本发明涉及钛基合金技术领域，特别涉及一种利用热阴极电子束冷床炉熔炼ta2铸锭的方法。
背景技术：
钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域，特别是在多个领域的发动机系统中具有很高的使用频率。钛合金作为航空航天工业中的重要材料，伴随着各国在航空航天领域的高速发展，其用量也呈现快速增长的特点。为了生产优质、高洁净的航空发动机转动件用钛合金，在20世纪80年代末，国际上引入了冷床熔炼技术，由于它优异的低密度夹杂(简称ldi)和高密度夹杂(简称hdi)去除效果，在航空航天关键部件用钛合金铸锭的生产上具有独特的优势。电子束冷床炉熔炼技术(简称eb)除能比较好的消除高密度和低密度夹杂外，还能大量回收残料，降低生产成本，可生产扁锭、空锭，减少板材与管材生产时的后续加工，对某些用途的铸锭可以一次熔炼成型。然而，国内eb熔炼技术尚处于起步阶段，在钛及钛合金成型方面尚未形成大规模的应用。
ta2钛合金是一种工业钛，单一α相。该合金中含有微量的fe、c、n、h以及o，其耐蚀性能和综合力学性能适中，在化工、医疗、航空等领域已经得到了广泛应用。当前，国内已有的制备ta2铸件的技术是利用真空自耗炉(var)熔炼或选用块状料(海绵钛加入氧元素混合后压块)利用电子束冷床炉(eb)进行熔炼。
其中，利用真空自耗炉(var)制备ta2铸件又包括两种熔炼方法。(1)真空自耗电极电弧炉熔炼。以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极，以水冷铜坩埚为阳极。熔化了的电极以液滴形式进入坩埚形成熔池。熔池表面被电弧加热，始终呈液态，底部和坩埚接触的四周受到强制冷却，产生自上而下的结晶。熔池内的金属液凝固后成为钛锭。(2)真空自耗电极凝壳炉熔炼。是一种将熔炼与离心浇注联成一体的铸造异形件的炉型。其最大的特点是在水冷铜坩埚与金属熔体之间存在一层钛合金固体薄壳，即所谓的凝壳，以此作为坩埚的内衬，用于形成熔池储存溶液，避免坩埚对钛合金液的污染。浇注后，留在坩埚内的一层凝壳，可作为坩埚内衬继续使用。
另外，选用块状料利用电子束冷床炉(eb)进行熔炼的方法，需先将海绵钛加入氧元素混合后，再经过一系列繁琐工序用专用设备压成块状并干燥，然后将块状的混料放入电子束冷床炉进行熔炼。
采用真空自耗炉(var)熔炼或选用块状料(海绵钛加入氧元素混合后压块)利用电子束冷床炉(eb)进行熔炼，对应的熔炼工艺均存在如下问题：熔炼工艺繁琐、过程复杂、操作不灵活，整个熔炼过程耗时较长，费时费力，使得偏低的ta2铸件生产效率与国内市场的较大需求以及该产品的较高利润之间的矛盾愈发突出。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用热阴极电子束冷床炉熔炼ta2铸锭的方法。
本发明具体技术方案如下：
一种利用热阴极电子束冷床炉熔炼ta2铸锭的方法，该方法包括以下步骤：
将散状海绵钛和二氧化钛粉按照比例混合均匀后，加入到热阴极电子束冷床炉中进行熔铸，即得ta2铸锭；
所述热阴极电子束冷床炉的熔炼工艺包括启枪阶段、铸锭制底阶段和稳定熔炼阶段；
所述热阴极电子束冷床炉包括依次毗邻的熔炼区、精炼区和结晶区，所述稳定熔炼阶段中的熔炼区的功率控制在1200～1800kw，精炼区的功率控制在600～800kw，结晶区的功率控制在600～1000kw。
进一步的，所述散状海绵钛选用0级或1级中的任意一种。
进一步的，所述散状海绵钛与二氧化钛粉混合质量比为a，a介于320:1～440:1，优选的，a介于371：1～390:1。
进一步的，所述散状海绵钛和二氧化钛粉的混料时间为t，t介于25s～40s，优选的，t为35s。
