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航空航天材料背后的功臣:真空感应熔炼炉

当前,世界上许多国家,特别是发达国家,为了发展空间技术、占领空间领域、加速实现国防现代化、加强国防力量,不惜斥巨资,争先恐后地竞相开发和制造先进的航空、航天、航海设备,如:宇宙飞船、国际空间站、人造卫星、核潜艇、喷气式远程轰炸机、原子能、火箭、导弹等设备。

但是,这些尖端设备对制造它的材料性能要求非常严格,对所用的钢材、合金、毛坯提出高纯度、高均匀性、耐高温、耐高压、抗冲击、抗疲劳等一系列特殊严格要求,尤其是对材料性能的稳定性、一致性和可靠性要求非常高

可是,满足这些要求,已非众所周知的普通冶炼设备所能完成的。为此,冶金工作者们,为了提高和改善宇航设备上的特殊钢和合金的质量和纯度,长期进行研究和探讨新的熔炼设备和工艺。

通过大量的系统的理论和实践研究,以及从热力学和动力学等方面研究和探讨冶金过程中的物理化学反应机理,得出的重要结论是:唯一能够满足上述要求的工艺就是在真空室内进行宇航材料的冶炼

这是因为:(1)在真空状态下,能够避免被熔炼金属及合金同非金属夹杂物产生化学反应;(2)在真空状态下,能够清除液态熔融金属中的有害的可溶解气体和污染物,以提高被熔金属的纯度。

就目前国内外工业水平来看,能够圆满完成冶炼上述材料的设备主要有以下3种,这就是:真空感应熔炼炉真空自耗电弧炉电渣重熔炉。即:欲快速发展航天航空工业,必须大力开发这3种高级冶炼设备及其新工艺。

1真空感应熔炼炉(VIM)

世界上第一台真空感应炉是于1917年在德国诞生的,用于熔炼飞机和火箭发动机的引擎。真空感应熔炼炉是真空冶金领域中应用最广的设备之一。

事实证明,宇航、导弹、火箭、原子能设备和电子工业所需要的合金和特殊钢,占有相当比例的产品是采用真空感应熔炼炉生产出来的

例如,镍基、钴基、铁基高温合金采用真空感应熔炼炉工艺熔炼时,其热加工性能和机械性能明显提高。像不锈钢、耐热钢、超高强度钢、工具钢、轴承钢,以及磁性材料、弹性合金、膨胀合金等几乎均采用真空感应熔炼炉来熔炼,以保证材料性能和质量

此外,随着二次重熔工艺的发展,真空感应熔炼炉的另一用途是为真空自耗电弧炉或电渣重熔炉提供高质量的自耗电极,以及生产母合金供精密铸造用。

众所周知,真空感应熔炼炉工艺,对金属的熔化、精炼和合金化的整个过程,均是在真空状态下进行的,因而避免了相同气相的相互作用而污染。其次,在真空条件下,碳具有很强的脱氧能力,其脱氧产物CO不断被抽至系统之外,克服了采用金属脱氧剂脱氧的污染问题

真空感应熔炼炉工艺可精确地控制合金的化学成分,对于含有和氧、氮亲和力强的活性元素Al、Ti、B、Zr等,可控制在很少的范围内对低熔点易挥发的金属杂质,如Pb、Bi、Sn、Sb等能蒸发去除,这对提高材料性能起到重要作用。强烈的感应搅拌作用,能加速其反应速度,这对于熔池温度均匀、化学成分均匀等方面很有效果。

真空感应熔炼工艺能得到迅速发展,和航空航天工业所需高温合金材料有密切关系,如宇航、导弹、火箭、原子能等设备所需的高温合金。在未采用真空熔炼方法生产的高温合金,其最高工作温度一般只有750~810℃;而采用真空熔炼方法生产的高温合金,其最高工作温度可达到980~1090℃的水平。这主要是由于采用真空感应熔炼炉熔炼的镍基、铁基、钴基高温合金时,降低了间隙元素O2、N2、H2,能彻底清除非金属夹杂物,以及去除低熔点有害金属杂质,如Pb、Bi、Sb、Cu、Sn、Te等。

真空感应熔炼炉的设备主要由炉壳、感应器、坩埚、倾炉机构、锭模机构、供电装置,以及水冷系统等组成。炉壳上附设有观察、测温、加料、取样、捣料等装置。炉体外配备有真空系统、供电系统和控制系统等。真空感应熔炼炉有间歇式半连续式两种,可做成立式卧式

真空感应熔炼炉在结构设计上需考虑的重要问题是避免真空放电,为此,对于炉壳内的所有带电体都需要经过绝缘处理,并且感应器在结构上应没有尖角、毛刺和锐棱。

综上所述,真空感应熔炼炉具有以下特点:(1)在真空状态下,能够熔炼一些贵重的活泼金属,如钛合金等;(2)在真空状态下,能够杜绝被熔炼金属和合金,同非金属夹杂物产生化学反应。(3)在真空状态下,能够清除液态熔融金属中的有害可溶解气体和污染物。

产品应用上看,主要用于生产宇航、导弹、火箭、原子能和电子工业所需的高温合金、超高强度钢、不锈钢,以及其他特殊用途的合金。

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