真空电弧再熔炼
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的金属锭的制程。[1] 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。
总览与评价
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[2]、特用钢材才会常常用这种制程精炼。通常生产钛合金需要一至三次的真空电弧再熔炼。[3] 采用这种制程精炼金属会有下列好处：
- 熔融材料的凝固速率可以被严格控管，这意味着材料凝固后的显微组织也能连带被高度控管，将金属偏析最小化的能力也能大幅提升。
- 在真空状态下，气体杂质如氮、氧、氢等会从材料逸散至真空中。
- 材料中碳、硫、镁等具有高蒸气压的杂质浓度会降低。
- 有效消除中线附近气孔及偏析等情况
- 一些不能在大气环境中冶炼的金属，如钛，可以用这种方法处理。
制程
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。[4][5]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。
材料与应用
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。
参考文献
- ^ "Modeling for Casting & Solidification Processing", by Kuang-Oscar Yu,CRC; 1st edition (October 15, 2001), ISBN 0-8247-8881-8
- ^ D.Zagrebelnyy, Modeling macrosegregation during vacuum arc remelting of Ti-10V-2Fe-3Al alloy ISBN 978-3-8364-5948-8
- ^ Titanium: Past, Present, and Future (1983) [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆） ISBN 0-309-07765-6
- ^ Pool Vacuum - Pool Cleaner Reviews 2016. Rexgarden.com. 23 June 2016 [26 August 2016]. （原始内容存档于2021-01-17）.
- ^ DA Melgaard, RG Erdmann, JJ Beaman, RL Williamson - 2007
