本质上，真空熔炼、铸造和重熔设备的目的是生产极其纯净、高性能的金属和高温合金。通过在真空中熔炼材料，此过程可以防止空气污染，并主动去除溶解的杂质，主要是氧气和氮气等反应性气体，这些杂质会降低最终材料的性能。
真空处理的根本优势在于控制。通过去除大气，您消除了一个不受控制的变量，防止了缺陷的形成，并能够生产出在传统空气熔炼技术中无法实现的具有卓越强度、洁净度和可靠性的合金。
根本问题：大气污染
在传统冶金中，金属在开放空气中或简单保护渣下熔炼。虽然这对于许多应用是有效的，但这会使熔融金属暴露于大气中，大气中大约78%是氮气，21%是氧气。
空气如何降解熔融金属
熔融金属具有高反应性。在高温下，它们很容易与空气中存在的气体反应，在凝固时将杂质直接引入材料的微观结构中。
氧气的作用：产生氧化物
氧气是金属洁净度的主要敌人。它与熔融金属及其合金元素反应，形成非金属夹杂物（氧化物）。这些微观陶瓷颗粒充当应力集中器，成为裂纹的萌生点，并显著降低材料的疲劳寿命和延展性。
氮气和氢气的作用：脆化
氮气和氢气可以溶解到熔融金属中。当金属冷却并凝固时，这些气体的溶解度降低，导致它们被困在金属结构中。这可能导致孔隙率和内部缺陷，引起脆化并降低材料的整体韧性。
真空处理如何提供解决方案
真空熔炼技术通过从等式中去除空气，直接解决了大气污染问题。该过程通常分两个主要阶段进行：初次熔炼，然后进行二次重熔以进一步精炼。
阶段1：真空感应熔炼 (VIM)
原始材料的初始炉料在位于真空密封腔内的感应炉中熔炼。真空防止氧化发生，并且当金属变成液体时，低压环境有助于将溶解的气体（如氢气和氮气）从熔体中抽离。这被称为脱气。
阶段2：真空电弧重熔 (VAR)
对于要求最高的应用，VIM产生的铸锭会经历二次精炼过程。在VAR中，VIM铸锭用作一个大的自耗电极。在水冷铜坩埚内的真空环境下，此电极与底板之间会产生强大的电弧。金属逐滴熔化，定向和渐进地凝固，将剩余的杂质推到顶部，从而形成一个异常洁净和均匀的最终铸锭。
化学精炼原理
除了去除气体，真空环境还可以通过蒸发具有高蒸气压的其他不需要的元素来精炼金属。这使得能够精确控制合金的最终化学成分。
了解权衡
虽然真空熔炼生产出优质材料，但它并非普遍解决方案。决定使用它涉及重要的技术和经济考量。
成本显著增加
真空炉和相关的高真空泵送系统建造、运行和维护都非常复杂且昂贵。这使得真空熔炼合金的成本远高于空气熔炼的同类产品。
生产速度较慢
实现和维持高真空是一个耗时的过程。真空熔炼和重熔的周期时间比传统工艺长得多，限制了生产吞吐量。
挥发性合金元素的损失
与去除杂质相同的高真空、高温环境也可能蒸发掉具有高蒸气压的理想合金元素（例如，锰、铬）。这需要仔细的工艺控制和合金设计来管理。
何时指定真空熔炼合金
选择是否使用真空熔炼材料完全取决于您的应用的性能要求和预算。
- 如果您的主要关注点是关键任务性能和安全性： 为喷气发动机涡轮盘、航空航天结构部件、医疗植入物或发电涡轮等应用指定真空熔炼合金，因为在这些应用中，材料失效是不可接受的。
- 如果您的主要关注点是一般工业用途： 对于结构钢、汽车车身或消费品等应用，传统的空气熔炼金属能以更低的成本提供必要的性能。
- 如果您的主要关注点是在成本与增强性能之间取得平衡： 考虑指定单一工艺真空处理（仅VIM）或其他精炼工艺，这些工艺在不产生VIM/VAR双重工艺全部成本的情况下，提供了比空气熔炼更高一级的性能。
最终，了解真空处理的作用使您能够选择合适的材料，并对其成本和性能能力有明确的理由。
总结表：
| 工艺阶段 | 主要功能 | 优点 |
|---|---|---|
| 真空感应熔炼 (VIM) | 在真空下进行初次熔炼 | 去除气体，防止氧化，杂质脱气 |
| 真空电弧重熔 (VAR) | 在真空下进行二次精炼 | 提高纯度，定向凝固，结构均匀 |
| 整体目的 | 生产高纯度金属 | 为关键应用提供卓越的强度、洁净度和可靠性 |
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