进一步的，将混好的所述散状海绵钛和二氧化钛粉的混合物料依次装入对应不同编号的海绵钛桶内，并按照装入的先后顺序依次上料熔炼。
进一步的，所述混合物料的进料速度v1为25～40kg/min，优选的，v1为30kg/min；所述热阴极电子束冷床炉熔炼工艺的拉锭速度v2为6～13mm/min，优选的，拉锭速度v2为9mm/min。
优选的，所述稳定熔炼阶段中的熔炼区的功率控制在1400～1500kw，精炼区的功率控制在650～750kw，结晶区的功率控制在750～850kw。
进一步的，所述熔炼区设置第一电子枪和第二电子枪，所述精炼区设置第四电子枪、所述结晶区设置第六电子枪,第三电子枪为熔炼区和结晶区共用，第五电子枪为精炼区和结晶区共用；
所述稳定熔炼阶段中的第一电子枪的功率控制在500～750kw，第二电子枪的功率控制在500～750kw，第三电子枪的功率控制在350～550kw，第四电子枪的功率控制在350～550kw，第五电子枪的功率控制在240～400kw，第六电子枪的功率控制在360～600kw，所述电子束冷床炉内真空度的值小于10.0×10-3hpa；
优选地，所述稳定熔炼阶段中的第一电子枪的功率控制在600～650kw，第二电子枪的功率控制在600～650kw，第三电子枪的功率控制在390～430kw，第四电子枪的功率控制在410～470kw，第五电子枪的功率控制在300～350kw，第六电子枪的功率控制在450～500kw，所述电子束冷床炉内真空度的值小于8.0×10-3hpa。
进一步的，所述稳定熔炼阶段中的第一电子枪、第二电子枪、第四电子枪、第五电子枪和第六电子枪的扫描周期均为1.26～1.46s，第三电子枪的扫描周期为1.33～1.53s；
优选的，所述稳定熔炼阶段中的第一电子枪、第二电子枪、第四电子枪、第五电子枪和第六电子枪的扫描周期均为1.36s，第三电子枪的扫描周期为1.43s。
进一步的，当原料熔炼完后，所述热阴极电子束冷床炉的熔炼工艺还包括补缩工艺；
所述补缩工艺包括将所述第六电子枪的功率控制在400kw，且功率每隔5min降低一次，每次降低20kw；
所述第六电子枪的x轴、y轴在第六电子枪每次功率降低后同步定量微调收缩图形直至结束。
本发明的有益效果如下：
1)应用本熔炼方法生产ta2铸锭与传统生产方法相比，显著缩减了熔炼工序，整个熔炼过程简单，操作简便，极大提升生产效率，生产的ta2铸锭产品有效满足市场需求，提高企业的经济效益，提升企业的市场竞争优势。
2)所生产的ta2铸锭内部化学成分氧含量需符合目标要求，氧含量稳定均匀，且沿铸锭长度方向上的氧含量浮动范围在0.04％以下。散状海绵钛与二氧化钛粉混合质量比为a，a介于320:1～440:1；优选的，a介于371：1～390:1。
3)备料工作完成后进入搅拌阶段，需将散状海绵钛和二氧化钛粉放入混料装置中混合均匀后再装入对应不同编号的海绵钛桶内，并按照装入的先后顺序依次等待上料熔炼。其中，散状海绵钛和二氧化钛粉的混料时间为t，t介于25s～40s，优选的，t为35s。若混料时间t小于25s，则散状海绵钛和二氧化钛粉混合不均匀；若混料时间t大于40s，则散状海绵钛和二氧化钛粉的混合物料在搅拌过程中，因离心力的作用产生分层，无法均匀混合。同时，要求混料装置的搅拌速度不能过快，在对应的混料时间内的搅拌圈数n为7-7.5圈，优选搅拌7.5圈，以充分保证混合物料的搅拌均匀。若搅拌速度过快，由于混料中各成分的质量不同，在离心力的作用下极易导致分层，破坏混料的均匀性。
4)本技术方案之所以选择热阴极电子束冷床炉，是为了保证熔铸阶段的连续和稳定，提高企业ta2铸锭的生产效率，降低生产成本，提升企业在ta2铸锭生产上的竞争优势。热阴极电子束冷床炉炉内各系统相互隔离，如进料系统、抽真空系统、电子枪系统和熔炼室均为独立设置。任何一处出现问题，仅需关闭相应区域的隔离阀，对该区域进行单独修复，不会影响其它区域的真空度，熔炼过程不会中断，维持热阴极电子束冷床炉整体系统的正常运行。
