钛合金因具有高比强度 ，，，，，，，，优异的耐热性、低温韧性、低温超导性以及耐侵蚀等特点而被普遍应用于航空航天[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）是现在熔铸钛及钛合金的主要装备之一 ，，，，，，，，是将电子束和工业冷床团结 ，，，，，，，，在高真空、高温下举行熔炼的冶金手艺。。。。。 。。。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举行质料熔炼的一种真空熔炼手艺[6]。。。。。 。。。电子束熔炼手艺具有熔炼温度和速率可控 ，，，，，，，，质料质量和形状受限少 ，，，，，，，，天生的产品质量高、规格多样 ，，，，，，，，能量使用率高 ，，，，，，，，无情形污染等特点[7]。。。。。 。。。EBCHM手艺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、结构件用钛合金质料必需接纳的熔炼手艺[9]。。。。。 。。。EBCHM与其他熔炼要领最大的区别就是用冷床将熔化、精炼和结晶3个历程脱离[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。。。。。 。。。
现在 ，，，，，，，，关宏涛[12]通过3200kW电子束冷床炉4号枪功率及图形能量漫衍研究 ，，，，，，，，制备出宏观无缺陷 ，，，，，，，，内部组织细密 ，，，，，，，，因素无偏析、夹杂、气孔等缺陷的铸锭。。。。。 。。。刘路[13]通过3200kW电子束冷床炉研究差别电子枪功率、扫描频率对扁锭外貌拉裂的影响及差别拉锭速率对气孔的影响机理。。。。。 。。。EB熔铸钛锭主要缺陷有外貌拉裂、内裂纹、皮下气孔、冷隔、折层、夹渣、氧化及元素偏析等。。。。。 。。。折层主要泛起在毛坯的非溢流侧 ，，，，，，，，EB毛坯铣面、修磨无法完全扫除折层的影响 ，，，，，，，，轧制后在钛卷板外貌泛起起皮 ，，，，，，，，严重影响钛卷板质量。。。。。 。。。本研究针对4枪EB炉差别结晶器宽幅、差别结晶器内分派的电子枪功率及结晶器液位举行试验 ，，，，，，，，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纪律 ，，，，，，，，以提高EB炉熔铸毛坯质量。。。。。 。。。
1、试验质料及计划
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举行熔化精炼 ，，，，，，，，熔炼原理示意图见图2。。。。。 。。。质料接纳统一厂家、杂质元素相近的0级海绵钛 ，，，，，，，，因素见表1 ，，，，，，，，硬度（HBW）为95~97。。。。。 。。。划分用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。。。。。 。。。划分熔铸9块TA1毛坯 ，，，，，，，，熔铸时前1~3块接纳低液位（溢流口下?20mm）熔铸 ，，，，，，，，4~6块接纳中液位（溢流口下?10mm）熔铸 ，，，，，，，，7~9块接纳高液位；；；；；；；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巨细、结晶器回水流量、拉锭速率等）相同的条件下 ，，，，，，，，剖析毛坯非溢流侧折层数目及形成缘故原由。。。。。 。。。
2、试验效果与剖析
2.1 结晶器折层情形
1号结晶器熔铸毛坯折层数目及转变趋势划分见图4。。。。。 。。？？？？？？？？梢钥闯 ，，，，，，，，随结晶器内电子枪功率增添折层数目逐渐降低 ，，，，，，，，功率为（350±10）kW、（380±10）kW时无显着镌汰；；；；；；；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目及转变趋势见图5。。。。。 。。。
可以看出 ，，，，，，，，随结晶器内电子枪功率增添折层数目逐渐降低 ，，，，，，，，功率到（380±10）kW、（410±10）kW后无显着镌汰；；；；；；；相同功率时 ，，，，，，，，液位与溢流口持平时折层最少。。。。。 。。。
两种结晶器差别液位、功率下的转变见图6。。。。。 。。？？？？？？？？梢钥闯 ，，，，，，，，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添 ，，，，，，，，折层镌汰 ，，，，，，，，1号结晶器在结晶器内电子枪功率为大于（350±10）kW后 ，，，，，，，，熔铸毛坯折层无显着镌汰。。。。。 。。。2号结晶器在结晶器内电子枪功率为大于（380±10）kW后 ，，，，，，，，熔铸毛坯折层无显着镌汰。。。。。 。。。相同功率、液位下 ，，，，，，，，2号结晶器熔铸毛坯泛起折层数目总体少于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保存夹角θ（见图3） ，，，，，，，，使得电子束不可直射到靠近非溢流侧的钛液 ，，，，，，，，不可实时熔化坯壳和增补新钛液能量；；；；；；；加上边部冷却强度高 ，，，，，，，，温降快 ，，，，，，，，使得靠非溢流侧钛液黏度、外貌张力增添。。。。。 。。。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 ，，，，，，，，就泛起一连性折层 ，，，，，，，，且折层严重的会往里延伸 ，，，，，，，，要增添铣面量扫除折层 ，，，，，，，，不然导致热轧时爆发边部重皮 ，，，，，，，，严重降低板卷质量。。。。。 。。。
