我國鈦及鈦合金鑄錠的生產(chǎn)起步于20世紀(jì)50年代，1964年實現(xiàn)了鈦加工材的工業(yè)化生產(chǎn)[1] 。隨著人們對鈦特性認(rèn)識的普及，鈦具有的比強(qiáng)度高、耐腐蝕、無磁性、低阻尼、高低溫性能好、與碳復(fù)合材料的相容性好、生物相容性好等突出優(yōu)點(diǎn)被充分發(fā)掘并應(yīng)用[2] [3] ，被人們譽(yù)為“太空金屬”和“海洋金屬”，已被廣泛用于航空航天、 艦船、海洋工程、化工、電力、冶金、醫(yī)療、體育休閑等行業(yè)。作為鈦合金生產(chǎn)用中間合金，自鈦合金誕生以來，一直被認(rèn)為是有效改善合金組元不均勻化、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鈦

合金、提高材料質(zhì)量的重要控制因素和手段，備受各生產(chǎn)廠商的高度重視。時至今日，一些中間合金的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量控制要點(diǎn)仍然是這些鈦合金質(zhì)量控制的核心技術(shù)，被嚴(yán)格保密。

1、中間合金的作用

通常，采用在一種物質(zhì)中添加一些其他元素的方法來改善材料的某些特性。鈦合金也不例外，比如在鈦中添加Mo元素，可以提高鈦的耐高溫性能和耐蝕性能[4] 。

然而，由于添加元素與鈦相比，受密度、熔點(diǎn)、分配系數(shù)、添加方式等等諸多因素影響，容易出現(xiàn)元素分布不均勻的偏析現(xiàn)象，或未熔高熔點(diǎn)金屬產(chǎn)生夾雜等嚴(yán)重的冶金

質(zhì)量情況，目前普遍采用中間合金的方法解決所有影響因素導(dǎo)致的冶金缺陷。

因此，中間合金的作用有 ：改善合金化條件 ；提高合金成分均勻度 ；克服偏析和不熔（難熔）金屬夾雜 ；減少金屬燒損率。總之，添加中間合金的目的是有效改善鈦合金的冶金缺陷。

2、中間合金的選擇原則

作為工業(yè)化批量需求的中間合金，在選擇時，應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性、實用性、適用性等。

通常情況，應(yīng)該把握下列幾個方面的原則 ：

a）中間合金的化學(xué)成分應(yīng)穩(wěn)定，且元素分布均勻，其含有的雜質(zhì)含量應(yīng)能滿足熔煉所能控制的范圍內(nèi) ；

b）間合金的組元，應(yīng)能滿足鈦合金配比的需要 ；

c）中間合金的熔點(diǎn)應(yīng)與鈦的熔點(diǎn)較為接近，通常情況，熔點(diǎn)相差應(yīng)不超過500℃ ；

d）中間合金的比重、比熱、熔化潛熱與基體金屬應(yīng)相近 ；

e）中間合金應(yīng)便于制備、車削或破碎 ；

f）中間合金的制造成本應(yīng)是合理可接受的。

3、中間合金的制備方法

鈦合金用中間合金主要采用金屬熱還原法和熔煉法兩種方式。

3.1?金屬熱還原法

金屬熱還原法主要用于高密度、高熔點(diǎn)合金元素添加用中間合金的生產(chǎn)。采用此種方式生產(chǎn)的典型的鈦合金用中間合金有 Al-V、Al-Mo、Al-Mo-V-Fe 等，其中以Al-V、Al-Mo最為代表[5] 。

該方法是利用活性金屬（通常為Al粉）將被還原金屬的氧化物，通過燃燒使被還原金屬由氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榧兘饘佟Ｍǔ２捎娩X、鎂、硅、鈣等作為活性金屬還原劑，從經(jīng)濟(jì)性、適用性方面而言，通常采用鋁作為還原劑，這也是鈦合金用中間合金生產(chǎn)最為廣泛的被稱之為“鋁熱還原法”生產(chǎn)中間合金的原因。

