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[1]、艦船制造[2]、石油化工[3]、醫(yī)療[4]、交通運(yùn)輸[5]等領(lǐng)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(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)[6]。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)[7]。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[8]。美國航空標(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)[9]。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[10]，結(jié)晶器區(qū)域掃描功率及圖形對結(jié)晶器內(nèi)金屬液的流動(dòng)性及后續(xù)凝固影響大。
目前，關(guān)宏濤[12]通過3200kW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。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(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。
1、試驗(yàn)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(diǎn)為熔煉冷床、精煉冷床及結(jié)晶器組成“C”形熔鑄區(qū)域[11]，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240mm、寬1080mm）、2號(hào)結(jié)晶器（厚240mm、寬1280mm）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?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(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。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 結(jié)晶器折層情況
1號(hào)結(jié)晶器熔鑄毛坯折層數(shù)量及變化趨勢分別見圖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。
兩種結(jié)晶器不同液位、功率下的變化見圖6?？梢钥闯?，1號(hào)、2號(hào)結(jié)晶器熔鑄毛坯折層，在相同結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率下液位為?20mm（低液位）時(shí)折層最多，液位0mm（高液位）時(shí)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，1號(hào)結(jié)晶器在結(jié)晶器內(nèi)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(hào)結(jié)晶器在結(jié)晶器內(nèi)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(hào)結(jié)晶器熔鑄毛坯出現(xiàn)折層數(shù)量總體少于1號(hào)結(jié)晶器熔鑄毛坯的。
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。
2.2 折層形成機(jī)理分析
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[14]，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[14]。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。
電子束是非常高效的能量源，60%~90%的電子束能量能夠轉(zhuǎn)化成熱量被金屬吸收[15]。因4槍EB爐掃描結(jié)晶器液面的電子槍與結(jié)晶器水平截面法線存在夾角θ，結(jié)晶器邊緣處電子槍功率密度表達(dá)為θ角的函數(shù)，結(jié)合表2得出1號(hào)、2號(hào)結(jié)晶器不同液位下的結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率密度各不相同，見表3。液位降低，非溢流側(cè)電子束掃描盲區(qū)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(qū)的影響。非溢流側(cè)鈦液黏度、表面張力增加，鈦液流動(dòng)性降低，產(chǎn)生折層。結(jié)晶器寬幅減小，結(jié)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(qū)面積越大，非溢流側(cè)冷卻速率越快，越容易形成折層，此時(shí)只有增加電子槍功率補(bǔ)充熱量才能減少折層。1號(hào)結(jié)晶器液位較高與溢流口平齊時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率密度為1.37W/mm2熔鑄時(shí)折層較少，相對耗能最低；2號(hào)結(jié)晶器液位與溢流口平齊時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率密度為1.21W/mm2熔鑄時(shí)折層較少，相對耗能最低（見圖8）。結(jié)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(jié)晶器內(nèi)電子槍功率密度；p為結(jié)晶器內(nèi)電子槍功率；S為結(jié)晶器空腔面積或結(jié)晶器鈦液覆蓋面積；C為結(jié)晶器空腔厚或結(jié)晶器鈦液覆蓋面積寬度；H為結(jié)晶器上沿到液面的高度，H=90mm+|液位|。相同電子槍功率及結(jié)晶器尺寸時(shí)，液位降低，結(jié)晶器內(nèi)非溢流側(cè)電子束掃描盲區(qū)面積增加，提高結(jié)晶器內(nèi)功率密度不能減少折層數(shù)量。這是由于鈦液傳熱系數(shù)小，提高掃描區(qū)域的功率增加的能量無法有效傳導(dǎo)到結(jié)晶器邊緣，造成折層出現(xiàn)幾率增加。只有電子束直射到非溢流側(cè)液面時(shí)，凝固的坯殼才能重熔，增加流動(dòng)性降低折層的數(shù)量。
綜上，當(dāng)相同液位及結(jié)晶器尺寸時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)非溢流側(cè)電子束掃描盲區(qū)不變，功率增加，邊緣流動(dòng)性增加，折層數(shù)量降低。但功率密度到達(dá)一定數(shù)值后，功率增加造成的折層數(shù)量變化不明顯。原因是到一定功率后，能量吸收及耗散達(dá)到平衡，折層出現(xiàn)趨于平穩(wěn)。結(jié)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(qū)越小，低功率密度就能降低折層出現(xiàn)。
3、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1080mm，液位與溢流口平齊且液面功率密度為1.37W/mm2時(shí)，毛坯折層少，相對熔鑄耗能最低；結(jié)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(shí)，毛坯折層少，相對熔鑄耗能最低。
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