钛合金因具有高比强度，良好的耐热性、低温韧性、低温超导性以及耐腐蚀等特点而被广泛应用于航空航天[1]、舰船制造[2]、石油化工[3]、医疗[4]、交通运输[5]等领域。电子束冷床熔炼炉（ElectronBeamColdHearthMelting，EBCHM）是目前熔铸钛及钛合金的主要装备之一，是将电子束和工业冷床结合，在高真空、高温下进行熔炼的冶金技术。电子束熔炼是指在高真空下，将高速电子束流的动能转换为热能作为热源来进行材料熔炼的一种真空熔炼技术[6]。电子束熔炼技术具有熔炼温度和速度可控，原料质量和外形受限少，生成的产品质量高、规格多样，能量利用率高，无环境污染等特点[7]。EBCHM技术最早是用于消除钛材中高、低密度夹杂等严重的冶金缺陷，提高航空航天用钛及钛合金的质量的[8]。美国航空标准已将冷床炉熔炼纳入航空旋转件、结构件用钛合金材料必须采用的熔炼技术[9]。EBCHM与其他熔炼方法最大的区别就是用冷床将熔化、精炼和结晶3个过程分开[10]，结晶器区域扫描功率及图形对结晶器内金属液的流动性及后续凝固影响大。
目前，关宏涛[12]通过3200kW电子束冷床炉4号枪功率及图形能量分布研究，制备出宏观无缺陷，内部组织紧密，成分无偏析、夹杂、气孔等缺陷的铸锭。刘路[13]通过3200kW电子束冷床炉研究不同电子枪功率、扫描频率对扁锭表面拉裂的影响及不同拉锭速度对气孔的影响机理。EB熔铸钛锭主要缺陷有表面拉裂、内裂纹、皮下气孔、冷隔、折层、夹渣、氧化及元素偏析等。折层主要出现在毛坯的非溢流侧，EB毛坯铣面、修磨无法完全清除折层的影响，轧制后在钛卷板表面出现起皮，严重影响钛卷板质量。本研究针对4枪EB炉不同结晶器宽幅、不同结晶器内分配的电子枪功率及结晶器液位进行试验，以期获得结晶器宽幅、结晶器内电子枪功率、结晶器液位对毛坯非溢流侧折层的影响规律，以提高EB炉熔铸毛坯质量。
1、试验材料及方案
使用美国4枪3200kW电子束冷床熔炼炉熔炼，其主要特点为熔炼冷床、精炼冷床及结晶器组成“C”形熔铸区域[11]，见图1。由4把电子枪在熔铸区域进行熔化精炼，熔炼原理示意图见图2。原料采用同一厂家、杂质元素相近的0级海绵钛，成分见表1，硬度（HBW）为95~97。分别用1号结晶器（厚240mm、宽1080mm）、2号结晶器（厚240mm、宽1280mm）熔铸，结晶器扫描的电子枪功率设置见表2。分别熔铸9块TA1毛坯，熔铸时前1~3块采用低液位（溢流口下−20mm）熔铸，4~6块采用中液位（溢流口下−10mm）熔铸，7~9块采用高液位；4枪EB炉4号枪与结晶器示意图见图3，在其他工艺、操作（如其余电子枪功率及图形大小、结晶器回水流量、拉锭速度等）相同的条件下，分析毛坯非溢流侧折层数量及形成原因。
2、试验结果与分析
2.1 结晶器折层情况
1号结晶器熔铸毛坯折层数量及变化趋势分别见图4。可以看出，随结晶器内电子枪功率增加折层数量逐渐降低，功率为（350±10）kW、（380±10）kW时无明显减少；相同功率时，液位与溢流口持平时折层最少。
2号结晶器熔铸毛坯折层数量及变化趋势见图5。
可以看出，随结晶器内电子枪功率增加折层数量逐渐降低，功率到（380±10）kW、（410±10）kW后无明显减少；相同功率时，液位与溢流口持平时折层最少。
两种结晶器不同液位、功率下的变化见图6。可以看出，1号、2号结晶器熔铸毛坯折层，在相同结晶器内电子枪功率下液位为−20mm（低液位）时折层最多，液位0mm（高液位）时折层最少。相同液位时，随结晶器内电子枪功率增加，折层减少，1号结晶器在结晶器内电子枪功率为大于（350±10）kW后，熔铸毛坯折层无明显减少。2号结晶器在结晶器内电子枪功率为大于（380±10）kW后，熔铸毛坯折层无明显减少。相同功率、液位下，2号结晶器熔铸毛坯出现折层数量总体少于1号结晶器熔铸毛坯的。