金屬熱還原法反應(yīng)式 ：

Me X O Y +ZMe'→XMe+Me' Z O Y +Q式中 ：Q為單位熱效應(yīng)值。金屬熱還原法生產(chǎn)中間合金控制要點(diǎn) ：

a）參與反應(yīng)的各組元配比量 ；

b）反應(yīng)前各種物料混合均勻程度 ；

c）反應(yīng)后爐渣清理、不合格反應(yīng)物的去除程度 ；

d）破碎環(huán)節(jié)粒度的控制 ；

e）人工挑料環(huán)節(jié)不合格物料的挑選 ；

f）未熔或高密度組元聚集物的去除。

表1 鈦合金常用中間合金主要性質(zhì)[5]

3.2?熔煉法

熔煉法主要用于低熔點(diǎn)合金元素添加用中間合金的生產(chǎn)，主要采用感應(yīng)熔煉或自耗熔煉。熔煉法生產(chǎn)中間合金可在真空或非真空狀態(tài)下生產(chǎn)，這主要取決于金屬是否易與氧、氮等氣體元素發(fā)生反應(yīng)的特性。非真空狀態(tài)下生產(chǎn)的中間合金典型代表有 ：Al-Sn、Al-Si ；真空狀態(tài)下生產(chǎn)的中間合金典型代表有 ：Ti-Sn、Ti-Mo [5] 。

熔煉法生產(chǎn)中間合金的控制要點(diǎn) ：

a）真空熔煉前原料的配比量，原料的混合程度和分布方式 ；

b）非真空熔煉方式生產(chǎn)時，各種物料添加次序、添加量、添加時機(jī)（熔池的溫度）、攪拌方式 ；

c）澆鑄時機(jī)的掌控 ；

d）非真空熔煉澆鑄后的冷卻方式 ；

e）車削和破碎過程的控制。

3.3?其他生產(chǎn)方法

對于某些特殊的鈦中間合金，除了采用單一的熔煉方法外，還采用兩種方法共同進(jìn)行的方式生產(chǎn)，即在金屬熱還原后，再經(jīng)過熔煉法進(jìn)行合金組元均勻化處理。

目前，大部分生產(chǎn)廠家依然采用單爐、小爐量式生產(chǎn)。但隨著技術(shù)的不斷革新，目前國內(nèi)外均出現(xiàn)了大爐量、連續(xù)式生產(chǎn)裝備及新工藝，這也是工業(yè)化、大需求發(fā)展趨勢所在。但就連續(xù)式生產(chǎn)方式而言，由于其原料并非一次混合而成，其產(chǎn)品質(zhì)量受原料的混合均勻程度、工藝穩(wěn)定程度、設(shè)備穩(wěn)定程度、合金反應(yīng)過程不可控因素等多方面影響，其質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性尚需大量驗證數(shù)據(jù)。

4、國內(nèi)外生產(chǎn)情況

4.1?國內(nèi)情況

寶鈦集團(tuán)有限公司（原寶雞有色金屬加工廠，代號902），是較早開展鈦及鈦合金科研、生產(chǎn)、裝備制造的企業(yè)，伴隨著鈦合金生產(chǎn)需求，長期開展中間合金的研究和生產(chǎn)。生產(chǎn)的中間合金，以其優(yōu)良的品質(zhì)成為鈦合金產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠的重要支柱，使得寶鈦的鈦產(chǎn)品長期以來受到國防軍工領(lǐng)域的一致認(rèn)可，并長期、批量出口波音、空客、羅羅等世界航空領(lǐng)域的大公司。另外，近些年來，隨著國內(nèi)一般工業(yè)用鈦材市場的發(fā)展，國內(nèi)也出現(xiàn)了一批從事中間合金生產(chǎn)的企業(yè)，但是，依據(jù)航空、艦船以及國防軍工體系保障要求，符合這些高端用途鈦合金用中間合金的生產(chǎn)企業(yè)卻寥寥無幾，大部分中間合金產(chǎn)品定位于一般工業(yè)市場的需求。

