Ti-6Al-4V 屑狀殘料冷床爐回收工藝研究

董燕妮，張寶秋

（寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721014）

引言

Ti-6Al-4V 鈦合金是目前應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的鈦合金材料。該鈦合金因具有較高的蠕變抗力和持久強(qiáng)度以及良好的熱穩(wěn)定性，而被廣泛的應(yīng)用到航空、航天、武器裝備等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，Ti-6Al-4V 鈦合金在民用領(lǐng)域如石油、化工、體育、眼鏡等行業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。然而與傳統(tǒng)鋼鐵材料相比，鈦合金材料的成本顯得過于高昂，且一直沒有有效的降成本途徑，嚴(yán)重限制了鈦合金在價格敏感領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

表1 Ti-6Al-4V 屑料化學(xué)成分

表2 海綿鈦化學(xué)成分

表3 鋁釩合金化學(xué)成分

圖1

鈦合金加工材具有加工流程長和成品率低的特點(diǎn)，從海綿鈦到加工材平均每千克海綿鈦中只有0.4～0.6kg進(jìn)入成品[1]，因此整個加工過程會產(chǎn)生大量的殘廢料，其中尤以Ti-6Al-4V 鈦合金殘料最多。如果能實(shí)現(xiàn)鈦及鈦合金殘料的回收利用勢必將有效降低材料的成本，提高材料的市場競爭力。目前，國際上的大型鈦加工企業(yè)已經(jīng)掌握了Ti-6Al-4V 鈦合金殘料的回收處理工藝，并在一些航空和航天重要用途產(chǎn)品中進(jìn)行了添加。而國內(nèi)只有寶鈦集團(tuán)有限公司建立了國內(nèi)最完善的鈦及鈦合金殘料處理生產(chǎn)線，并利用真空自耗熔煉法（VAR）進(jìn)行了Ti-6Al-4V 鈦合金屑狀殘料的回收處理探索，但由于屑狀殘料制備自耗電極不易成型，屑狀殘料的添加比例極低，回收效率不高。與VAR 相比，冷床爐熔煉具有可以水平進(jìn)料，無需制備自耗電極等優(yōu)勢，極有利于高添加比例鈦及鈦合金殘料的回收，但鈦及鈦合金的冷床爐回收方面的研究在國內(nèi)卻鮮有報道。因此，本文以Ti-6Al-4V 鈦合金屑狀殘料為目標(biāo)，嘗試?yán)秒娮邮浯矤t（EBCHM）開展了回收工藝研究，以期為鈦及鈦合金殘料的回收利用提供一定的參考和指導(dǎo)。

表4 合金成分配比

1 試驗

1.1 試驗方案

（1）在鑄錠中添加60%～98.4%（wt%）的Ti-6Al-4V屑狀殘料。

（2）電子束冷床爐熔煉時Al 元素和V 元素?zé)龘p較嚴(yán)重，投料時根據(jù)經(jīng)驗添加一部分Al 豆和鋁釩中間合金，對合金中的Al、V 元素進(jìn)行補(bǔ)充。

（3）由于電子束冷床爐熔煉熔池較淺，不利于合金元素的均勻化，所以在熔煉前V 型混料機(jī)進(jìn)行混料，確保原料混料均勻。

1.2 工藝流程（見圖1）

1.3 試驗原料

采用Ti-6Al-4V 鑄錠機(jī)加產(chǎn)生的屑狀殘料（具體成分見表1），其屑狀殘料的處理工藝流程為破碎→清洗→烘干→篩分→去高比重金屬夾雜物→挑料。

采用粒度為0.83mm～25.4mm 的Ⅰ級海綿鈦（化學(xué)成分見表2）、粒度0.83mm～6mm 的鋁釩合金（化學(xué)成分見表3）、粒度6mm～12mm 鋁豆（純度大于99.7%）。

1.4 試驗過程

（1）配料和混料

本次試驗共制備5 個鑄錠，鑄錠成分配比為Ti-7.6Al-3.9V，鑄錠的投料量均為280kg，采用V 型混料機(jī)對原料進(jìn)行充分混合。每個鑄錠的成分配比見表4。