5)应用本方法生产的ta2铸锭毛锭，通过机加工后，去除的铸锭屑料，还可与一定比例的散状海绵钛和二氧化钛粉进行重新混合，再次加入到热阴极电子束冷床炉内回炉重铸，大幅提升ta2铸锭屑料的利用率，降低ta2铸锭的生产成本，进一步提升企业的市场竞争优势。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本申请中，
从电子枪启动直至钛液第一次流入结晶器定义为启枪阶段。
从钛液第一次流入结晶器至铸锭第一次下拉定义为铸锭制底阶段。
从铸锭第一次下拉至物料熔化完毕为稳定熔炼阶段。
一种利用热阴极电子束冷床炉熔炼ta2铸锭的方法，本实施例中，具体操作如下：
首先，准备好0级或1级的散状海绵钛，并根据散状海绵钛与二氧化钛粉混合质量比为a，a介于320:1～440:1的要求选用相应质量的二氧化钛粉。所生产的ta2铸锭内部化学成分氧含量需符合目标要求，即铸锭尾部氧含量目标值为0.165％，铸锭头部和中间部氧含量目标值均为0.155％，且氧含量稳定均匀，沿铸锭长度方向上的氧含量浮动范围在0.04％以下。优选的，a介于371：1～390:1。具体的，本实施例选用0级散状海绵钛4000kg。同时，按照如下要求准备好对应量的二氧化钛粉备用。具体的，4000kg散状海绵钛需分成28个批次与二氧化钛粉进行混合。其中，前14个批次中每批次散状海绵钛的重量为145kg，每批次需加入二氧化钛粉370g；中间13个批次中每批次散状海绵钛的重量为145kg，每批次需加入二氧化钛粉330g；最后1个批次散状海绵钛的重量为85kg，需加入二氧化钛粉193g。
上述备料工作完成后即可进入搅拌阶段，需将散状海绵钛和二氧化钛粉放入混料装置中混合均匀后再装入对应不同编号的海绵钛桶内，并按照装入的先后顺序依次等待上料熔炼。其中，散状海绵钛和二氧化钛粉的混料时间为t，t介于25s～40s，优选的，t为35s。若混料时间t小于25s，则散状海绵钛和二氧化钛粉混合不均匀；若混料时间t大于40s，则散状海绵钛和二氧化钛粉的混合物料在搅拌过程中，因离心力的作用产生分层，无法均匀混合。同时，要求混料装置的搅拌速度不能过快，在对应的混料时间内的搅拌圈数n为7-7.5圈，优选搅拌7.5圈，以充分保证混合物料的搅拌均匀。若搅拌速度过快，由于混料中各成分的质量不同，在离心力的作用下极易导致分层，破坏混料的均匀性。
然后，按照备料的三组批次顺序分别放入双锥型混料器内，先放入前14批次的散状海绵钛(每批次145kg)和对应重量的二氧化钛粉(每批次370g)，放入时需按照逐批放入要求操作，即先放145kg散状海绵钛，加入370g二氧化钛粉，再放145kg散状海绵钛，加入370g二氧化钛粉，如此连续放置直至第一组的14个批次全部放完。而后启动混料器进行搅拌，搅拌时间t为35s。混合完成后，将编号为1的海绵钛桶放入混料器出口处的下方，要求混料器出口与海绵钛桶的开口端的距离为10～30mm。该距离使得混合均匀的物料出料时，避免二氧化钛粉损耗，影响铸锭的氧含量。若混料器出口与海绵钛桶的开口端的距离小于10mm，则当混合物料在海绵钛桶内堆积到一定高度时，混合物料的顶端会碰触混料器出口，进而粘上混料器出口上的杂质，从而影响铸锭的氧含量。若混料器出口与海绵钛桶的开口端的距离大于30mm，二氧化钛粉在下落过程中容易飘走，从而影响铸锭的氧含量。
