由于钛及钛合金具有较高的耐腐蚀性､耐热性､无磁性等特点，在众多金属材料中脱颖而出，被广泛应用于多个领域｡钛金属因其独特优势，被称为 “第三金属”“太空金属”“海洋金属”, 可见其在现代高技术工业中的重要地位｡钛及钛合金的应用深度可从侧面反映出国家的综合国力､国防实力等水平，是高新技术领域中的关键材料｡自科技快速发展以来，高精尖装备需求不断上升，特别是航空､航天､深海探索等战略性领域，钛及钛合金将面对更加严峻的应用环境｡因此，对钛及钛合金铸锭制备工艺进行研究具有重要价值｡
1、钛及钛合金标准
钛及钛合金标准体系涵盖基础规范､产品要求及检测方法，基础类标准如 GB/T 3620.2-2023《钛及钛合金加工产品化学成分允许偏差》, 产品标准涉及 GB/T 3625-2007《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》､棒材 GB/T 2965-2023《钛及钛合金棒材》等｡
2、钛及钛合金铸锭市场需求分析
伴随全球经济迅速发展，钛合金作为高科技材料，需求量急剧上升｡根据美国地质调查局 (USGS) 的数据显示，2023 年全球海绵钛产量约 44.4 万吨，其中中国海绵钛产能维持增长态势，在全球产能占比逐步提升，年产能增至 27.9 万吨，同比占比达 63.0%, 该数据彰显中国在钛合金制造方面的强大实力｡从应用优势角度来看，高品质钛锭具有良好的物理､化学特性，被广泛应用于航空航天､电子技术､医疗等多个高科技领域｡通过对比中美两国高品质钛锭应用情况可以看出，美国 64% 的钛锭被应用于航空､军事领域，展现其在国防与高科技产业对高端钛锭的高度依赖｡而中国的钛锭虽然产量庞大，但其在航空及军事领域的应用比例仅为 15%[1]｡美国作为全球首个实现海绵钛､钛加工工业化的国家，也是最大钛锭消费国，不仅重视高端钛锭研发生产，而且致力于不断提升钛锭性能，满足航空领域等尖端装备需求｡另外，日本在钛产业发展方面展现出民用特色，主要应用于民用领域，覆盖石油化工､建筑､冶金等多个行业｡从全球钛产业发展趋势来看，主要方向是引入先进技术，制备高品质钛合金铸锭，这反映了钛材料在高科技领域的重要地位 [2]｡
3、钛及钛合金铸锭制备工艺
3.1 真空自耗熔炼
在钛及钛合金铸锭制备工艺中，真空自耗电极电弧熔炼技术被广泛使用，其主要操作方式为利用直流低电压､高强度电流引发电弧效应，利用电弧连接自耗电极下端与结晶器，并在熔池上方创建高温电弧等离子体区域，该热区达到极高温度，可促使自耗电极逐渐熔化，激发复杂的物理､化学反应，对去除气体杂质起到重要作用 [3]｡
真空自耗电极电弧熔炼技术主要优势为可提高气体､非金属夹杂物､低熔点有害物质去除效率，改善钛材冷加工､热加工过程中的性能，提高其机械性能，同时还可减少铸锭纵向､横向性能上的差异，确保钛材在实际应用中具有良好的稳定性与可靠性｡与此同时，真空自耗电极电弧熔炼技术还可使用水冷铜结晶器完成熔炼设计，防止金属､耐火材料之间形成相互作用，使金属保持洁净避免污染｡尤其是在水冷条件下，金属熔体凝固速度极快并形成结晶，同时也会生成组织均匀､无缩孔铸锭 [4]｡
结合实际应用情况，真空自耗电极电弧熔炼技术具有较强应用优势，但也会在使用过程中面临问题，如真空自耗电极电弧熔炼技术会对材料配比､电极压制等方面有一定的严格要求，同时还会严格要求海绵钛的疏松度和颗粒度｡此外，在使用真空自耗电极电弧熔炼技术时，生产消耗时间较多，且需对其进行 2~3 次熔炼，才能确保钛及钛合金铸锭组织的成分满足需求｡重熔期间，电极边熔化边结晶，熔化电极后的电极会被直接整合入熔体内，待彻底凝固后转化为铸锭｡此外，由于重熔过程实施过程中，熔池深度较浅，且熔体高温阶段滞留时间短，无法精炼过滤｡因此必须持续优化工艺，才可克服现有技术问题 [5]｡
3.2 电子束冷床
电子束冷床熔炼技术作为前沿金属熔炼手段，在钛及其合金铸锭制备领域被广泛应用｡电子束冷床熔炼技术在实际应用过程中，使用电子束作为加热源，在高电压条件下，电子由阴极释放经过阳极加速，形成高能量电子束，通过电磁聚焦透镜精准引导､偏转磁场，轰击待熔炼材料｡该过程进行过程中，电子动能被转化为热能，使原料迅速熔化｡
