，该区拥有极高的温度，能使自耗电极溶解，产生肯定的物理化学反映，这一过程可 以将一部吩禅体杂质去除掉。自耗电极中的一些非金属同化物，如氧化物、氮化物，在真空和高温前提下 ，产生离解或被碳还原而被去除掉，使铸锭达到进一步提纯的主张。真空自耗电弧电极熔炼可能去除气体 、非金属同化物，以及某些低熔点的有害杂质，从而使钛材的冷/热加工机能、力学机能等得到显著改善 ，出格是减幼纵横向机能的差距，这对于保障钛材机能的不变性、一致性和靠得住性有着极其沉要的意思。 真空自耗电极电弧熔炼工艺的特点是在水冷铜结晶器中进行熔炼，克服了金属同耐火资料之间因相互作用而沾污金属的短处。同时，金属液在高度水冷状态下凝固结晶，可得到组织均匀、无缩孔、致密的铸锭。真空自耗电极电弧熔炼还可能有效去除熔融金属中密度和熔点高于基体的颗粒，100%回收利用钛残料，用度相对较低，并且难熔金属合金元素能以多元中央合金或者块、棒、条的大局参与，工艺矫捷性高，因而目枪脊合金铸锭熔炼通常选取真空自耗电弧炉。

然而，真空自耗电极电弧熔炼过程中必要配料、压造电极，对海绵钛疏松度、颗粒度要求高，出产周 期长，通常经过2~3次熔炼后，钛脊合金铸锭的组织、成分能力满足铸造或铸造的使用要求，具体工 艺流程如图3所示。此表，真空自耗电极电弧熔炼钛脊合金能够看作是一个封关系统，沉熔过程中边熔 化边结晶，电极经溶解后全数进入熔体，凝固后又全数造成铸锭，并且沉熔过程熔池浅、熔体在高温阶段 维持的功夫短，因而无法实现熔液的过滤和精辟，即便选取3次熔炼也不能齐全解除高/低密度同化物 [9-13]。

2.2电子束冷床熔炼

电子束冷床熔炼始于20世纪60年代，是一种干净钛脊合金铸锭的新型熔炼技术。电子束冷床炉 是以电子束为加热源，高电压下电子从阴极发出，经阳极加快后形成电子束，在电磁聚焦透镜和偏转磁场 的作用下轰击原料，电子的动能转造成热能使原料溶解，如图4所示[16]。电子束冷床炉要求在高真空 下工作，高真空有利于去除钛合金中的低熔点挥发性金属和杂质，起到铸锭提纯成效。

电子束冷床熔炼通过原料溶解、精辟、铸锭凝固等工艺过程，可有效去除钛合金中的低密度同化和高 密度同化，提高钛合金铸锭的冶金质量。除此之表，该工艺无需压造电极，原料可所以海绵钛、钛屑以及 各类钛残料，并且经一次熔炼就能够得到质量合格的铸锭，大幅降低了钛合金的出产成本。

电子束冷床熔炼技术以钛屑回收及纯钛熔炼为主，很多国度对其进行了深刻钻研，美国、英国、德国 、中国等已将其宽泛用于出产实际中，所出产出的产品得到了宽泛利用。

2.3等离子束冷床熔炼等离子 

 束冷床熔炼是20世纪80年代发展起来的一种金属熔炼步骤，它是以电流通过气体时使气体电离产生弧 光，利用弧光放电发出的热量熔炼合金。等离子热源分单枪式和多枪式2种，最高加热温度可达6000℃ ，可熔炼任何金属及非金属资料。

图5是等离子束冷床熔炼示意图[17]。原料从喂料槽进入熔炼室，被等离子枪溶解，流入熔炼床，在 水冷铜炉床中被等离子枪加热、均匀化，再流入坩埚，经电磁搅拌后凝固。冷床中的熔池可被加热到足够 高的温度（熔炼时液体温度通常可达到2000℃），并且液体在炉床中能够维持足够长的功夫。

