自1791年鈦元素被發(fā)現(xiàn)到1910年第一次制得金屬鈦，再到1950年鈦金屬大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，經(jīng)歷了長達(dá)150多年的歷史[1]。因鈦具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、高低溫性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、艦船、兵器、能源、建筑、體育、生物醫(yī)學(xué)及現(xiàn)代生活中，有“第三金屬”和“未來金屬”之美稱。
目前國內(nèi)外廣泛工業(yè)應(yīng)用的鈦及鈦合金熔煉方法有真空自耗電弧熔煉和冷床熔煉法，其中真空自耗電弧熔煉(VAR)技術(shù)是我國生產(chǎn)鈦及鈦合金的最主要的方法。國內(nèi)鈦工業(yè)經(jīng)過多年的積累，在真空自耗電弧熔煉的理論基礎(chǔ)、裝備設(shè)施、產(chǎn)品種類和質(zhì)量控制等方面提高顯著。氧作為間隙雜質(zhì)元素之一，屬α相穩(wěn)定元素，在鈦原子的間隙位置，形成間隙固溶體，使鈦的晶格發(fā)生畸變，阻礙位錯運(yùn)動，使鈦的滑移系數(shù)減少，從而有效提高鈦及鈦合金的室溫抗拉強(qiáng)度，降低塑性[2-3]。鈦及鈦合金在真空自耗電弧熔煉過程中，設(shè)備無法達(dá)到絕對的真空狀態(tài)和零漏率，環(huán)境中的氧會進(jìn)入鈦熔液，造成氧含量稍微增加[4]，因此對氧含量有嚴(yán)格上限要求的鈦及鈦合金鑄錠，所用原料中的氧要嚴(yán)格控制上限并低于產(chǎn)品要求值。
近年來，隨著人們對鈦合金添加氧元素的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)適量氧含量能提高某些鈦合金的綜合性能，Geng等[5]對Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)合金中添加氧進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)拉伸測試中的伸長率出現(xiàn)反常現(xiàn)象，其抗拉強(qiáng)度隨O含量的增加而提高，其伸長率先降低后增加。這可能是由于氧能抑制原子位錯、無熱ω相和變形誘發(fā)的ω相的形成，抑制鈦合金中的馬氏體相變[6-9]，隨著O濃度的增加，抑制馬氏體轉(zhuǎn)變的能力也在增加[10-11]，并且O能降低馬氏體轉(zhuǎn)變的Ms點(diǎn)，與固溶強(qiáng)化相結(jié)合，提高鈦合金的超彈性和形狀記憶效應(yīng)[12-14]。因此，氧在鈦合金中的作用越來越受到人們的重視，為了實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的綜合性能，需要添加適量的氧元素，這就要求真空自耗熔煉鑄錠的氧含量精準(zhǔn)控制在產(chǎn)品要求范圍且均勻性好。
1. VAR熔煉過程中的脫氧現(xiàn)象
在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們使用不同廠家的海綿鈦熔煉鈦及鈦合金鑄錠，氧均有不同程度的脫除現(xiàn)象。該批鑄錠采用滿足GB/T2524要求的2級及以上海綿鈦，按照不同的配料目標(biāo)值，用二氧化鈦粉末作為氧元素的添加劑，經(jīng)稱重、混勻后壓制電極塊，在等離子焊箱內(nèi)焊接成自耗電極，自耗電極在10 tP型雙工位真空自耗電弧爐中通過兩次熔煉，其中成品熔煉時一次錠調(diào)頭熔煉二次，出爐冷卻后進(jìn)行扒皮檢驗(yàn)，在距離鑄錠頭、底端面200～300 mm范圍內(nèi)外圓面上車削塊樣（3 mm×3 mm×(7～20) mm），參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T4698.7，采用LECO力可氧氮?dú)浞治鰞x（ONH836型，精度0.001%）檢測鑄錠中氧含量。鑄錠取樣位置示意圖見圖1。
鑄錠頭部氧含量檢測結(jié)果見圖2所示，鑄錠頭部氧含量基本正常，檢測結(jié)果在配料值的?0.01%～0.015%范圍波動，符合鈦及鈦合金真空自耗熔煉過程氧元素的控制范圍和檢測偏差。不同廠家海綿鈦、不同目標(biāo)氧配料值經(jīng)兩次熔煉成品鑄錠底部氧含量的檢測結(jié)果見圖3~圖8。圖中可以看出，鑄錠底部氧含量檢測結(jié)果差異性較大，有明顯降低的趨勢，存在真空自耗熔煉過程中脫除的跡象。