4.2?國外情況

在國際市場上，較早開展中合金生產(chǎn)的企業(yè)較多，目前較為認(rèn)可的企業(yè)有Reading alloys公司和GFE公司。

國內(nèi)最早使用的多元中間合金主要從這兩家公司進(jìn)口。

5、中間合金發(fā)展趨勢

早期的鈦合金用中間合金主要以兩元通用合金為主，如Al-V、Al-Sn、Ti-Sn，這些中間合金可以適用于大多數(shù)鈦合金使用。隨著鈦合金牌號的發(fā)展和質(zhì)量控制要求的提升，多元專用中間合金已成發(fā)展趨勢，如V-Al-Fe、Al-Mo-V-Fe、Al-Mo-Cr-Fe-Si 等 三元、四元、五元中間合金的出現(xiàn)，并成熟應(yīng)用。

6、中間合金質(zhì)量控制要點(diǎn)

由于鈦合金主要采用真空自耗電弧爐熔煉，其熔煉特點(diǎn)是沒有造渣過程，因此無法去除原料帶入的高密度和低密度夾雜物 ；其成型特點(diǎn)是順序凝固，因此，在熔煉過程和成型過程，沒有整爐成分均勻控制手段。綜合上述兩點(diǎn)原因，鈦合金用中間合金的質(zhì)量要求是非常高的。

6.1?化學(xué)成分

化學(xué)成分穩(wěn)定、均勻是中間合金首要前提。為滿足這一要求，注定了高質(zhì)量中間合金的坯料單重不宜過大。其次，除主元素外，其他雜質(zhì)元素也是控制的目標(biāo)，主

要包括Fe、C、O、N、Si等，F(xiàn)e、O、N是鈦合金需要嚴(yán)格控制的元素，C、Si是某些中間合金生產(chǎn)過程中有可能帶入的元素。除了上述提到的元素外，依據(jù)中間合金的工藝特點(diǎn)，還應(yīng)特別關(guān)注生產(chǎn)中間合金的原料有可能帶入的需要控制或有害的元素。

6.2?粒度（規(guī)格）

中間合金粒度要求，主要取決于該中間合金的特點(diǎn)，如Al-Mo中間合金由于其含有高熔點(diǎn)的Mo元素，其粒度應(yīng)該控制的6mm以下，這是因為按照熔煉能量計算和試驗驗證，6mm以下的金屬M(fèi)o可以在鈦合金熔煉時融化，確保無高密度夾雜。另外，粒度均勻一致，與海綿鈦粒度盡可能相近，是最佳的狀態(tài)。如果粒度過細(xì)，在自耗電極塊制備時，一方面將導(dǎo)致電極塊中的中間合金分布不均勻 ；另一方面，中間合金將從非致密的海綿鈦縫隙中漏出，導(dǎo)致合金組元配比達(dá)不到目標(biāo)值。

6.3?外觀質(zhì)量

通常情況，中間合金外觀應(yīng)無氧化色、氮化色，呈金屬本色即可。但由于生產(chǎn)方式的不同，還應(yīng)對中間合金的外觀提出特殊的要求。

對于金屬熱還原法生產(chǎn)的中間合金，應(yīng)重點(diǎn)控制產(chǎn)品外觀無疏松、孔洞、裂紋等有可能出現(xiàn)帶有冶金缺陷的產(chǎn)品。另外，還應(yīng)特別控制生產(chǎn)過程產(chǎn)生的爐渣混入。

