ALD真空电弧炉熔炼钛合金铸锭中“缩孔"缺陷的形成机理及工艺抑制措施

一、引言

真空电弧熔炼（VAR）是钛合金铸锭工业化生产的核心工艺，而ALD真空电弧炉凭借其精准的参数控制能力，成为高端钛合金（如航空航天用TC4、Ti-17）熔炼的首选设备。缩孔作为VAR过程中典型的体积性缺陷，表现为铸锭内部的空洞或疏松区域，其存在会显著降低材料的疲劳强度与断裂韧性。据某航空材料企业统计，因缩孔缺陷导致的钛合金铸锭报废率可达 8%-15% ，年经济损失超千万元。

近年来，国内外学者针对缩孔形成机制开展了相关研究：Brown等通过数值模拟发现，熔池凝固过程中“最后凝固区”的补缩通道被提前封堵是缩孔产生的直接原因；国内团队则指出，电极熔化速率与结晶器冷却速率的不匹配会加剧缩孔形成。但现有研究多聚焦于普通真空电弧炉，针对ALD设备特有的多参数协同控制下的缩孔机理研究不足。本文结合ALD真空电弧炉的技术特点，系统分析钛合金铸锭缩孔的形成机理，并提出针对性的工艺抑制措施。

二、缩孔缺陷的特征与分布规律

2.1 缩孔的形貌特征

通过对 10 炉存在缩孔缺陷的TC4 钛合金铸锭（ Φ200mm×500mm ）进行检测，发现缩孔主要有两种形态：一是位于铸锭中心轴线附近的“集中型缩孔”，呈不规则椭圆形，尺寸多为 Φ5-20mm ，内部常伴随疏松与夹杂物；二是分布于铸锭1/2 半径处的“分散型缩孔”，呈蜂窝状小空洞，直径 0.5-2mm ，多沿晶界分布。能谱分析显示，缩孔内壁富集低熔点元素（如Si、Fe），表明其形成与溶质偏析存在关联。

2.2 缩孔的分布规律

CT扫描结果表明，缩孔的分布具有明显规律性：在铸锭纵截面上，集中型缩孔多位于距冒口端 100-200mm 区域，分散型缩孔则分布在凝固速率变化剧烈的过渡区；在横截面上，缩孔集中在中心及1/2 半径处，与熔池径向温度梯度分布一致。统计显示，当铸锭直径超过 200mm 时，缩孔发生率显著上升，这与大尺寸铸锭的补缩难度增加直接相关。

三、缩孔缺陷的形成机理

3.1 熔池凝固的补缩动力学

钛合金熔体凝固时体积收缩率约为 3%-5% ，需依靠未凝固熔体的流动进行补缩。ALD真空电弧炉中，熔池呈“凸面”形态，凝固从结晶器壁向中心推进，形成“壳层-液芯”结构。当凝固速率过快（ >4mm/min ）时，结晶器壁处的固相壳层迅速增厚，导致中心液芯与外围熔体的连通通道被切断，形成“孤立熔池”。孤立熔池凝固时无熔体补充，最终形成集中型缩孔。热力学计算表明，TC4 钛合金的液相线温度为 1660^∘C ，固相线温度为 1600^∘C ，结晶温度区间达 60^∘C 。若熔池轴向温度梯度 :<5^∘C/mm ，会延长凝固时间，导致枝晶臂发达，阻碍熔体流动，进一步加剧补缩困难，形成分散型缩孔。

3.2 电弧能量分布的影响

ALD真空电弧炉的电弧能量分布由电流-电压匹配决定。当电流过高（ _>3.0kA ）而电压偏低（ (<25V) ）时，电弧集中于熔池中心，形成“深熔池”（深度 ），中心区域过热导致凝固延迟，而边缘区域已完成凝固，中心熔体收缩时无法获得补缩，形成中心缩孔。反之，电压过高（>35V）会使电弧分散，能量密度降低，熔池边缘温度不足，凝固壳层不均匀增厚，在薄弱区域形成缩孔[1]。此外，电极偏心（偏移量>5mm）会导致电弧不对称分布，熔池一侧温度过高而另一侧偏低，凝固速率差异引发应力集中，促使缩孔在应力区形成。