等离子束冷床熔炼工艺拥有以下利益：①能量较为集中且熔炼温度高、溶解速度快，能够较大幅度提 逾越产效能；②TiO₂、TiN等低密度同化可能得到溶解或溶化；③炉猜中的高密度同化在炉料溶解过程 中能够沉降到冷炉床底部，凝固后留在凝壳里而不进入铸锭，从而除去高密度同化，达到提纯的主张；④ 拥有相对独立的能量进给系统、搅拌系统和供料系统，能够有效保障铸锭内部致密及表表光洁；⑤合金成 吩飓析水平较；⑥运行不变、操作方便、冶金过程容易节造；⑦熔炼设备工作环境安全[9-13]。

只管等离子束冷床熔炼钛脊合金铸锭有诸多利益，但是由于等离子束能量较为集中且熔炼温度高，易 使低熔点合金元素挥发，合金成分节造较作难题。除此之表，等离子束冷床熔炼设备复杂、出产难度大、 价值昂贵等问题也在肯定水平上限度了其在钛脊合金铸锭熔炼上的利用。

2.4真空感应熔炼

真空感应熔炼占有较高的过热度和强烈的电磁搅拌，无需屡次沉熔即可实现成吩旖均迪胙合金铸锭的 造备，同时该工艺有利于去除低熔点杂质，重要蕴含水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼、半陆续真空感应熔炼 以及陶瓷坩埚真空感应熔炼等。

2.4.1水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼

真空感应悬浮熔炼是将分瓣的水冷坩埚置于交变电磁场内，利用电磁场产生的涡流热熔融金属，依附 电磁力使熔融金属与坩埚壁维持软接触或非接触状态，从而实现炉料熔炼的技术，其示意图如图6所示 [18]。该技术是一种梦想的熔炼技术，其最凸起的利益是排除了在高温前提下坩埚资料对熔体的传染，同 时可能通过感应加热、搅拌使熔池温度均匀，实现合金溶液成分的均匀化节造，是当今最为梦想的资料造 备技术之一[9-11]。除钛合金表，真空感应悬浮熔炼技术还利用到了如超合金、金属间化合物、高纯溅射 靶材、难熔金属、氧化物陶瓷、宝石、放射性资料和多晶硅等越发宽泛的资料领域。同时，该技术逐步与 其它现代资料技术结合，发展出了冷坩埚电磁连铸技术、冷坩埚定向凝固技术，以及用冷坩埚作为辅助装 置的喷雾沉积技术和激冷技术等[10-13]。

但是，由于水冷铜坩埚感应悬浮熔炼技术自身能耗高及冷却存在一些难题尚未克服，至今可能实现全 感应悬浮熔炼的资料质量依然不超过100kg，不能有效满足航空航天以及舰船对大规格高均质钛合金铸 锭的需要[16-19]。

2.4.2半陆续真空感应熔炼

由于电源及冷却技术瓶颈的限度，选取通例感应熔炼的步骤无法造备大规格钛合金铸锭，而半陆续感 应熔炼是造备大规格高品质钛合金铸锭的有效蹊径。半陆续真空感应熔炼是通过选取不粉碎真空前提下的 持续加料，将合金料参与水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚通过线圈感应溶解合金，随后通过拉锭装置将溶解后 的合金下拉至结晶器凝固成锭，沉复上述作为以此实现大规格高品质钛合金铸锭的造备。图7为半陆续 真空感应熔炼装置示意图。

哈尔滨工业大学科研人员[20-21]选取感应熔炼陆续拉锭的步骤发展了幼规格钛合金定向凝固方面的研 究。韩国Moon等[22-26]选取半陆续感应熔炼的步骤钻研了钛渣去除钙回收高纯钛的钻研，但仍局限于幼 规格铸锭熔炼。中国船舶集团公司第七二五钻研所为解决水冷铜坩埚感应熔炼钛合金规格幼的问题，研发 了650kg级半陆续真空感应熔炼设备，通过选取真空加料—感应熔炼—间歇拉锭的步骤发展了半陆续感 应熔炼法造备高品质大规格钛铸锭的钻研。

