自1791年钛元素被發現到1910年第一次制得金屬钛，再到1950年钛金屬大規模工(gōng)業化生産(chǎn)應用(yòng)，經曆了長(cháng)達150多(duō)年的曆史[1]。因钛具(jù)有(yǒu)比強度高、耐腐蝕性強、高低溫性能(néng)優異等優點，被廣泛應用(yòng)于航空、航天、化工(gōng)、艦船、兵器、能(néng)源、建築、體(tǐ)育、生物(wù)醫(yī)學(xué)及現代生活中(zhōng)，有(yǒu)“第三金屬”和“未來金屬”之美稱。
目前國(guó)内外廣泛工(gōng)業應用(yòng)的钛及钛合金熔煉方法有(yǒu)真空自耗電(diàn)弧熔煉和冷床熔煉法，其中(zhōng)真空自耗電(diàn)弧熔煉(VAR)技(jì )術是我國(guó)生産(chǎn)钛及钛合金的最主要的方法。國(guó)内钛工(gōng)業經過多(duō)年的積累，在真空自耗電(diàn)弧熔煉的理(lǐ)論基礎、裝(zhuāng)備設施、産(chǎn)品種類和質(zhì)量控制等方面提高顯著。氧作(zuò)為(wèi)間隙雜質(zhì)元素之一，屬α相穩定元素，在钛原子的間隙位置，形成間隙固溶體(tǐ)，使钛的晶格發生畸變，阻礙位錯運動，使钛的滑移系數減少，從而有(yǒu)效提高钛及钛合金的室溫抗拉強度，降低塑性[2-3]。钛及钛合金在真空自耗電(diàn)弧熔煉過程中(zhōng)，設備無法達到絕對的真空狀态和零漏率，環境中(zhōng)的氧會進入钛熔液，造成氧含量稍微增加[4]，因此對氧含量有(yǒu)嚴格上限要求的钛及钛合金鑄錠，所用(yòng)原料中(zhōng)的氧要嚴格控制上限并低于産(chǎn)品要求值。
近年來，随着人們對钛合金添加氧元素的研究不斷深入，發現适量氧含量能(néng)提高某些钛合金的綜合性能(néng)，Geng等[5]對Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)合金中(zhōng)添加氧進行研究，發現拉伸測試中(zhōng)的伸長(cháng)率出現反常現象，其抗拉強度随O含量的增加而提高，其伸長(cháng)率先降低後增加。這可(kě)能(néng)是由于氧能(néng)抑制原子位錯、無熱ω相和變形誘發的ω相的形成，抑制钛合金中(zhōng)的馬氏體(tǐ)相變[6-9]，随着O濃度的增加，抑制馬氏體(tǐ)轉變的能(néng)力也在增加[10-11]，并且O能(néng)降低馬氏體(tǐ)轉變的Ms點，與固溶強化相結合，提高钛合金的超彈性和形狀記憶效應[12-14]。因此，氧在钛合金中(zhōng)的作(zuò)用(yòng)越來越受到人們的重視，為(wèi)了實現其優異的綜合性能(néng)，需要添加适量的氧元素，這就要求真空自耗熔煉鑄錠的氧含量精(jīng)準控制在産(chǎn)品要求範圍且均勻性好。
1. VAR熔煉過程中(zhōng)的脫氧現象
在生産(chǎn)實踐中(zhōng)，我們使用(yòng)不同廠家的海綿钛熔煉钛及钛合金鑄錠，氧均有(yǒu)不同程度的脫除現象。該批鑄錠采用(yòng)滿足GB/T2524要求的2級及以上海綿钛，按照不同的配料目标值，用(yòng)二氧化钛粉末作(zuò)為(wèi)氧元素的添加劑，經稱重、混勻後壓制電(diàn)極塊，在等離子焊箱内焊接成自耗電(diàn)極，自耗電(diàn)極在10 tP型雙工(gōng)位真空自耗電(diàn)弧爐中(zhōng)通過兩次熔煉，其中(zhōng)成品熔煉時一次錠調頭熔煉二次，出爐冷卻後進行扒皮檢驗，在距離鑄錠頭、底端面200～300 mm範圍内外圓面上車(chē)削塊樣（3 mm×3 mm×(7～20) mm），參照标準GB/T4698.7，采用(yòng)LECO力可(kě)氧氮氫分(fēn)析儀（ONH836型，精(jīng)度0.001%）檢測鑄錠中(zhōng)氧含量。鑄錠取樣位置示意圖見圖1。
鑄錠頭部氧含量檢測結果見圖2所示，鑄錠頭部氧含量基本正常，檢測結果在配料值的−0.01%～0.015%範圍波動，符合钛及钛合金真空自耗熔煉過程氧元素的控制範圍和檢測偏差。不同廠家海綿钛、不同目标氧配料值經兩次熔煉成品鑄錠底部氧含量的檢測結果見圖3~圖8。圖中(zhōng)可(kě)以看出，鑄錠底部氧含量檢測結果差異性較大，有(yǒu)明顯降低的趨勢，存在真空自耗熔煉過程中(zhōng)脫除的迹象。
