董燕妮   張寶秋   寶鈦集團有限公司

　　本文研究了 Ti-6Al-4V 屑狀殘料的冷床爐回收工藝，確定了合理的殘料添加比例和回收工藝。采用冷床爐熔煉和輔助 添加 Al、V 元素和海綿鈦的方法進行了屑狀殘料的回收工藝試驗，結果表明：熔煉的鑄錠化學成分均勻，可以滿足使用要求，回 收工藝合理可行；屑狀殘料添加比例 60%～70%時，鑄錠中氧含量可以得到有效控制。

　　關鍵詞：Ti-6Al-4V；屑狀殘料；冷床爐熔煉；回收

　　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。

　　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，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 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 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

　　海綿鈦／中間合金

　　Ti-6AI-4V屑狀殘料→粉碎→清洗→除雜→混料→冷床爐熔煉→鑄鹽應用平臺錠處理→分析檢驗→成品

　　圖一

　　表 4 合金成分配比

　　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

　　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 10-2 Pa 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%。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。

　　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。