参照上述搅拌和出料要求，完成第二组的13个批次的搅拌并装入编号为2的海绵钛桶内；以及完成第三组的1个批次的搅拌并装入编号为3的海绵钛桶内。上述操作有效保证ta2铸锭各部分的氧含量达到目标值，符合产品质量需求。对应的，1号海绵钛桶盛装的混合物料为生产ta2铸锭的尾部料；2号海绵钛桶盛装的混合物料为生产ta2铸锭的中间料；3号海绵钛桶盛装的混合物料为生产ta2铸锭的头部料。
而后，选择4800kwebchm同一批次的中间或尾部炉次进行ta2铸锭熔铸，选择该时间节点开始熔铸可以有效保证热阴极电子束冷床炉炉况的最佳，重点能够确保真空系统以及熔炼电子枪运行的稳定。本技术方案之所以选择热阴极电子束冷床炉，是为了保证熔铸阶段的连续和稳定，提高企业ta2铸锭的生产效率，降低生产成本，提升企业在ta2铸锭生产上的竞争优势。一方面，热阴极电子束冷床炉炉内各系统相互隔离，如进料系统、抽真空系统、电子枪系统和熔炼室均为独立设置。任何一处出现问题，仅需关闭相应区域的隔离阀，对该区域进行单独修复，这时另一有相同工作任务的区域加速工作，不会影响其它区域的真空度，熔炼过程不会中断。另一方面，第三电子枪为熔炼区和结晶区共用，第五电子枪为精炼区和结晶区共用，任何一电子枪出现故障，其他电子枪均可及时补充，保证熔炼过程正常进行，维持热阴极电子束冷床炉整体系统的正常运行。
然而现有技术中，将海绵钛加入氧元素混合压块后再利用电子束冷床炉(eb)进行熔炼的方法，所采用的电子束冷床炉为冷阴极电子束冷床炉。相较于热阴极电子束冷床炉，冷阴极电子束冷床炉中电子枪系统与熔炼室连通，该设备任何一处出现问题，均会导致炉内真空度遭到破坏，从而使得设备无法正常工作。不仅增加ta2铸锭能否连续熔铸的风险，降低ta2铸锭的生产效率，还会因修复设备而暂停生产导致生产成本的上升，加剧当前供需关系矛盾，弱化企业的市场竞争优势。
待4800kwebchm的炉况处于最佳状态时，按照装入海绵钛桶的先后顺序(本实施例的先后顺序为1号、2号、3号)依次装入阿基米德螺旋进料器(即为阿基米德螺旋进料筒)中，而后将该进料器用天车吊入进料室中，封闭炉膛，抽真空熔炼。热阴极电子束冷床炉的熔炼工艺包括启枪阶段、铸锭制底阶段和稳定熔炼阶段。热阴极电子束冷床炉包括依次毗邻的熔炼区、精炼区和结晶区，稳定熔炼阶段中的熔炼区的功率控制在1200～1800kw，精炼区的功率控制在600～800kw，结晶区的功率控制在600～1000kw。为保证ta2铸锭最佳的熔铸效果和良好的生产效率，优选的，稳定熔炼阶段中的熔炼区的功率控制在1400～1500kw，精炼区的功率控制在650～750kw，结晶区的功率控制在750～850kw。由于熔炼区的功率主要保证物料正常熔化，不同物料采用不同的功率。精炼区的功率主要负责物料精炼，保证钛液正常流动。结晶区的功率主要维持金属结晶的过冷度梯度，形成均匀组织。基于此，本实施例中稳定熔炼阶段中的熔炼区的功率控制在1450kw，精炼区的功率控制在700kw，结晶区的功率控制在800kw。
熔铸过程还要求混合物料的进料速度v1为25～40kg/min，优选的，v1为30mm/min。另外，熔炼工艺的拉锭速度v2为6～13mm/min，优选的，拉锭速度v2为9mm/min。进料速度与拉锭速度相互匹配，有效保障铸锭的质量及成品率。若进料速度慢，拉锭速度快，意味着进入结晶区的钛液不能充足供应，结晶过程受影响，无法保证ta2铸锭的生产连续性，降低ta2铸锭的成品率。若进料速度快，拉锭速度慢，意味着经过熔炼区的混合物料在进入结晶区前已经有部分钛液凝固，从而导致进入结晶区的钛液中还混有固态混合物料，进而影响结晶效果，降低ta2铸锭的产品质量。
对应的，熔炼区设置第一电子枪和第二电子枪，所述精炼区设置第四电子枪、所述结晶区设置第六电子枪；第三电子枪为熔炼区和结晶区共用，第五电子枪为精炼区和结晶区共用。
