鈦合金因具有高比強度，良好的耐熱性、低溫韌性、低溫超導性以及耐腐蝕等特點而被廣泛應用于航空航天[1]、艦船制造[2]、石油化工[3]、醫療[4]、交通運輸[5]等領域。電子束冷床熔煉爐（ElectronBeamColdHearthMelting，EBCHM）是目前熔鑄鈦及鈦合金的主要裝備之一，是將電子束和工業冷床結合，在高真空、高溫下進行熔煉的冶金技術。電子束熔煉是指在高真空下，將高速電子束流的動能轉換為熱能作為熱源來進行材料熔煉的一種真空熔煉技術[6]。電子束熔煉技術具有熔煉溫度和速度可控，原料質量和外形受限少，生成的產品質量高、規格多樣，能量利用率高，無環境污染等特點[7]。EBCHM技術最早是用于消除鈦材中高、低密度夾雜等嚴重的冶金缺陷，提高航空航天用鈦及鈦合金的質量的[8]。美國航空標準已將冷床爐熔煉納入航空旋轉件、結構件用鈦合金材料必須采用的熔煉技術[9]。EBCHM與其他熔煉方法最大的區別就是用冷床將熔化、精煉和結晶3個過程分開[10]，結晶器區域掃描功率及圖形對結晶器內金屬液的流動性及后續凝固影響大。

目前，關宏濤[12]通過3200kW電子束冷床爐4號槍功率及圖形能量分布研究，制備出宏觀無缺陷，內部組織緊密，成分無偏析、夾雜、氣孔等缺陷的鑄錠。劉路[13]通過3200kW電子束冷床爐研究不同電子槍功率、掃描頻率對扁錠表面拉裂的影響及不同拉錠速度對氣孔的影響機理。EB熔鑄鈦錠主要缺陷有表面拉裂、內裂紋、皮下氣孔、冷隔、折層、夾渣、氧化及元素偏析等。折層主要出現在毛坯的非溢流側，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起皮，嚴重影響鈦卷板質量。本研究針對4槍EB爐不同結晶器寬幅、不同結晶器內分配的電子槍功率及結晶器液位進行試驗，以期獲得結晶器寬幅、結晶器內電子槍功率、結晶器液位對毛坯非溢流側折層的影響規律，以提高EB爐熔鑄毛坯質量。

1、試驗材料及方案

使用美國4槍3200kW電子束冷床熔煉爐熔煉，其主要特點為熔煉冷床、精煉冷床及結晶器組成“C”形熔鑄區域[11]，見圖1。由4把電子槍在熔鑄區域進行熔化精煉，熔煉原理示意圖見圖2。原料采用同一廠家、雜質元素相近的0級海綿鈦，成分見表1，硬度（HBW）為95~97。分別用1號結晶器（厚240mm、寬1080mm）、2號結晶器（厚240mm、寬1280mm）熔鑄，結晶器掃描的電子槍功率設置見表2。分別熔鑄9塊TA1毛坯，熔鑄時前1~3塊采用低液位（溢流口下?20mm）熔鑄，4~6塊采用中液位（溢流口下?10mm）熔鑄，7~9塊采用高液位；4槍EB爐4號槍與結晶器示意圖見圖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，分析毛坯非溢流側折層數量及形成原因。

2、試驗結果與分析

2.1　結晶器折層情況

1號結晶器熔鑄毛坯折層數量及變化趨勢分別見圖4。可以看出，隨結晶器內電子槍功率增加折層數量逐漸降低，功率為（350±10）kW、（380±10）kW時無明顯減少；相同功率時，液位與溢流口持平時折層最少。