（2）熔煉

熔煉在EBCHM 設(shè)備上進(jìn)行，其主要熔煉工藝參數(shù)如下：

a.輸入結(jié)晶器的電子束功率為25 千瓦。

b.輸入冷床的電子束功率為300 千瓦。

表5 鑄錠化學(xué)成分

c.熔煉速度為90 公斤/小時。

d.結(jié)晶器規(guī)格為Φ370mm。

1.5 試驗結(jié)果

（1）對5 個鑄錠的頭部取樣分析，其元素化學(xué)成分見表5。

（2）對4 號鑄錠表面的頭、上、中、下、底五點(diǎn)進(jìn)行取樣分析，其元素化學(xué)成分見表6。

表6 4 號鑄錠表面不同部位的化學(xué)成分

（3）為檢測熔煉鑄錠橫截面化學(xué)成分的均勻性，在4號鑄錠冒口端面9 點(diǎn)取樣，分析主元素Al、V，取樣圖見圖2，成分的分析結(jié)果見表7。

圖2 冒口橫截面九點(diǎn)取樣位置

表7 冒口九點(diǎn)化學(xué)成分

2 分析與討論

（1）回收工藝對合金中Al、V 元素的影響

EBCHM 熔煉的特點(diǎn)是熔煉溫度高、真空度高，熔煉溫度可以達(dá)到3500℃，真空度達(dá)10-2Pa 級。Al 元素的熔點(diǎn)是660℃，沸點(diǎn)為2467℃，大大低于鈦基體元素的熔點(diǎn)1668℃、沸點(diǎn)3287℃，在熔煉過程中，Al 元素?fù)]發(fā)將達(dá)0.4-2.0%[2]。V 元素的熔點(diǎn)為1919℃，沸點(diǎn)為3380℃，接近于鈦基體元素，所以V 元素的損失僅略小于Ti 元素的損失，在熔煉過程中適當(dāng)補(bǔ)充即可。

從表5～表7 可以看出：Al 元素的配比值為7.6%，但鑄錠中Al 元素僅為6.0%左右，揮發(fā)量高達(dá)21%；V 元素略有增高，幅度在0.1%～0.2%，和理論預(yù)測一致。因此，為了使鑄錠內(nèi)的Al 元素達(dá)到目標(biāo)值，必須在配料時補(bǔ)充Al元素。冷床爐熔煉不需壓制電極，且可以直接熔煉細(xì)碎殘料，這也為Al 元素的補(bǔ)充提供了方便。添加Al 元素的方式是在海綿鈦中添加中間合金（Al-55V）或Al 豆，為使原料得到充分混合，需采用混料機(jī)混合。

（2）回收工藝對合金中O 元素的影響

Ti-6Al-4V 屑料回收另一個難點(diǎn)是鑄錠中O 元素的控制，在國標(biāo)GB/T 3620.1-2007 中，Ti-6Al-4V 鑄錠O元素的上限為0.20%，但是因為Ti-6Al-4V 屑料在加工過程中都會被氧化，Ti-6Al-4V 屑料的O 含量普遍都在0.20%以上。在冷床爐的真空熔煉過程中，因為TiO2的飽和蒸汽壓小于Ti 的飽和蒸汽壓，決定鈦基體中的O 元素含量的不可逆性，不能降低。所以為了降低O 含量，必須補(bǔ)充O 含量較低的海綿鈦和中間合金。從表6 可以看出，當(dāng)回收原料中Ti-6Al-4V 屑料占到鑄錠投料量60%～70%時，回收效果最好，O 含量控制到0.15%～0.17%左右，當(dāng)Ti-6Al-4V 屑料回收比例高于這一數(shù)值時，O 含量接近國標(biāo)上限，甚至高于國標(biāo)，就不太合理了。

（3）鑄錠成分均勻性分析

冷床爐熔煉的一個弊端是熔池淺，而且是邊熔化邊凝固，這就決定了冷床爐熔煉合金均勻化能力不強(qiáng)，為了解決這個問題，冷床爐熔煉的原料必須充分混合。本試驗以Ti-6Al-4V 屑料、海綿鈦、鋁釩合金、鋁豆為原料，且都為碎料，便于混料，從表7 可以看出，鑄錠的縱向和橫向化學(xué)元素含量都比較均勻，說明本試驗合金均勻化控制工藝是合理的。

4 結(jié)論

（1）采用冷床爐熔煉的方式可有效回收Ti-6Al-4V屑狀殘料，在補(bǔ)充鋁元素的前提下，Ti-6Al-4V 鑄錠合金元素的化學(xué)成分可以得到有效控制。

（2）Ti-6Al-4V 屑料回收量在鑄錠60%～70%比例時，鑄錠氧含量可以得到有效控制。