电弧功率协同调控氢等离子体电离-温度实现钛合金高效脱氧回收

为应对钛合金回收中高能耗与碳足迹问题，研究人员通过氢等离子体熔炼技术（HPS），系统探究电弧功率对脱氧效率及力学性能的影响。研究发现，提升电弧功率可同步优化熔池温度与活性氢物种（H+/H2+）浓度，8分钟内使氧含量降至1000 ppm以下，再生TC4合金抗拉强度达882 MPa。该研究为高性能钛回收提供了绿色新策略。

　　

在全球绿色制造与低碳经济转型的背景下，金属冶炼过程的碳减排成为可持续发展的重要挑战。钛合金因其优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性，被广泛应用于航空航天、生物医学等领域，但传统回收方法面临高能耗、高碳排放及氧化物去除困难等问题。现有技术如熔盐电解虽能降低温度，却可能引入杂质；而机械再加工或化学处理则存在污染风险。氢等离子体熔炼（Hydrogen Plasma Smelting, HPS）因其高效还原能力和低碳特性成为新兴解决方案，但其核心机制——等离子体特性（如H⁺、H₂⁺等活性物种浓度）与脱氧效率的关系尚不明确。

为解决这一问题，中国国家自然科学基金等项目支持的研究团队以Ti-6Al-4V机加工废料为原料，通过氢等离子体电弧熔炼实验（300 A/400 A电流，10% H₂-90% Ar混合气氛），结合数值模拟，系统分析了电弧功率对熔池温度、氢物种分布及脱氧动力学的影响。研究发现，提高电弧功率可协同提升熔池温度（促进热力学驱动力）与活性氢浓度（增强化学还原能力），动态调控脱氧过程。实验表明，8分钟内氧含量可降至1000 ppm以下，且400 A处理的再生TC4合金展现出882 MPa抗拉强度和10.7%延伸率，优于传统铸态钛合金。

材料与方法
研究采用航空航天部件加工产生的Ti-6Al-4V废料，经酸洗预处理后，在5000 Pa的H₂-Ar气氛中通过电弧熔炼（300 A/400 A）实现脱氧。结合光谱诊断与数值模拟，量化了等离子体中H⁺/H₂⁺浓度变化，并通过XRD、力学测试表征材料性能。

结果与讨论
XRD显示，300 A下1分钟即可完全去除表面氧化物，延长处理时间未引入新相。氧含量分析表明，高功率（400 A）通过提升熔池温度（加速扩散）与H₃⁺浓度（增强还原活性），显著缩短脱氧时间。力学性能测试证实，高功率处理的再生合金性能优于工业标准，归因于晶粒细化与杂质控制。

结论与意义
该研究揭示了氢等离子体中电弧功率通过“热-化学协同效应”调控脱氧效率的机制，为高性能钛回收提供了新范式。其成果不仅可降低钛工业的碳足迹，还为其他易氧化金属（如锆、钽）的绿色回收提供了理论依据。论文发表于《Journal of Cleaner Production》，对推动低碳冶金技术发展具有重要实践价值。