Ti-6Al-4V 屑狀殘料冷床爐回收工藝研究

董燕妮，張寶秋

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞721014）

引言

Ti-6Al-4V 鈦合金是目前應用最廣、產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度以及良好的熱穩定性，而被廣泛的應用到航空、航天、武器裝備等領域。隨著科技的發展，Ti-6Al-4V 鈦合金在民用領域如石油、化工、體育、眼鏡等行業也得到廣泛應用。然而與傳統鋼鐵材料相比，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，嚴重限制了鈦合金在價格敏感領域的進一步推廣應用。

表1 Ti-6Al-4V 屑料化學成分

表2 海綿鈦化學成分

表3 鋁釩合金化學成分

圖1

鈦合金加工材具有加工流程長和成品率低的特點，從海綿鈦到加工材平均每千克海綿鈦中只有0.4～0.6kg進入成品[1]，因此整個加工過程會產生大量的殘廢料，其中尤以Ti-6Al-4V 鈦合金殘料最多。如果能實現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已經掌握了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品中進行了添加。而國內只有寶鈦集團有限公司建立了國內最完善的鈦及鈦合金殘料處理生產線，并利用真空自耗熔煉法（VAR）進行了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料，無需制備自耗電極等優勢，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卻鮮有報道。因此，本文以Ti-6Al-4V 鈦合金屑狀殘料為目標，嘗試利用電子束冷床爐（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。

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 元素燒損較嚴重，投料時根據經驗添加一部分Al 豆和鋁釩中間合金，對合金中的Al、V 元素進行補充。

（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 型混料機進行混料，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 鑄錠機加產生的屑狀殘料（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（化學成分見表2）、粒度0.83mm～6mm 的鋁釩合金（化學成分見表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 型混料機對原料進行充分混合。每個鑄錠的成分配比見表4。

（2）熔煉

熔煉在EBCHM 設備上進行，其主要熔煉工藝參數如下：

a.輸入結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 鑄錠化學成分

c.熔煉速度為90 公斤/小時。

d.結晶器規格為Φ370mm。

1.5 試驗結果

（1）對5 個鑄錠的頭部取樣分析，其元素化學成分見表5。

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

表6 4 號鑄錠表面不同部位的化學成分

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

圖2 冒口橫截面九點取樣位置

表7 冒口九點化學成分

2 分析與討論

（1）回收工藝對合金中Al、V 元素的影響

EBCHM 熔煉的特點是熔煉溫度高、真空度高，熔煉溫度可以達到3500℃，真空度達10-2Pa 級。Al 元素的熔點是660℃，沸點為2467℃，大大低于鈦基體元素的熔點1668℃、沸點3287℃，在熔煉過程中，Al 元素揮發將達0.4-2.0%[2]。V 元素的熔點為1919℃，沸點為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，在熔煉過程中適當補充即可。

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，揮發量高達21%；V 元素略有增高，幅度在0.1%～0.2%，和理論預測一致。因此，為了使鑄錠內的Al 元素達到目標值，必須在配料時補充Al元素。冷床爐熔煉不需壓制電極，且可以直接熔煉細碎殘料，這也為Al 元素的補充提供了方便。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是鑄錠中O 元素的控制，在國標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，必須補充O 含量較低的海綿鈦和中間合金。從表6 可以看出，當回收原料中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Ti-6Al-4V 屑料回收比例高于這一數值時，O 含量接近國標上限，甚至高于國標，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，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，在補充鋁元素的前提下，Ti-6Al-4V 鑄錠合金元素的化學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。