自1791年钛元素被发现到1910年第一次制得金属钛，再到1950年钛金属大规模工业化生产应用，经历了长达150多年的历史[1]。因钛具有比强度高、耐腐蚀性强、高低温性能优异等优点，被广泛应用于航空、航天、化工、舰船、兵器、能源、建筑、体育、生物医学及现代生活中，有“第三金属”和“未来金属”之美称。
目前国内外广泛工业应用的钛及钛合金熔炼方法有真空自耗电弧熔炼和冷床熔炼法，其中真空自耗电弧熔炼(VAR)技术是我国生产钛及钛合金的最主要的方法。国内钛工业经过多年的积累，在真空自耗电弧熔炼的理论基础、装备设施、产品种类和质量控制等方面提高显著。氧作为间隙杂质元素之一，属α相稳定元素，在钛原子的间隙位置，形成间隙固溶体，使钛的晶格发生畸变，阻碍位错运动，使钛的滑移系数减少，从而有效提高钛及钛合金的室温抗拉强度，降低塑性[2-3]。钛及钛合金在真空自耗电弧熔炼过程中，设备无法达到绝对的真空状态和零漏率，环境中的氧会进入钛熔液，造成氧含量稍微增加[4]，因此对氧含量有严格上限要求的钛及钛合金铸锭，所用原料中的氧要严格控制上限并低于产品要求值。
近年来，随着人们对钛合金添加氧元素的研究不断深入，发现适量氧含量能提高某些钛合金的综合性能，Geng等[5]对Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)合金中添加氧进行研究，发现拉伸测试中的伸长率出现反常现象，其抗拉强度随O含量的增加而提高，其伸长率先降低后增加。这可能是由于氧能抑制原子位错、无热ω相和变形诱发的ω相的形成，抑制钛合金中的马氏体相变[6-9]，随着O浓度的增加，抑制马氏体转变的能力也在增加[10-11]，并且O能降低马氏体转变的Ms点，与固溶强化相结合，提高钛合金的超弹性和形状记忆效应[12-14]。因此，氧在钛合金中的作用越来越受到人们的重视，为了实现其优异的综合性能，需要添加适量的氧元素，这就要求真空自耗熔炼铸锭的氧含量精准控制在产品要求范围且均匀性好。
1. VAR熔炼过程中的脱氧现象
在生产实践中，我们使用不同厂家的海绵钛熔炼钛及钛合金铸锭，氧均有不同程度的脱除现象。该批铸锭采用满足GB/T2524要求的2级及以上海绵钛，按照不同的配料目标值，用二氧化钛粉末作为氧元素的添加剂，经称重、混匀后压制电极块，在等离子焊箱内焊接成自耗电极，自耗电极在10 tP型双工位真空自耗电弧炉中通过两次熔炼，其中成品熔炼时一次锭调头熔炼二次，出炉冷却后进行扒皮检验，在距离铸锭头、底端面200～300 mm范围内外圆面上车削块样（3 mm×3 mm×(7～20) mm），参照标准GB/T4698.7，采用LECO力可氧氮氢分析仪（ONH836型，精度0.001%）检测铸锭中氧含量。铸锭取样位置示意图见图1。
铸锭头部氧含量检测结果见图2所示，铸锭头部氧含量基本正常，检测结果在配料值的−0.01%～0.015%范围波动，符合钛及钛合金真空自耗熔炼过程氧元素的控制范围和检测偏差。不同厂家海绵钛、不同目标氧配料值经两次熔炼成品铸锭底部氧含量的检测结果见图3~图8。图中可以看出，铸锭底部氧含量检测结果差异性较大，有明显降低的趋势，存在真空自耗熔炼过程中脱除的迹象。