3.3 熔体流动性的限制

钛合金熔体的黏度随温度降低而急剧上升，在 1620^∘C 时黏度约为 0.02Pa⋅s ，降至1600^∘C 时增至 0.1Pa⋅s ，流动性显著下降。若熔炼过程中真空度波动（ >5×10^-3Pa, ），会导致熔体表面张力不稳定，进一步阻碍补缩流动。实验发现，当真空度从 3×10^- ³Pa升至 1×10^- ²Pa时，缩孔发生率增加 40% 。同时，原料中的高熔点夹杂（如 TiO₂ ）会在熔池中形成“流动壁垒”，当夹杂含量 >0.05% 时，熔体流动性下降 20% 以上，加剧缩孔形成。

四、缩孔缺陷的工艺抑制措施

4.1 优化电流-电压匹配参数

凭借机理剖析，探求ALD真空电弧熔炉对TC4 钛合金熔炼的适宜电参数：电流介于2.5 至 2.8 千安培，电压值在 28 至 32 伏特之间，实验所采用的输入功率值在 70 至 90千瓦，电弧能量分布均匀，熔池深度控制在 50-60mm ，轴向温度梯度维持8 至 10^∘C/mm 的稳定梯度，阻隔由深熔池引起的中心缩孔现象，确保熔体流动性充足，工业试验表明，采用该参数后，熔池补缩通道畅通时间延长至 60 秒以上，缩孔生成频次降低 60% 。

4.2 改进电极运动轨迹与熔炼程序

采纳螺旋电极旋转下降方案，替代传统垂直下降法，电极沿 Φ5mm 半径路径，以1r/min转速实施旋转下降，实现电弧对熔池表面的均匀遍历，消除局部过热隐患，同步采用“三阶段熔炼体系”：初期（ 0⋅15min ）采用较高功率（90kW）快速形成熔池；中期（15-30 分钟）阶段功率调整至 70 千瓦，设定凝固速度为每分钟 2 至 3 毫米；后期（ 30⋅45min ）以 50kW功率保温，该程序使铸锭密度从 98.5% 提升至 99.8% ，提升幅度明显。

4.3 分段控制冷却强度

该系统对ALD真空电弧炉结晶器冷却实施分区域调控，底部区域（ 0-100mm ）冷却流速调整至 25L/min ，超越常规 20L/min ，增强底部凝固效率，阻隔缩孔生成；中部区域（ 100-400mm ）稳定流量维持20 升每分钟，维持稳定凝固速率；顶区（ 400-500mm ）流量实现15L/min，引发“浇口”效应，执行顶部熔体终极补填，仿真分析表明，轴向温度梯度的均匀性因分段冷却而得到显著改善，增幅高达 30% 。

4.4 原料预处理与真空度控制

原料需经过严格筛选，海绵钛的氧含量需低于 0.15% 这一临界值，对Al-V中间合金的粒径设定为5 至 10 毫米，降低杂质掺杂，实施真空加热阶段，脱去原料吸附的水分与气体吸附剂；熔炼作业维持真空度在 2⋅3×10^- ³Pa，利用多级真空泵组，压力波动得以精确控制在 <5×10^- ⁴Pa，维持熔体表面张力恒定水平 。

五、结论

ALD真空电弧炉熔炼钛合金铸锭的缩孔缺陷分为集中型与分散型，分别位于中心轴线及 1/2 半径处，其形成与熔池补缩不足直接相关。缩孔形成机理涉及三方面，凝固速率不均衡导致补缩通道过早封堵；电弧能量分布不均形成深熔池或局部冷区；熔体流动性不足（黏度高、夹杂多）阻碍补缩流动。采用优化电参数（2.5-2.8kA/28-32V）、螺旋式电极运动、分段冷却及原料预处理等措施，可将TC4 钛合金铸锭缩孔缺陷率从 12.5% 降至 1.8% ，显著提升铸锭质量。本研究揭示的缩孔形成机理及抑制措施，对ALD真空电弧炉熔炼其他钛合金（如Ti-6242、TC11）具有借鉴意义，为高端钛合金材料的稳定生产提供了理论与技术支持。

参考文献

[1]刘璐华,刘永刚,周伟,等. 电弧炉炼钢高效节能技术的发展现状[J].工业加热,2024,53(01):1-5.