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电子束冷床熔炼技术

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  电子束冷床熔炼技术既能使液态金属在真空下充分脱气,又没有坩埚材料的污染。其优点主要有:熔炼速度可在大范围内调节,功率密度高且易控制,熔池表面温度高,因而可熔炼难熔金属,使用于任何形状的原料(如棒、块、屑、板等),易于精确控制熔料的化学组分,得到一定性能要求的稀有难熔和高纯金属材料。电子束对熔料的扫描还有搅拌作用,有利于合金化和去除杂质。作为热源的电子束流,通过调节聚焦极电流来改变热区面积,通过调节偏转极电流来改变热区位置,通过调节抢的加速度电压或发射电流来调节电子束的功率。这些调节,较之其他类型真空电炉,既灵活有准确,因而电子束炉在真空熔炼装置中显示其独特的优点。

  电子束炉主要用于熔炼高熔点、高纯度金属及其合金,如钨、钽、钼、铌、铪等,这些材料是发展原子能、宇航、电子工业等不可缺少的材料,掌握好电子束熔炼,有助于提高产品质量,降低成本,为我国尖端科学技术的发展做出贡献。

  1、电子束的工作原理

  将电能转换成热能有很多形式,电子束炉是利用高速运动的电子的动能转换成热能,来熔化海绵钛压块,使其有足够的热量进行熔炼,发射电子束的装置是电子枪,电子枪发射的电子束在加速电压的作用下获得高速运动,经过聚集和偏转系统的控制,最终使电子束准确而密集的轰击金属棒料和熔池表面,将其动能转变成热能,使金属熔化。在此过程中发生一系列的物理化学变化,使金属得到精炼和提纯。所以,电子束炉的热能来源的关键是在于获得高速运动的电子。

  2、夹杂去除研究

  随着钛合金在飞机发动机关键旋转件中的使用条件日益苛刻,对于钛合金的冶金质量要求也越来越高。钛合金的夹杂物一般有两类,即低密度夹杂物和高密度夹杂物。低密度夹杂物主要是氧化物和氮化物,硬α相夹杂是富氮、氧、碳的。硬α相夹杂是钛及钛合金中出现的主要冶金缺陷,但主要是氮。TiN的密度为5.22g/cm3,比钛的略高。硬口相具有比钛高得多的熔点,如Ti02的熔点为1825℃,TiN的熔点约为2950℃。硬α相夹杂因为间隙固溶所以很脆,其硬度可高达基体金属的3倍。另外,固溶强化元素在硬α相夹杂中贫化。因为其形状和性质与基体金属相近,即使经过机械热处理,也很难通过无损探伤技术完全排除。尽管钛合金中α硬相夹杂的量很少,但由于其硬度高、脆性大,降低部件使用寿命,因此自1989年美国苏城空难以来,硬a相夹杂,特别是TiN夹杂引起了钛锭生产商和飞机发动机制造商的广泛关注。

  3、易挥发元素挥发控制研究

  由于电子束冷床熔炼过程要求在高真空环境下进行,易挥发元素如Al,Cr,Sn等的成分控制是电子束冷床熔炼技术的关键难点。铝属于a稳定元素,可以提高钛的开始再结晶温度,与a钛和口钛形成替代式固溶体,主要起固溶强化作用。在国标中的钛合金,除了工业纯钛外,几乎所有钛合金都含有一定量的铝。铝是钛合金的主要合金化元素,在钛合金的电子束冷床熔炼过程中,由于铝在高温下蒸气压高(铝的蒸气压比钛的蒸气压高4个数量级),钛合金熔液在冷床中长时间暴露于真空下时,铝的挥发损失是含铝钛合金电子束冷床熔炼成分控制的关键问题,也是研究最多的问题。

  影响铝挥发的因素主要是熔炼速度、熔池表面平均温度、熔池表面的局部过热。反应在熔炼参数上主要是熔炼功率,电子束扫描频率。电子束扫描方式和频率是非常重要的熔炼参数。扫描方式一定时,熔池温度随扫描频率的变化而变化,扫描频率低,电子束在一个地方停留的时间长,此处熔池的温度升高,温差大,整个熔池温度不均匀,相应地,合金中挥发性元素的挥发损失也很高。