2.4.3陶瓷坩埚真空感应熔炼

陶瓷坩埚真空感应熔炼拥有较高的温度以及较强的电磁搅拌能力，可单次熔炼成吩旖均的铸锭。同时 ，陶瓷坩埚真空感应熔炼无需强造水冷，能量损耗少，被以为是解决目前通例钛合金熔炼能耗高、成分不 均的有效步骤。但是，由于钛液与目前所有的耐火资料均可产生反映，故仍未获得满足工业化出产要求的 坩埚资料[7]。

专利CN201310324249.3颁布了一种氮化硼（BN）系高强度耐火资料，然而选取BN坩埚熔炼时，坩 埚会与钛液产生强烈的化学反映，严沉传染钛锭，并不适于用作钛合金熔炼的坩埚资料。氮化铝（AlN） 热导率高、线膨胀系数幼，兼具优异的抗热震性与耐钛液侵蚀性，是潜在的坩埚利用资料。专利 CN202110455086.7提出了一种氮化铝-铝酸钇复相陶瓷及其造备步骤，然而铝酸钇造备过程较为复杂，工 艺流程长，陶瓷中铝酸钇等增长剂含量较高，氮化铝含量较低。专利CN202210223365.5颁布了一种钛合金 熔炼用的氮化物复合耐火资料，其重要成分为AlN（60%~90%）与BN（10%~40%），但该复合耐火资料会 与钛熔体产生界面反映，形成的界面反映层厚度达25~40μm。因而，AlN-BN复合耐火资料虽拥有肯定 的耐火性，但将其用于造备状态复杂的坩埚时仍存在耐蚀性欠佳、造备工艺复杂、易开裂等技术问题[27- 28]。

华中科技大学李元元钻研团队发了然一种用于钛合金感应熔炼的AlN陶瓷复杂坩埚的造备步骤：

①在AlN粉末中参与活化烧结助剂得到混合物，将混合物和有机溶剂放入球磨机中进行球磨湿混；

②将球磨湿混后的浆料烘干得到混合粉末，在混合粉末中参与有机粘结剂进行造粒，随后研磨过筛 ；

③将研磨过筛后的粉末放入复杂模具型腔中进行冷等静压压造获得复杂坩埚生坯；

④将复杂坩埚生坯顺次在脱脂炉中脱脂、在氩气；た掌猩战，获得AlN陶瓷复杂坩埚。该项目 团队选取这种步骤造备的陶瓷坩埚（如图8所示）熔炼了幼规格钛合金铸锭，铸锭成吩旖均，机能优异 ，为陶瓷坩埚感应熔炼钛合金提供了沉要数据支持[7,28]。

只管国内表学者已对耐钛液侵蚀陶瓷资料进行了大量钻研，但迄今仍未有关于钛合金感应熔炼工业级 陶瓷坩埚的有关报路。显然，相宜的陶瓷资料是突破这一困境的关键前提。

3、钛脊合金熔炼工艺近况

3.1国内表熔炼工艺水平

目前，选取真空自耗电极电弧熔炼、电子束冷床熔炼以及水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼的步骤造备的 钛脊合金铸锭已经宽泛利用于工业出产，表1为上述3种钛脊合金铸锭熔炼工艺水平的国内阐发状 。等离子束冷床熔炼及半陆续真空感应熔炼钛脊合金铸锭在工业利用上依然相对较少。

3.2技术瓶颈

钛脊合金熔炼工艺经过近几十年的急剧发展，均获得了沉要突破。针对分歧钛脊合金铸锭规格、 品质、材质、需要量等具体的需要，可选择较为合适的熔炼工艺。但是，电渣熔炼钛合金铸锭的有关钻研 较少，其技术工艺仍需大量钻研，在此不再对其技术瓶颈进行分析。表2给出了5种钛脊合金铸锭熔 炼工艺存在的技术瓶颈。

4、结语

突破大规格、高纯净、高均质钛合金铸锭熔炼节造技术以及短流程、低成本钛脊合金铸锭熔炼节造 技术，是目前国内表钛熔炼行业所面对的主题难题；诘鼻国鸭国押辖鹑哿豆ひ盏淖暄薪，对该领域 未来的发展提出以下思虑。