2.2 折层形成机理剖析
结晶器边沿处钛液流动与折层形成历程见图7。。。。。 。。。
由于结晶器内壁不平滑 ，，，，，，，，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 ，，，，，，，，由于钛液填充不实时和外貌张力影响 ，，，，，，，，坯壳会不一连的与结晶器内壁脱落 ，，，，，，，，形成弯月面 ，，，，，，，，见图7b；；；；；；；当新的钛液增补到结晶器边沿后 ，，，，，，，，新钛液与结晶器内壁重新形成“U”形液面 ，，，，，，，，周而复始形成毛坯外貌“鱼鳞纹”。。。。。 。。。折层形成与钛液黏度、外貌张力等有关。。。。。 。。。液态金属黏度、外貌张力影响熔体在铸型中流动性、铸型填充、凝固和成形历程[14] ，，，，，，，，而黏度、外貌张力等跟钛液温度有关 ，，，，，，，，液态金属黏度、外貌张力随温度升高而下降[14]。。。。。 。。。熔铸时 ，，，，，，，，边沿的钛液温度低 ，，，，，，，，造成黏度较高、流动性降低及外貌张力增添。。。。。 。。。当电子束未能熔化边沿的坯壳时 ，，，，，，，，新钛液与坯壳极易形成显着的界面 ，，，，，，，，保保存铸坯外貌形成折层 ，，，，，，，，见图7c和图7d。。。。。 。。。
电子束是很是高效的能量源 ，，，，，，，，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保存夹角θ ，，，，，，，，结晶器边沿处电子枪功率密度表达为θ角的函数 ，，，，，，，，团结表2得出1号、2号结晶器差别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 ，，，，，，，，钛液冷却速率加速 ，，，，，，，，虽然液面电子枪功率密度增添 ，，，，，，，，可是功率密度增添的影响小于扫描盲区的影响。。。。。 。。。非溢流侧钛液黏度、外貌张力增添 ，，，，，，，，钛液流动性降低 ，，，，，，，，爆发折层。。。。。 。。。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 ，，，，，，，，此时只有增添电子枪功率增补热量才华镌汰折层。。。。。 。。。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）。。。。。 。。。结晶器宽幅增添 ，，，，，，，，包管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笼罩面积；；；；；；；C为结晶器空腔厚或结晶器钛液笼罩面积宽度；；；；；；；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添 ，，，，，，，，提高结晶器内功率密度不可镌汰折层数目。。。。。 。。。这是由于钛液传热系数小 ，，，，，，，，提高扫描区域的功率增添的能量无法有用传导到结晶器边沿 ，，，，，，，，造成折层泛起几率增添。。。。。 。。。只有电子束直射到非溢流侧液面时 ，，，，，，，，凝固的坯壳才华重熔 ，，，，，，，，增添流动性降低折层的数目。。。。。 。。。
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稳固 ，，，，，，，，功率增添 ，，，，，，，，边沿流动性增添 ，，，，，，，，折层数目降低。。。。。 。。。但功率密度抵达一定命值后 ，，，，，，，，功率增添造成的折层数目转变不显着。。。。。 。。。缘故原由是到一定功率后 ，，，，，，，，能量吸收及耗散抵达平衡 ，，，，，，，，折层泛起趋于平稳。。。。。 。。。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泛起。。。。。 。。。
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添折层镌汰 ，，，，，，，，最后趋于稳固。。。。。 。。。
（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添 ，，，，，，，，钛液冷却速率快 ，，，，，，，，边沿流动性差导致的。。。。。 。。。
（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。。。。。 。。。
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