真空自耗電弧熔煉過(guò)程的實(shí)質(zhì)是借助直流電弧的熱能把已知化學(xué)成分的金屬自耗電極在低壓或在惰性氣氛中進(jìn)行重新熔煉。
熔煉本身是一個(gè)定向連續(xù)過(guò)程。在高溫加熱形成的熔池區(qū)內(nèi)，液態(tài)鈦合金成分和雜質(zhì)不斷地?cái)U(kuò)散有助于均勻化，隨后凝固成錠。
在鈦的真空自耗電極熔煉中，發(fā)生了熔化和凝固兩個(gè)可逆的相變過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程都屬于固液相多相反應(yīng)，并伴隨發(fā)生了一些物理化學(xué)變化，如圖1-14所示。熔煉過(guò)程有以下幾步。

1 熔化
熔化鈦從海綿體變?yōu)橐后w，是發(fā)生體積變小和比表面積縮小的過(guò)程，因此，也是比表面能降低的過(guò)程。在相變過(guò)程中，自由能的變化ΔG包括體積自由能變化ΔG和表面積自由能變化ΔG、兩項(xiàng)。此時(shí)，AGy <0,ΔGs <0,所以有：ΔG=ΔGv+ΔGs <0.
只要達(dá)到熔化溫度，此過(guò)程便能自發(fā)進(jìn)行。因?yàn)榇藭r(shí)不存在克服表面能壘的問題，所以熔化時(shí)不需要過(guò)熱度。在熔煉純鈦時(shí)，只要達(dá)到鈦的熔點(diǎn)（1668℃)即可。在熔煉鈦合金時(shí)，熔化過(guò)程在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，比純鈦的熔化要復(fù)雜得多。鈦合金的熔點(diǎn)與其成分有關(guān)，必須高于液相線溫度才能開始熔化。

2 液態(tài)金屬的擴(kuò)散
熔池里的液態(tài)金屬在磁場(chǎng)的攪拌作用下，大大增加了熔池內(nèi)合金組元和雜質(zhì)的擴(kuò)散作用，有利于成分的均勻化。
3 凝固和結(jié)晶
從液態(tài)鈦或鈦合金中凝固結(jié)晶出新的晶粒時(shí)，有新相生成，此時(shí)液固相反應(yīng)的自由能變化ΔG為：
ΔG=ΔG3+ΔGy=4/3m3AG2+4mro

式中 r-晶粒半徑，
ΔGb－單位鈦或鈦合金體積的自由能變化；
σ-單位鈦或鈦合金表面積的自由能。
計(jì)算表明，晶粒半徑只有超過(guò)臨界半徑時(shí)，晶粒方能長(zhǎng)大。此時(shí)的粒子半徑稱為臨界半徑r.的計(jì)算式為：rc=-2σ/ΔGb
凝固過(guò)程有新相生成，屬非均相成核過(guò)程，需要克服成核時(shí)的表面能壘的影響。開始結(jié)晶的核心是在冷銅坩堝壁處的粗糙表面上。結(jié)晶的一般過(guò)程是由生核和長(zhǎng)大兩過(guò)程交錯(cuò)重疊組合而成的。對(duì)于單個(gè)晶粒而言，存在明顯的形核和長(zhǎng)大階段。但從液態(tài)金屬整體凝固過(guò)程而言，兩者是交織在一起的。

形核的數(shù)目與鈦液結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度大小有關(guān)。過(guò)冷度越大，形核幾率越大，形核數(shù)目也越多。此時(shí)，可以生成晶粒細(xì)小的鈦錠。
由于晶體成長(zhǎng)時(shí)內(nèi)外條件的差異性，晶體的外形是多種多樣的。決定因素一方面是結(jié)晶物質(zhì)固有的特性，另一方面是結(jié)晶過(guò)程中固液界面上溫度分布狀況。晶體的形狀呈樹枝狀，長(zhǎng)大的方向與散熱的最快方向相反。由于結(jié)晶成核屬非均相成核，成核中心即為活化中心。最初的活化中心為熔池內(nèi)結(jié)晶器壁某些凸出部位。一旦條件允許，初次成核后的晶體便迅速向熔池縱深生長(zhǎng)，而形成枝晶的主干，也稱一次枝晶。隨著一次枝晶的生長(zhǎng)而不斷出現(xiàn)新枝芽，新枝芽發(fā)展為新枝晶稱為二次枝晶，它的空間位置與一次枝晶互相垂直。接著又出現(xiàn)三次枝晶、四次枝晶·.最終的結(jié)晶物為樹枝狀結(jié)構(gòu)。
鈦的真空自耗電弧熔煉是一個(gè)快速并產(chǎn)生大批結(jié)晶體的過(guò)程，不同條件下形成的微觀結(jié)構(gòu)是不一樣的。圖1-15所示為典型液態(tài)金屬凝固組織示意圖。由于鈦鑄錠均在坩堝內(nèi)冷凝而成，不電相其外形即為坩堝的形狀，鈦錠實(shí)際結(jié)構(gòu)相類似。
鈦錠結(jié)構(gòu)一般有三層凝固區(qū)。錠表層由一層極細(xì)的排列不規(guī)則的等軸晶粒組成，為急冷區(qū)，是凝固早期高速成核所致。臨近的第二區(qū)晶粒細(xì)長(zhǎng)而方向垂直于坩堝壁，稱為柱狀晶區(qū)。它是散熱速度較穩(wěn)定，導(dǎo)致定向凝固，并使晶粒長(zhǎng)大所致。最內(nèi)區(qū)為排列不規(guī)則但遠(yuǎn)比急冷區(qū)大的等軸晶粒。晶粒的增大是由于凝固后期散熱速度較低所致。
結(jié)晶過(guò)程有兩大特點(diǎn)，一是冷卻速度快；二是結(jié)晶過(guò)程即為鈦錠逐漸凝固過(guò)程，錠子上部存在著一個(gè)高溫金屬熔池。由于熔煉的過(guò)熱度大，金屬熔池保持較大的軸向溫度梯度和徑向溫度梯度而形成較深的熔池。

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