對于熔煉法生產(chǎn)的中間合金，應(yīng)控制澆鑄產(chǎn)生的縮孔部位，不得用于生產(chǎn)中間合金。

6.4?內(nèi)在質(zhì)量

正如前述，有效防止中間合金帶入鈦合金的高密度夾雜物是非常必要的。因此，中間合金的內(nèi)在質(zhì)量重點(diǎn)是檢測高密度夾雜物。依據(jù)中間合金的特點(diǎn)，對于含有高熔點(diǎn)的中間合金應(yīng)盡可能采用100%X射線檢測，對于其他中間合金可采用抽檢的方式進(jìn)行高密度夾雜物的檢測。但由于多方面因素，國內(nèi)大部分生產(chǎn)企業(yè)，目前尚不具備100%檢測手段，因此對于內(nèi)在質(zhì)量的控制，主要依靠生產(chǎn)過程質(zhì)量控制來保證。值得關(guān)注的是，目前一些中間合金生產(chǎn)公司已引入在線X射線檢測手段，實現(xiàn)了中間合金100%高密度檢測要求。

另外，由于中間合金的破碎、車削、挑選等過程都是采用鐵質(zhì)工具進(jìn)行，為防止生產(chǎn)過程的設(shè)備磨損、異常脫落等情況的發(fā)生，造成中間合金鐵元素超標(biāo)和其他鐵類物質(zhì)帶入，還需要采用強(qiáng)磁鐵對鐵磁性物質(zhì)進(jìn)行處理。

6.5?組批

組批是中間合金有效控制批產(chǎn)品化學(xué)成分均勻性的重要手段。如前所述，為了確保化學(xué)成分均勻性，易采用小爐量、單爐式生產(chǎn)方式。此種方式的局限之處是組批時的組批單元數(shù)量過多，但其優(yōu)勢也恰恰在此，因為組成一批產(chǎn)品的每個生產(chǎn)爐次都需要化學(xué)成分的分析，可以確保組成一批的每個單元的化學(xué)成分都是合格的，并且從取樣的頻次方面也得到了有效保證。另外，可以通過控制組批爐次主元素的化學(xué)成分，更精確保證鈦合金添加元素配比的控制要求。

7、中間合金標(biāo)準(zhǔn)化工作概況

鈦合金用中間合金的標(biāo)準(zhǔn)化工作發(fā)展相對較慢，其主要原因有以下兩個方面 ：

a）早期的鈦行業(yè)總體發(fā)展過慢，未形成市場需求模式 ；

b）中間合金質(zhì)量控制技術(shù)是鈦合金生產(chǎn)企業(yè)生存關(guān)鍵，企業(yè)不愿意將此技術(shù)公開推廣。

自2006年以來，隨著世界鈦行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)鈦加工企業(yè)數(shù)量迅速增加并快速擴(kuò)張，由此推動了中間合金市場發(fā)展，并形成批量化交易模式。在此方式的需求和推動下，鈦合金用中間合金標(biāo)準(zhǔn)化工作快速展開。

由全國有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會主導(dǎo)，由寶鈦集團(tuán)有限公司、寶雞鈦業(yè)股份有限公司、寶鈦特種金屬材料有限公司負(fù)責(zé)起草了4項中間合金有色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定，對規(guī)范我國鈦合金用中間合金的發(fā)展、提升中間合金質(zhì)量、促進(jìn)市場良性競爭和有序交易發(fā)揮了積極作用。現(xiàn)行有效的中間合金標(biāo)準(zhǔn)項目見表2。擬制定的中間合金標(biāo)準(zhǔn)項目見表3。

表2    現(xiàn)行有效鈦合金用中間合金標(biāo)準(zhǔn)項目

表3     擬制定的鈦合金用中間合金標(biāo)準(zhǔn)項目

中間合金標(biāo)準(zhǔn)體系的完善尚需開展大量工作，尤其是分析方法標(biāo)準(zhǔn)更為滯后。截至目前，尚無一項中間合金化學(xué)成分分析方法標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實施。