2號結晶器熔鑄毛坯折層數量及變化趨勢見圖5。

可以看出，隨結晶器內電子槍功率增加折層數量逐漸降低，功率到（380±10）kW、（410±10）kW后無明顯減少；相同功率時，液位與溢流口持平時折層最少。

兩種結晶器不同液位、功率下的變化見圖6。可以看出，1號、2號結晶器熔鑄毛坯折層，在相同結晶器內電子槍功率下液位為?20mm（低液位）時折層最多，液位0mm（高液位）時折層最少。相同液位時，隨結晶器內電子槍功率增加，折層減少，1號結晶器在結晶器內電子槍功率為大于（350±10）kW后，熔鑄毛坯折層無明顯減少。2號結晶器在結晶器內電子槍功率為大于（380±10）kW后，熔鑄毛坯折層無明顯減少。相同功率、液位下，2號結晶器熔鑄毛坯出現折層數量總體少于1號結晶器熔鑄毛坯的。

因4槍EB爐4號槍與結晶器非溢流側存在夾角θ（見圖3），使得電子束不能直射到靠近非溢流側的鈦液，不能及時熔化坯殼和補充新鈦液能量；加上邊部冷卻強度高，溫降快，使得靠非溢流側鈦液黏度、表面張力增加。經測試1號結晶器θ為24°、2號結晶器θ為21°。當新鈦液溫度較低時，流動性差及電子束長時間未掃描到坯殼，就出現連續性折層，且折層嚴重的會往里延伸，要增加銑面量清除折層，不然導致熱軋時產生邊部重皮，嚴重降低板卷質量。

2.2　折層形成機理分析

結晶器邊緣處鈦液流動與折層形成過程見圖7。

由于結晶器內壁不光滑，鈦液與結晶器內壁形成浸潤接觸，形成“U”形液面，見圖7a，內壁上附著的鈦液凝固后形成很薄的“坯殼”；往下拉錠時，由于鈦液填充不及時和表面張力影響，坯殼會不連續的與結晶器內壁脫落，形成彎月面，見圖7b；當新的鈦液補充到結晶器邊緣后，新鈦液與結晶器內壁重新形成“U”形液面，周而復始形成毛坯表面“魚鱗紋”。折層形成與鈦液黏度、表面張力等有關。液態金屬黏度、表面張力影響熔體在鑄型中流動性、鑄型填充、凝固和成形過程[14]，而黏度、表面張力等跟鈦液溫度有關，液態金屬黏度、表面張力隨溫度升高而下降[14]。熔鑄時，邊緣的鈦液溫度低，造成黏度較高、流動性降低及表面張力增加。當電子束未能熔化邊緣的坯殼時，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。

電子束是非常高效的能量源，60%~90%的電子束能量能夠轉化成熱量被金屬吸收[15]。因4槍EB爐掃描結晶器液面的電子槍與結晶器水平截面法線存在夾角θ，結晶器邊緣處電子槍功率密度表達為θ角的函數，結合表2得出1號、2號結晶器不同液位下的結晶器內電子槍功率密度各不相同，見表3。液位降低，非溢流側電子束掃描盲區面積增大，鈦液冷卻速度加快，雖然液面電子槍功率密度增加，但是功率密度增加的影響小于掃描盲區的影響。非溢流側鈦液黏度、表面張力增加，鈦液流動性降低，產生折層。結晶器寬幅減小，結晶器水平截面法線與電子槍的夾角θ越大，電子束掃描盲區面積越大，非溢流側冷卻速率越快，越容易形成折層，此時只有增加電子槍功率補充熱量才能減少折層。1號結晶器液位較高與溢流口平齊時，結晶器內電子槍功率密度為1.37W/mm2熔鑄時折層較少，相對耗能最低；2號結晶器液位與溢流口平齊時，結晶器內電子槍功率密度為1.21W/mm²熔鑄時折層較少，相對耗能最低（見圖8）。結晶器寬幅增加，保證較少折層的電子槍功率密度降低。

