鈦合金因具有高比強(qiáng)度，良好的耐熱性、低溫韌性、低溫超導(dǎo)性以及耐腐蝕等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船制造、石油化工、醫(yī)療、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。電子束冷床熔煉爐（Electron Beam Cold Hearth Melting，EBCHM）是目前熔鑄鈦及鈦合金的主要裝備之一，是將電子束和工業(yè)冷床結(jié)合，在高真空、高溫下進(jìn)行熔煉的冶金技術(shù)。電子束熔煉是指在高真空下，將高速電子束流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能作為熱源來進(jìn)行材料熔煉的一種真空熔煉技術(shù)。電子束熔煉技術(shù)具有熔煉溫度和速度可控，原料質(zhì)量和外形受限少，生成的產(chǎn)品質(zhì)量高、規(guī)格多樣，能量利用率高，無環(huán)境污染等特點(diǎn)。EBCHM技術(shù)最早是用于消除鈦材中高、低密度夾雜等嚴(yán)重的冶金缺陷，提高航空航天用鈦及鈦合金的質(zhì)量的。美國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn)已將冷床爐熔煉納入航空旋轉(zhuǎn)件、結(jié)構(gòu)件用鈦合金材料必須采用的熔煉技術(shù)。EBCHM與其他熔煉方法最大的區(qū)別就是用冷床將熔化、精煉和結(jié)晶3個(gè)過程分開，結(jié)晶器區(qū)域掃描功率及圖形對(duì)結(jié)晶器內(nèi)金屬液的流動(dòng)性及后續(xù)凝固影響大。

　　目前，研究者通過3 200 kW電子束冷床爐4號(hào)槍功率及圖形能量分布研究，制備出宏觀無缺陷，內(nèi)部組織緊密，成分無偏析、夾雜、氣孔等缺陷的鑄錠。通過3 200 kW電子束冷床爐研究不同電子槍功率、掃描頻率對(duì)扁錠表面拉裂的影響及不同拉錠速度對(duì)氣孔的影響機(jī)理。EB熔鑄鈦錠主要缺陷有表面拉裂、內(nèi)裂紋、皮下氣孔、冷隔、折層、夾渣、氧化及元素偏析等。折層主要出現(xiàn)在毛坯的非溢流側(cè)，EB毛坯銑面、修磨無法完全清除折層的影響，軋制后在鈦卷板表面出現(xiàn)起皮，嚴(yán)重影響鈦卷板質(zhì)量。本研究針對(duì)4槍EB爐不同結(jié)晶器寬幅、不同結(jié)晶器內(nèi)分配的電子槍功率及結(jié)晶器液位進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得結(jié)晶器寬幅、結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率、結(jié)晶器液位對(duì)毛坯非溢流側(cè)折層的影響規(guī)律，以提高EB爐熔鑄毛坯質(zhì)量。

　　圖文內(nèi)容

　　使用美國(guó)4槍3 200 kW電子束冷床熔煉爐熔煉，其主要特點(diǎn)為熔煉冷床、精煉冷床及結(jié)晶器組成“C”形熔鑄區(qū)域，見圖1。由4把電子槍在熔鑄區(qū)域進(jìn)行熔化精煉，熔煉原理示意圖見圖2。原料采用同一廠家、雜質(zhì)元素相近的0級(jí)海綿鈦，成分見表1，硬度（HBW）為95~97。分別用1號(hào)結(jié)晶器（厚240 mm、寬1 080 mm）、2號(hào)結(jié)晶器（厚240 mm、寬1 280 mm）熔鑄，結(jié)晶器掃描的電子槍功率設(shè)置見表2。分別熔鑄9塊TA1毛坯，熔鑄時(shí)前1~3塊采用低液位（溢流口下-20 mm）熔鑄，4~6塊采用中液位（溢流口下-10 mm）熔鑄，7~9塊采用高液位；4槍EB爐4號(hào)槍與結(jié)晶器示意圖見圖3，在其他工藝、操作（如其余電子槍功率及圖形大小、結(jié)晶器回水流量、拉錠速度等）相同的條件下，分析毛坯非溢流側(cè)折層數(shù)量及形成原因。

圖1 4槍EB爐“C”型結(jié)構(gòu)

1.精煉冷床2.熔煉冷床3.結(jié)晶器4.非溢流側(cè)

圖2熔煉原理示意圖

1.進(jìn)料口2.1號(hào)電子槍3.2號(hào)電子槍4.3號(hào)電子槍

5.4號(hào)電子槍6.鑄坯7.結(jié)晶器8.精煉冷床9.粗煉冷床

表1 0級(jí)海綿鈦化學(xué)成分(%)