稳定熔炼阶段中的第一电子枪的功率控制在500～750kw，第二电子枪的功率控制在500～750kw，第三电子枪的功率控制在350～550kw，第四电子枪的功率控制在350～550kw，第五电子枪的功率控制在240～400kw，第六电子枪的功率控制在360～600kw，电子束冷床炉内真空度的值小于10.0×10-3hpa。
为保证炉内各区域的熔炼效果和熔炼速度，以及铸锭的质量和成品率，优选地，稳定熔炼阶段中的第一电子枪的功率控制在600～650kw，第二电子枪的功率控制在600～650kw，第三电子枪的功率控制在390～430kw，第四电子枪的功率控制在410～470kw，第五电子枪的功率控制在300～350kw，第六电子枪的功率控制在450～500kw，电子束冷床炉内真空度的值小于8.0×10-3hpa。具体的，本实施例中，第一电子枪的功率控制在620kw，第二电子枪的功率控制在620kw，第三电子枪的功率控制在400kw，第四电子枪的功率控制在420kw，第五电子枪的功率控制在320kw，第六电子枪的功率控制在480kw。
相应的，稳定熔炼阶段中的第一电子枪、第二电子枪、第四电子枪、第五电子枪和第六电子枪的扫描周期均为1.26～1.46s，第三电子枪的扫描周期为1.33～1.53s。
优选的，稳定熔炼阶段中的第一电子枪、第二电子枪、第四电子枪、第五电子枪和第六电子枪的扫描周期均为1.36s，第三电子枪的扫描周期为1.43s。
利用本发明于实际生产中应用时，电子枪的扫描轨迹位置可根据进料的位置进行调整，电子枪的功率大小的设置以熔炼过程中初炼冷床上不存积料为准。扫描轨迹大小以电子束熔炼图形能覆盖在初炼冷床锥形海绵钛表面积75％以上为准。
当原料熔炼完后还需要进行补缩，热阴极电子束冷床炉熔炼工艺中补缩工艺如下：
补缩工艺包括将所述第六电子枪的功率控制在400kw，且功率每隔5min降低一次，每次降低20kw。且第六电子枪的x轴、y轴在第六电子枪每次功率降低后同步定量微调收缩图形直至结束。补缩时为防止补缩面出现质量缺陷，要求先降功率，再缩图形。
经过上述备料、搅拌、熔炼三个阶段，铸锭在拉锭室真空冷却至少8h，出锭后空冷至室温后即可得到长方体状ta2铸锭毛锭。该ta2铸锭毛锭沿长度方向上的氧含量浮动范围小于0.04％，保证铸锭化学成分的稳定。然后将该ta2铸锭毛锭进行后续的机加工处理，以得到500mm厚×1436mm宽×6000mm长的ta2铸锭产品。应用本熔炼方法生产ta2铸锭与传统生产方法相比，显著缩减了熔炼工序，整个熔炼过程简单，操作简便，极大提升生产效率，生产的ta2铸锭产品能够有效满足市场需求，提高企业经济效益，提升企业市场竞争优势。
除上述之外，应用本方法生产的ta2铸锭毛锭，通过机加工后，去除的铸锭屑料，还可与一定比例的散状海绵钛和二氧化钛粉进行重新混合，再次加入到热阴极电子束冷床炉内回炉重铸，大幅提升ta2铸锭屑料的利用率，降低ta2铸锭的生产成本，进一步提升企业的市场竞争优势。
本技术方案最大的优点是将熔化、精炼、和凝固分离。炉料进入熔炼区熔化，然后在冷路床(精炼区)精炼，最后在结晶区结晶。熔化的金属熔体在冷床上可停留较长的时间，保证合金元素充分熔化均匀、避免偏析。由于熔体在真空下稍长时间可有效地去除易挥发杂质，使h、cl、ca、mg、k达到很低的水平。在炉床中，由于低密度夹杂，如tin可以熔解或上浮；高密度夹杂，如w、mo、nb、ta或金属间化合物(机加过程中的wc硬质合金刀具)则下沉，黏结在底部凝壳上，使得得到的钛锭相比真空自耗炉减少低密度夹杂以及偏析的能力远超3倍。通过控制功率，结晶器出口的熔体过热度很小，外加熔池浅，有利于获得均质细晶钛锭。除此之外，本技术具有较强的回收残废料能力，从而有助于进一步降低企业生产成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。