真空电弧再熔炼

✍ dations ◷ 2025-06-08 13:18:24 #冶金

真空电弧再熔炼 (Vacuum arc remelting,常缩写为VAR)是一种生产无论在机械性质或在化学性质都具有高度同质性(英语:Homogeneity (physics))的金属锭(英语:ingot)的制程。 真空电弧再熔炼制程可用于炼制特用钢材,或用于炼制生医、航太等严苛应用环境所需的材料。

用真空电弧再熔炼制程生产的材料通常必须用于高价值的应用,因为这项制程昂贵且旷日费时。一般的商用金属或合金根本不需要这项一炼再炼的制程处理。镍、钛、特用钢材才会常常用这种制程精炼。通常生产钛合金(英语:titanium alloy)需要一至三次的真空电弧再熔炼。采用这种制程精炼金属会有下列好处:

要真空电弧再熔炼的材料通常会先经过真空感应熔炼(VIM)或者盛钢桶精炼作前处理,先将这些材料制成圆柱状。接着将这些圆柱状材料置入内部为冶金级真空(0.001~0.1 mmHg或0.1~13.3 Pa)的封闭大圆柱体坩埚当作上电极(固相,通常是阳极)。坩埚一般由铜制造,且外部以水包覆(水冷铜模的概念)以利控制冷却时凝固的速率。同坩埚亦兼做下电极(通常是阴极),接着将上电极向下移动靠近下电极,数千安培的直流电此时被通入上下两电极之间,产生一连续之熔体。为了防止上电极与坩埚壁间产生电弧,坩埚半径会比上电极半径大。如此,上电极必须不断往下移动才能确保整个过程持续进行,不然上电极底部会熔化成液相一直往下滴,而拉开两电极间距。由此可见,整个制程主要控制的参数有电流大小、冷却水、上下两电极间距三样。依前述之理,重复该制程多次精炼时,上次炼完之锭,为下次精炼之电极。

理想上,整个制程中的熔融速率应该要维持一致,但实际上很难控制。这是因为复杂的热传导、热对流(主要在液相)、热辐射以及劳伦兹力产生的平流(英语:advection)干扰所致。 确保熔池几何、熔化速率维持一致对熔炼后的金属性质极为关键。

真空电弧再熔炼制程可以对多种材料运用,然而有些材料一定要以此制程处理才能生产或才能用。以下列举可用真空电弧再熔炼处理的材料:

值得注意的是,纯钛及绝大部分的钛合金都需要真空电弧再熔炼两、三次才能生产。镍基超合金若要用于航太用途通常也需经此制程生产。用于核能应用的锆与铌合金也要通过真空电弧再熔炼。精炼纯铂、纯钽、纯铑可用真空电弧再熔炼处理。

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