电子束冷床熔炼技术在实际应用过程中，对操作环境的要求较为严格，例如，该过程必须在真空环境下进行，为熔炼过程提供洁净空间，去除钛合金中低熔点挥发性金属､杂质，从而提高铸锭的纯度｡通过熔炼､精炼､铸锭凝固等多个工艺流程，电子束冷床熔炼技术能有效去除钛合金中的低密度夹杂物､高密度夹杂物，提升铸锭冶金品质｡电子束冷床熔炼技术的优势是不需要对原料进行压制电极处理，可使原料选择范围更加广泛，包括海绵钛､钛屑､各种废钛材料等 [6]｡
在钛屑回收､纯钛熔炼方面，电子束冷床熔炼技术也具有良好应用效果｡例如，国内已将电子束冷床熔炼技术纳入钛及钛合金生产流程，成功制造高质量产品｡从技术角度来看，电子束冷床熔炼技术优势体现在其具有高效､纯净熔炼过程｡通过精准控制电子束能量轰击位置，可针对性加热､熔化原料，避免了传统熔炼方法中可能出现的局部过热､熔化不均匀等现象｡但是，尽管电子束冷床熔炼技术取得良好应用效果，但其未来发展依旧面临较多挑战，例如，如何进一步提高熔炼效率并降低能耗､如何优化工艺参数等｡
3.3 等离子束冷床熔炼
等离子束冷床熔炼技术应用过程中，使用的等离子热源可分为单枪式､多枪式两种，最高加热温度可达到 6000℃, 几乎能熔化所有金属､非金属材料｡等离子束冷床熔炼技术应用过程较为复杂，技术人员需要将原料送入喂料槽，之后进入熔炼室｡在熔炼室内，等离子枪发出高温等离子束将原料迅速熔化，熔融金属液体流入熔炼床，基于水冷铜炉床作用下，金属液会被加热､均匀化处理，之后流入坩埚中｡坩埚内部，金属液经过电磁搅拌逐渐凝固，形成铸锭｡
等离子束冷床熔炼技术具有集中能量､高熔炼温度､显著提升熔化速度等优势｡即便在高温环境下，等离子束冷床熔炼技术也可将TiO2､TiN 等低密度夹杂物有效熔解，有效提高铸锭纯净度｡同时，炉料中高密度夹杂物在熔化中会沉降至冷炉床底部，在凝固完成后保留于凝壳内，不会影响最终铸锭的质量｡
从等离子束冷床熔炼技术的缺陷角度来看，由于等离子束能量高度集中且具有较高熔炼温度，容易造成低熔点合金元素挥发，导致合金成分控制难度较大｡同时，等离子束冷床熔炼设备，生产难度较高，生产过程也较为复杂，无法被广泛应用于钛及钛合金铸锭熔炼中｡为解决上述问题，企业应积极寻求解决方案，例如，通过优化等离子束参数､优化熔炼工艺等方式，减少低熔点合金元素的挥发｡另外，若要降低设备生产成本，增强等离子束冷床熔炼技术经济效益，可通过改善局部设备结构､选用新型材料等措施，减少设备制造､维护开支｡
3.4 真空感应熔炼
3.4.1 水冷铜坩埚熔炼
真空感应悬浮熔炼技术是快速结合电磁感引起涡流热效应将金属熔化｡该过程中电磁力可确保金属与坩埚壁间实现软接触状态，避免高温条件下坩埚材料对熔体造成污染，确保熔炼过程的纯净性｡真空感应悬浮熔炼技术主要优势为可利用感应加热､电磁搅拌，实现熔池温度的均匀分布，精确控制合金熔液的成分，从而改善材料的均质性｡同时，真空感应悬浮熔炼还展现出卓越适应能力，应用范围可拓展至超合金､金属间化合物､顶级纯度溅射靶材､难熔金属多个领域｡此外，真空感应悬浮熔炼技术还可与其他现代材料制备方法紧密结合，催生系列创新技术，如冷坩埚电磁连铸技术､冷坩埚定向凝固技术等，使材料制备路径更加丰富｡
但真空感应悬浮熔炼技术在应用过程中也会面临一定挑战，例如，该技术中水冷铜坩埚能耗较高，且在冷却方面存在许多技术难题｡结合应用现状来看，若想制备全感应悬浮熔炼材料，其质量被限制在 100kg 范围内，使该技术在航空航天､舰船等领域的应用过程中，无法满足大规格､高均质性钛合金铸锭的需求｡为解决该问题，科研机构专注于优化真空感应悬浮熔炼技术工艺参数，希望降低能耗､提升冷却效率｡
3.4.2 半连续真空感应熔炼