式中，ρ為結晶器內電子槍功率密度；p為結晶器內電子槍功率；S為結晶器空腔面積或結晶器鈦液覆蓋面積；C為結晶器空腔厚或結晶器鈦液覆蓋面積寬度；H為結晶器上沿到液面的高度，H=90mm+|液位|。相同電子槍功率及結晶器尺寸時，液位降低，結晶器內非溢流側電子束掃描盲區面積增加，提高結晶器內功率密度不能減少折層數量。這是由于鈦液傳熱系數小，提高掃描區域的功率增加的能量無法有效傳導到結晶器邊緣，造成折層出現幾率增加。只有電子束直射到非溢流側液面時，凝固的坯殼才能重熔，增加流動性降低折層的數量。

綜上，當相同液位及結晶器尺寸時，結晶器內非溢流側電子束掃描盲區不變，功率增加，邊緣流動性增加，折層數量降低。但功率密度到達一定數值后，功率增加造成的折層數量變化不明顯。原因是到一定功率后，能量吸收及耗散達到平衡，折層出現趨于平穩。結晶器尺寸越大，其水平截面法線與電子槍的夾角θ越小，掃描盲區越小，低功率密度就能降低折層出現。

3、結論

（1）結晶器液位越低，非溢流側折層越多，液位與溢流口平齊時非溢流側折層最少；相同液位時，隨結晶器內電子槍功率增加折層減少，最后趨于穩定。

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

（3）結晶器寬度為1080mm，液位與溢流口平齊且液面功率密度為1.37W/mm2時，毛坯折層少，相對熔鑄耗能最低；結晶器寬度為1280mm，液位與溢流口平齊且液面功率密度為1.21W/mm2時，毛坯折層少，相對熔鑄耗能最低。

參考文獻

[1] 梁賢燁， 弭光寶， 李培杰， 等 . 航空發動機鈦火特性理論計算研究[J].航空材料學報，2021，41 （6）：59-67.

[2] 唐元斌 . 鈦合金管在艦船上應用的工藝研究[J]. 造船技術，2016（2）：57-60，82.

[3] 王珍，楊巧文，唐曹，等 .廢棄 SCR 催化劑堿浸后鈦渣的酸解工藝優化[J].廣東化工，2022，49 （1）：30-31，43.

[4] 吳獻斌 .探索鈦及鈦合金表面陽極氧化技術在醫療器械產品中的應用[J].冶金管理， 2021 （11）： 38-39.

[5] 袁吉昌，郭皓然，唐流勇，等 .汽車隔熱涂料的制備及性能研究[J].中國涂料，2021，36 （7）：16-21.

[6] 張以忱 .電子槍與離子束技術[M].北京：冶金工業出版社，2004.

[7] 馬立蒲，劉為超 . 電子束熔煉技術及其應用[J]. 有色金屬加工，2008，37 （6）：28-31，36.

[8] 張英明，孫軍，韓明臣，等 .TC4合金的電子束冷床熔煉研究[J].宇航材料工藝，2007 （5）：50-52.

[9] 陳峰，陳麗，國斌，等 .電子束冷床熔煉的優與劣[J].中國有色金屬學報，2010，20 （S1）：873-876.

[10] 馮寅楠，閆鵬，賈國斌 .電子束冷床熔煉的應用現狀[J].中國材料進展，2020，39 （4）：295-303.

[11] XU Y P，CHEN Q P，LIU Y，et al. Numerical simulation of asym‐metrical fluid flow and solidification during the electron beam cold hearth re-melting（EBCHR）process of titanium alloy TA10[J].Rare Metal Materials and Engineering，2020，49 （11）：3 761-3 768.

[12] 關宏濤 .3 200 kW 電子束冷床爐 4 號槍工藝設定[J]. 中國金屬通報，2016 （11）：77-78.

[13] 劉路 .電子束冷床熔煉大規格純鈦扁錠的缺陷及其影響因素研究[D].昆明：昆明理工大學，2015.

[14] 蘇彥慶，郭景杰，劉貴仲 . 有色金屬真空熔煉過程熔體質量控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005.

[15] PATON B E， TRYGUB M P， AKHONIN S V.鈦、鋯及其合金的電子束熔煉[M]. 樊生文，王殿儒，張海峰，等 譯 .北京：機械工業出版社，2014.

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