因4枪EB炉4号枪与结晶器非溢流侧存在夹角θ（见图3），使得电子束不能直射到靠近非溢流侧的钛液，不能及时熔化坯壳和补充新钛液能量；加上边部冷却强度高，温降快，使得靠非溢流侧钛液黏度、表面张力增加。经测试1号结晶器θ为24°、2号结晶器θ为21°。当新钛液温度较低时，流动性差及电子束长时间未扫描到坯壳，就出现连续性折层，且折层严重的会往里延伸，要增加铣面量清除折层，不然导致热轧时产生边部重皮，严重降低板卷质量。
2.2 折层形成机理分析
结晶器边缘处钛液流动与折层形成过程见图7。
由于结晶器内壁不光滑，钛液与结晶器内壁形成浸润接触，形成“U”形液面，见图7a，内壁上附着的钛液凝固后形成很薄的“坯壳”；往下拉锭时，由于钛液填充不及时和表面张力影响，坯壳会不连续的与结晶器内壁脱落，形成弯月面，见图7b；当新的钛液补充到结晶器边缘后，新钛液与结晶器内壁重新形成“U”形液面，周而复始形成毛坯表面“鱼鳞纹”。折层形成与钛液黏度、表面张力等有关。液态金属黏度、表面张力影响熔体在铸型中流动性、铸型填充、凝固和成形过程[14]，而黏度、表面张力等跟钛液温度有关，液态金属黏度、表面张力随温度升高而下降[14]。熔铸时，边缘的钛液温度低，造成黏度较高、流动性降低及表面张力增加。当电子束未能熔化边缘的坯壳时，新钛液与坯壳极易形成明显的界面，保留在铸坯表面形成折层，见图7c和图7d。
电子束是非常高效的能量源，60%~90%的电子束能量能够转化成热量被金属吸收[15]。因4枪EB炉扫描结晶器液面的电子枪与结晶器水平截面法线存在夹角θ，结晶器边缘处电子枪功率密度表达为θ角的函数，结合表2得出1号、2号结晶器不同液位下的结晶器内电子枪功率密度各不相同，见表3。液位降低，非溢流侧电子束扫描盲区面积增大，钛液冷却速度加快，虽然液面电子枪功率密度增加，但是功率密度增加的影响小于扫描盲区的影响。非溢流侧钛液黏度、表面张力增加，钛液流动性降低，产生折层。结晶器宽幅减小，结晶器水平截面法线与电子枪的夹角θ越大，电子束扫描盲区面积越大，非溢流侧冷却速率越快，越容易形成折层，此时只有增加电子枪功率补充热量才能减少折层。1号结晶器液位较高与溢流口平齐时，结晶器内电子枪功率密度为1.37W/mm2熔铸时折层较少，相对耗能最低；2号结晶器液位与溢流口平齐时，结晶器内电子枪功率密度为1.21W/mm2熔铸时折层较少，相对耗能最低（见图8）。结晶器宽幅增加，保证较少折层的电子枪功率密度降低。
式中，ρ为结晶器内电子枪功率密度；p为结晶器内电子枪功率；S为结晶器空腔面积或结晶器钛液覆盖面积；C为结晶器空腔厚或结晶器钛液覆盖面积宽度；H为结晶器上沿到液面的高度，H=90mm+|液位|。相同电子枪功率及结晶器尺寸时，液位降低，结晶器内非溢流侧电子束扫描盲区面积增加，提高结晶器内功率密度不能减少折层数量。这是由于钛液传热系数小，提高扫描区域的功率增加的能量无法有效传导到结晶器边缘，造成折层出现几率增加。只有电子束直射到非溢流侧液面时，凝固的坯壳才能重熔，增加流动性降低折层的数量。
综上，当相同液位及结晶器尺寸时，结晶器内非溢流侧电子束扫描盲区不变，功率增加，边缘流动性增加，折层数量降低。但功率密度到达一定数值后，功率增加造成的折层数量变化不明显。原因是到一定功率后，能量吸收及耗散达到平衡，折层出现趋于平稳。结晶器尺寸越大，其水平截面法线与电子枪的夹角θ越小，扫描盲区越小，低功率密度就能降低折层出现。
3、结论
（1）结晶器液位越低，非溢流侧折层越多，液位与溢流口平齐时非溢流侧折层最少；相同液位时，随结晶器内电子枪功率增加折层减少，最后趋于稳定。
（2）非溢流侧折层是因结晶器水平截面法线与电子枪的夹角θ较大，低液位时电子束扫描盲区增加，钛液冷却速度快，边缘流动性差导致的。
（3）结晶器宽度为1080mm，液位与溢流口平齐且液面功率密度为1.37W/mm2时，毛坯折层少，相对熔铸耗能最低；结晶器宽度为1280mm，液位与溢流口平齐且液面功率密度为1.21W/mm2时，毛坯折层少，相对熔铸耗能最低。
参考文献
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