(1)只管真空自耗电极电弧熔炼在钛合金熔炼工艺中占据绝对主流职位，但 所造备迪胙脊合金依然存在均质性差、高/低密度同化问题，该方面的技术突破依然必要钻研人员发展 大量的钻研工作，依然是真空自耗电极电弧熔炼工艺的沉要钻研方向。

(2)电子束/等离子束冷床熔炼由 于其低成本、高效能的特点，已宽泛利用于钛脊合金铸锭熔炼，且发展较为迅速。但低熔点元素烧损严 沉成分难以节造、成分均质性差等难题仍造约着其在高品质钛合金铸锭熔炼中的利用，该两方面仍必要开 展大量的钻研工作。

(3)陶瓷坩埚真空感应熔炼钛合金拥有能耗低、过热度高蹬着点，但耐钛液侵蚀坩埚 一向是困扰该工艺发展的沉要瓶颈。真空感应悬浮熔炼所熔炼迪胙合金铸锭拥有均质性好、纯度高蹬着点 ，但容量较幼的问题一向造约其工业化利用。

(4)半陆续真空感应熔炼兼具了水冷铜坩埚真空感应悬浮 熔炼高纯净、高均质钛合金铸锭的个性，同时又拥有真空加料装置及间歇拉锭装置，解决了水冷铜坩埚感 应熔炼合金规格幼的问题；诖，该熔炼工艺拥有较大发展空间。但是，由于设备及节造工艺相对较复 杂，亟需发展大量的钻研工作。

钛脊合金铸锭的钻研方向重要集中在高纯度、高均质性以及低成本。为此，钛合金铸锭熔炼工艺需 满足以下要求。首先，为保障铸锭的纯净度，熔炼工艺需拥有较短的出产流程以预防引入杂质，同时熔炼 坩埚需拥有较高的惰性或非接触式坩埚，以预防坩埚引入杂质；其次，熔体需拥有较高的过热度，以解决 高/低密度同化以及均质性差的问题；最后，熔炼工艺需拥有批量化出产特点以及相对较低的出产成本。 基于上述要求，相信冷坩埚半陆续感应熔炼工艺在钛脊合金铸锭造备领域将拥有较大的发展远景。

参考文件References

[1] Gao F Y, Sun Z J, Yang S L, et al. Stress corrosion characteristics of electron beam welded titanium alloys joints in NaCl solution[J]. Materials Characterization, 2022, 192(1): 112126.

[2] Huang P, Zou B L, Zhang Y Q, et al. Synthesis of rare earth silicate thermal barrier coating materials (YxYb2-xSiO5) and application on the surface of titanium alloy[J]. Inorganic Chemistry Communications, 2022, 135: 109129.

[3] Khoshaim A B, Muthuramalingam T, Moustafa E B, et al. Influences of tool electrodes on machinability of titanium α-β alloy with ISO energy pulse generator in EDM process[J]. Alexandria Engineering Journal, 2023, 63: 465-474.

[4] Kumar R R, Gupta R K, Sarkar A, et al. Vacuum diffusion bonding of α-titanium alloy to stainless steel for aerospace applications: interfacial microstructure and mechanical characteristics[J]. Marials Characterization, 2022, 183: 111607.

[5] 辛社伟, 刘向宏, 张思远, 等. 钛合 金低成本化技术的钻研与 发展[J]. 罕见金属资料与工程, 2023, 52(11): 3971-3980.

[6] 张娜, 廖强, 文娜, 等. 熔炼步骤对 TC2 钛合金铸锭成吩旖均 性的影响[J]. 机械工程与自动化, 2019(4): 135-137.

[7] Jing Z Q, Sun Y H, Chen L, et al. Numerical simulation of current, magnetic field and electromagnetic force in vacuum arc remelting of titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2023, 52(6): 1994- 2001.

[8] Fashu S, Lototskyy M, Davids M W, et al. A review on crucibles for induction melting of titanium alloys[J]. Materials & Design, 2020, 186: 108295.