8、展望

經(jīng)過十余年的鈦合金快速發(fā)展，除寶鈦集團(tuán)有限公司擁有獨(dú)立、自主的高品質(zhì)中間合金生產(chǎn)企業(yè)和專業(yè)化生產(chǎn)團(tuán)隊外，其他鈦合金生產(chǎn)企業(yè)尚未報道有獨(dú)立的中間合金生產(chǎn)團(tuán)隊。國內(nèi)市場現(xiàn)已形成了鈦合金用中間合金的供需商業(yè)模式，中間合金產(chǎn)業(yè)也已出現(xiàn)快速增長的形式。但下列問題在一定時期內(nèi)值得行業(yè)發(fā)展的注意 ：

a）國內(nèi)也已出現(xiàn)多家從事中間合金的生產(chǎn)企業(yè)，這些新建企業(yè)中絕大多數(shù)還是采取傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，個別企業(yè)引進(jìn)國外生產(chǎn)裝備和技術(shù)。雖然這些新建企業(yè)發(fā)展形勢良好、勢頭較強(qiáng)，但在質(zhì)量控制方面尚需積累經(jīng)驗；

b）中間合金的生產(chǎn)需要大量的人工參與，此類企業(yè)屬于勞動力密集型企業(yè)，產(chǎn)品質(zhì)量基本依靠過程控制得以保證，雖然對人員的技術(shù)要求并不是很高，但需要參與生產(chǎn)的人員要有足夠的經(jīng)驗，往往由于此類企業(yè)的煙塵、粉塵、噪音污染性較大，在一些不夠規(guī)范的生產(chǎn)企業(yè)，不能很好地提供防護(hù)措施，造成人員流動性較大，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和有效控制 ；

c）鈦合金在航空、航天、艦船等高端領(lǐng)域的應(yīng)用是鈦加工企業(yè)較為關(guān)注的重點(diǎn)，但高端領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬钠焚|(zhì)要求相當(dāng)高，因此高品質(zhì)中間合金研發(fā)是行業(yè)發(fā)展的重要方向 ；

d）鈦合金生產(chǎn)成本高，大部分企業(yè)很難承擔(dān)鋅合金的試驗成本，專業(yè)從事中間合金生產(chǎn)的企業(yè)更不可能開展此項工作，更無法主動研究新型中間合金，有礙于企業(yè)創(chuàng)新和行業(yè)發(fā)展 ；

e）鈦合金生產(chǎn)周期長，若發(fā)生因中間合金造成的質(zhì)量事故，中間合金生產(chǎn)企業(yè)無法及時獲得相關(guān)消息，并及時采取有效控制措施，若為系統(tǒng)性問題，將造成多個鈦合金生產(chǎn)企業(yè)全面受損，嚴(yán)重影響鈦行業(yè)穩(wěn)定。

針對上述問題，提出幾點(diǎn)建議 ：

a）鈦合金生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)與專業(yè)中間合金生產(chǎn)企業(yè)建立長期穩(wěn)定的供銷關(guān)系，保持高度合作方式，達(dá)到信息互通，產(chǎn)研結(jié)合的友好發(fā)展模式 ；

b）中間合金生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)注重技術(shù)工人培養(yǎng)，確保具有豐富經(jīng)驗的一線操作人員相對穩(wěn)定，從而保證質(zhì)量 ；

c）加大投入，有效提升高端領(lǐng)域中間合金的市場供給量。

d）隨著鈦行業(yè)的不斷發(fā)展，在今后一段時期內(nèi)，中間合金產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)化工作將圍繞新型鈦合金專用中間合金的需求開展研究工作，及時將產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、占有一定市場需求量和交易量的中間合金上升到標(biāo)準(zhǔn)化層面。分析方法標(biāo)準(zhǔn)化工作需要加快步伐，以實現(xiàn)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)相配套的檢驗方法一致性平臺的建立。總之，采用標(biāo)準(zhǔn)化手段，可及時固化研究成果，建立市場交易質(zhì)量一致性判定依據(jù)，將有利于規(guī)范和促進(jìn)行業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

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