表2結(jié)晶器內(nèi)掃描的電子槍功率

圖3 4槍EB爐4號(hào)槍與結(jié)晶器示意圖

1.結(jié)晶器2.溢流器3.電子槍4.非溢流側(cè)5.鈦液

　　1號(hào)結(jié)晶器熔鑄毛坯折層數(shù)量及變化趨勢(shì)分別見圖4。可以看出，隨結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率增加折層數(shù)量逐漸降低，功率為（350±10）kW、（380±10）kW時(shí)無明顯減少；相同功率時(shí)，液位與溢流口持平時(shí)折層最少。2號(hào)結(jié)晶器熔鑄毛坯折層數(shù)量及變化趨勢(shì)見圖5。可以看出，隨結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率增加折層數(shù)量逐漸降低，功率到（380±10）kW、（410±10）kW后無明顯減少；相同功率時(shí)，液位與溢流口持平時(shí)折層最少。

圖4 1號(hào)結(jié)晶器不同功率、液位下毛坯折層

數(shù)量變化趨勢(shì)

圖5 2號(hào)結(jié)晶器不同功率、液位下毛坯折層

數(shù)量變化趨勢(shì)

圖6 1號(hào)、2號(hào)結(jié)晶器不同功率及液位毛坯折層

數(shù)量變化趨勢(shì)

　　因4槍EB爐4號(hào)槍與結(jié)晶器非溢流側(cè)存在夾角θ（見圖3），使得電子束不能直射到靠近非溢流側(cè)的鈦液，不能及時(shí)熔化坯殼和補(bǔ)充新鈦液能量；加上邊部冷卻強(qiáng)度高，溫降快，使得靠非溢流側(cè)鈦液黏度、表面張力增加。經(jīng)測(cè)試1號(hào)結(jié)晶器θ為24°、2號(hào)結(jié)晶器θ為21°。當(dāng)新鈦液溫度較低時(shí)，流動(dòng)性差及電子束長(zhǎng)時(shí)間未掃描到坯殼，就出現(xiàn)連續(xù)性折層，且折層嚴(yán)重的會(huì)往里延伸，要增加銑面量清除折層，不然導(dǎo)致熱軋時(shí)產(chǎn)生邊部重皮，嚴(yán)重降低板卷質(zhì)量。

　　結(jié)晶器邊緣處鈦液流動(dòng)與折層形成過程見圖7。由于結(jié)晶器內(nèi)壁不光滑，鈦液與結(jié)晶器內(nèi)壁形成浸潤(rùn)接觸，形成“U”形液面，見圖7a，內(nèi)壁上附著的鈦液凝固后形成很薄的“坯殼”；往下拉錠時(shí)，由于鈦液填充不及時(shí)和表面張力影響，坯殼會(huì)不連續(xù)的與結(jié)晶器內(nèi)壁脫落，形成彎月面，見圖7b；當(dāng)新的鈦液補(bǔ)充到結(jié)晶器邊緣后，新鈦液與結(jié)晶器內(nèi)壁重新形成“U”形液面，周而復(fù)始形成毛坯表面“魚鱗紋”。折層形成與鈦液黏度、表面張力等有關(guān)。液態(tài)金屬黏度、表面張力影響熔體在鑄型中流動(dòng)性、鑄型填充、凝固和成形過程，而黏度、表面張力等跟鈦液溫度有關(guān)，液態(tài)金屬黏度、表面張力隨溫度升高而下降。熔鑄時(shí)，邊緣的鈦液溫度低，造成黏度較高、流動(dòng)性降低及表面張力增加。當(dāng)電子束未能熔化邊緣的坯殼時(shí)，新鈦液與坯殼極易形成明顯的界面，保留在鑄坯表面形成折層，見圖7c和圖7d。

圖7毛坯折層形成過程示意圖

表3不同液位結(jié)晶器內(nèi)功率密度

(a)1號(hào)結(jié)晶器,

1.37 W/mm2

(b)2號(hào)結(jié)晶器,

1.21 W/mm2

圖8高液位毛坯非溢流側(cè)折層情況

　　研究結(jié)論

　　（1）結(jié)晶器液位越低，非溢流側(cè)折層越多，液位與溢流口平齊時(shí)非溢流側(cè)折層最少；相同液位時(shí)，隨結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率增加折層減少，最后趨于穩(wěn)定。

　　（2）非溢流側(cè)折層是因結(jié)晶器水平截面法線與電子槍的夾角θ較大，低液位時(shí)電子束掃描盲區(qū)增加，鈦液冷卻速度快，邊緣流動(dòng)性差導(dǎo)致的。

　　（3）結(jié)晶器寬度為1 080 mm，液位與溢流口平齊且液面功率密度為1.37 W/mm2時(shí)，毛坯折層少，相對(duì)熔鑄耗能最低；結(jié)晶器寬度為1 280 mm，液位與溢流口平齊且液面功率密度為1.21 W/mm2時(shí)，毛坯折層少，相對(duì)熔鑄耗能最低。