受到电源技术､冷却技术限制，传统感应熔炼方法无法满足大规格钛合金铸锭制备需求，为有效应对该问题，可使用半连续感应熔炼技术｡半连续真空感应熔炼技术核心工作原理是在维持真空状态基础上，通过持续投料将合金原料逐步添加至水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚在感应电磁场作用下能生成大量热能，使合金原料迅速熔化｡完成熔化后，技术人员使用拉锭装置将熔融合金下拉至结晶器内，之后开始凝固成锭｡
从学术研究层面来看，半连续真空感应熔炼技术获得广泛认可，如某工大学研究小组通过感应熔炼连续拉锭方法，获取小规格钛合金定向凝固特性数据｡在该过程中，技术人员精确控制熔炼､拉锭全过程，成功制备性能卓越的钛合金材料｡然而，该研究成果仍限于小规格铸锭，为解决该缺陷，国内某企业投入大量资源进行研发，成功研制 650kg 级半连续真空感应熔炼设备，设备采用真空加料､感应熔炼､间歇拉锭等先进工艺，实现大规格钛合金铸锭高效制备｡
3.4.3 陶瓷坩埚真空感应熔炼
陶瓷坩埚真空感应熔炼实施过程中，其会生成较高温度，同时还可保障良好电磁搅拌效果，可对成分均匀的铸锭进行单次熔炼｡相比于前两种熔炼来说，陶瓷坩埚真空感应熔炼无需使用强制水冷方式，同时还可节约能量损耗，可有效解决目前行业中熔炼能耗高､成分不均匀等问题｡结合目前研究现状来看，某些研究人员于 AIN 粉末内使用活化烧结助剂获取混合物质，之后将其加入球磨机内采取球磨湿混处理｡之后将浆料进行烘干，并获取混合粉末，还会在其中投入有机粘结剂完成造粒，最后研磨过筛｡最后制备完成陶瓷坩埚，可对小规格钛合金铸锭形成良好熔炼效果｡
4、钛及钛合金铸锭制备工艺发展现状解析
真空自耗电极电弧熔炼技术作为传统工业熔炼方法，历经多年发展，工艺相对成熟､设备结构稳定，能高效制备质量较高的钛及钛合金铸锭，该技术在国内外多个工业领域得到广泛应用，尤其是航空航天､医疗器械等高端制造行业｡应用真空自耗电极电弧熔炼技术生产出的钛及钛合金锭具备卓越力学性能､耐腐蚀特性，满足高标准工业需求｡对于电子束冷床熔炼技术来说，因其高效､纯净熔炼特性，为产品质量提供坚实保障｡与此同时，水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼技术结合感应加热､电磁悬浮双重优点，能在维持真空状态下实现合金快速熔化､均匀冷却，使该技术特别适合制备大规格､高品质钛及钛合金铸锭｡
虽然等离子束冷床熔炼､半连续真空感应熔炼技术，其在钛及钛合金铸锭工业应用中存在一定局限，但随着科技持续进步，等离子束冷床熔炼和半连续真空感应熔炼技术将在钛及钛合金铸锭制备中发挥更加重要的作用，并利用各种熔炼技术交融创新，成为推动钛及钛合金材料制备技术持续发展的强劲动力｡
5、结 语
在材料科学体系中，钛及钛合金铸锭制备工艺属于其中重要构成部分，随着工业需求不断增长，尤其是航空航天､医疗器械等高端制造领域，会对钛及钛合金铸锭制备工艺提出更高要求｡通过文章分析，钛及钛合金铸锭制备工艺仍存在一定缺陷，当前研究方向主要围绕提高铸锭纯净度､均质性等关键目标｡在熔炼过程中，相关企业应尽量避免杂质引入，开展熔炼工艺设计过程中，需保障设计方案简单高效｡具体来说，应缩短钛及钛合金铸锭制备工艺流程，减少与外界环境接触机会，可有效降低杂质污染风险｡同时，实施钛及钛合金铸锭制备工艺过程中，还应科学选择熔炼坩埚，坩埚材料应具备高度惰性，不与熔体发生任何化学反应，以防止坩埚材料成为杂质来源｡并且，为提高钛及钛合金铸锭制备工艺水平，还应保障铸锭均质性｡实际应用中，熔炼工艺必须具备良好温控､搅拌能力，确保熔体在熔炼过程中均匀混合，避免成分不均｡此外，还应积极采用高效熔炼技术，如电子束熔炼､等离子熔炼技术等，通过精确控制熔炼温度､时间，进一步提升铸锭均质性｡另外，为促进钛及钛合金铸锭制备工艺获得持续发展，还应重视降低生产成本，为实现该目标，应优化原料使用策略､减少能耗等，有效降低钛及钛合金铸锭制备工艺成本｡此外，还要积极开发新型熔炼技术，促进钛及钛合金铸锭制备工艺体系的持续进步｡
参考文献
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