[9] Chen G Y, Lan B B, Xiong F H, et al. Pilot-scale experimental evaluation of induction melting of Ti-46Al-8Nb alloy in the fused BaZrO3 crucible[J]. Vacuum, 2019, 159: 293-298.

[10] 王宏权, 贠鹏飞, 刘华, 等. 真空 自耗电弧炉熔炼钛合金铸锭 钨同化起源分析及对策[J]. 特钢技术, 2017, 23(1): 43-47.

[11] 岳旭, 杨国庆, 李渭清, 等. 熔炼 方式对 TC17 钛合金铸锭化 学成分及棒材组织均匀性的影响钻研[J]. 钛工业进展, 2016, 33(5): 11- 15.

[12] Singh P, Pungotra H, Kalsi N S. On the characteristics of titanium alloys for the aircraft applications[J]. Materials Today: Proceedings, 2017, 4(8): 8971-8982.

[13] Zhao Q Y, Sun Q Y, Xin S W, et al. High-strength titanium alloys for aerospace engineering applications: a review on melting-forging process[J]. Materials Science and Engineering A, 2022, 845: 143260.

[14] 史莹莹, 刘钊, 陈峰, 等. φ1040 mm 规格 TA15 钛合金铸锭 出产工艺钻研[J]. 世界有色金属, 2018, 43(23): 9-12.

[15] 屈银化, 刘茵琪, 张俊旭. 钛脊 合金熔炼技术的发展示状[J]. 罕见金属资料与工程, 2008, 37(S3): 135-140.

[16] 毛幼南, 罗雷, 于兰兰, 等. 电子 束冷床熔炼工艺参数对 TC4钛合金 Al 元素挥发的影响[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(S1): S419- S424.

[17] 李莹莹. 等离子冷床炉冶炼钛合金 去除同化物的钻研[J]. 铸 造技术, 2020, 41(2): 132-134+139. 

[18] 李碚, 张森. 真空悬浮熔炼技术简 介及其钻研进展[J]. 军民 两用技术与产品, 2012(7) : 43-46. 

[19] 刘源, 岑孟江, 陈祥, 等. 钛合金电 子束冷床炉熔炼过程中硬α-TiN 同化的溶化去除理论分析[J]. 铸造, 2020, 69(8): 791- 796.

[20] Chen R R, Yang J R, Ding H S, et al. Effect of configuration on magnetic field in cold crucible using for continuous melting and directional solidification[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22 (2): 404-410.

[21] Ding H S, Nie G, Chen R R, et al. Directional solidification of TiAl–W–Si alloy by electromagnetic confinement of melt in cold crucible[J]. Intermetallics, 2012, 31: 264-273. [22] Moon B-M, Seo J H, Lee H-J, et al. Method of recycling titanium scraps via the electromagnetic cold crucible technique coupled with calcium treatment[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 727: 931-939.

[23] Gao P Y, Liu Y Z, Ren Y, et al. Evaluation of the microstructure and property of TiNi SMA prepared using VIM in BaZrO3 crucible[J]. Vacuum, 2019, 168: 108843.

[24] Song Q Z, Liang T, Qian K, et al. Corrosion resistance of calcium zirconate crucible to titanium-copper melts[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2022, 42(7): 3321-3331. [25] Xiao Y B, Chen G Y, Yu F H, et al. Preparation of a novel Sr-Zr oxide refractory for induction melting of high-activity alloy[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(13): 6738-6743.

[26] Zhang R, Wang D J, Liu S Q, et al. Effect of microstructures on hot compression behavior of a Ti-43Al-2Si alloy fabricated by cold crucible continuous casting[J]. Materials Characterization, 2018, 144: 424- 430.

[27] Liu S Q, Ding H S, Chen R R, et al. Microstructural evolution and mechanical properties of a Cr-rich β-solidifying TiAl-based alloy prepared by electromagnetic cold crucible continuous casting[J]. Materials Science and Engineering A, 2020, 798: 140205.

[28] 华中科技大学. 用于钛合金感应熔 炼的氮化铝陶瓷复杂坩埚 的造备步骤: CN115925427A[P]. 2022-10-20.