本申请涉及一种利用电子束冷床炉熔炼ta10钛合金的方法，属于钛合金领域。
背景技术：
随着钛合金在航空工业中用量的迅速增长，合金的冶金质量显得越来越重要。据各国统计，不少飞行事故是由于钛合金部件的冶金缺陷导致提前失效造成的。为了生产优质高洁净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(简称eb)技术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，对某些用途可以一次熔炼成锭。
ta10钛合金是为了改善纯钛的缝隙腐蚀性能而研制的一种低合金化ti-mo-ni系近α合金，该合金中含有0.3％mo和0.8％ni(质量分数)，不仅强化了合金，而且对高温、低ph值氯化物或弱还原性酸具有良好的抗缝隙腐蚀性能。ta10钛合金具有良好的工艺塑性和焊接性能，在化工、医疗、航空等领域已经得到了广泛应用。
国内eb熔炼技术尚处于起步阶段，在钛及钛合金成形方面尚未形成大规模的应用。宝鸡钛业股份有限公司和云南钛业股份有限公司分别针对ta10钛合金的电子束冷床炉熔炼一次成形工艺进行了研究，研究表明：在利用电子束冷床炉熔炼ta10钛合金的的过程中存在ni元素过度挥发及制备的ta10合金分布均匀性差的问题。
技术实现要素：
根据本申请的一个方面，提供了一种利用电子束冷床炉熔炼ta10钛合金的方法，该方法制备的ta10钛合金元素分布均匀性良好，表面质量好。
所述利用电子束冷床炉熔炼ta10钛合金的方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)将含有钛、镍和钼的物料混合压制成料块，之后干燥；
2)将干燥后的料块利用电子束冷床炉熔炼，即得ta10钛合金；
所述电子束冷床炉熔炼工艺包括启枪阶段、铸锭制底阶段和稳定熔炼阶段；
所述用于启枪阶段和铸锭制底阶段的料块中镍含量为0.85～1.05wt％，用于稳定熔炼阶段的料块中镍含量为0.80～0.90wt％；
所述电子束冷床炉包括依次毗邻的熔化区、精炼区和结晶区，所述稳定熔炼阶段中的熔化区的功率为800～1100kw，精炼区的功率为150～180kw，结晶区的功率为180～210kw。
优选地，所述用于启枪阶段和铸锭制底阶段的料块中镍含量的下限选自为0.87wt％、0.89wt％、0.90wt％、0.92wt％、或0.94wt％，上限选自0.95wt％、0.97wt％、0.99wt％、1.00wt％、1.02wt％或1.04wt％；
所述用于稳定熔炼阶段的料块中镍含量的下限选自0.80wt％、0.82wt％、0.83wt％或0.84wt％，上限选自0.85wt％、0.86wt％、0.87wt％、0.88wt％或0.89wt％。
进一步优选地，所述用于启枪阶段和铸锭制底阶段的料块中镍含量为0.95wt％，所述用于稳定熔炼阶段的料块中镍含量为0.85wt％。
优选地，所述含有钛、镍和钼的物料中的钼元素的含量为0.25～0.35wt％。进一步优选地，所述电子束冷床炉熔炼工艺的物料中的钼元素含量为0.3wt％。
优选地，所述料块的厚度为100-200mm。进一步优选地，所述料块的厚度的下限选自110mm、120mm、130mm、140mm、150mm或160mm，上限选自150mm、160mm、170mm、180mm或190mm。更进一步优选地，所述料块的厚度为170mm。
优选地，所述料块单层进料到所述熔炼区，所述进料速度为8～20mm/min。进一步优选地，所述进料速度的下限选自9mm/min、10mm/min、11mm/min、12mm/min、13mm/min、14mm/min、15mm/min、16mm/min或17mm/min，上限选自12mm/min、13mm/min、14mm/min、15mm/min、16mm/min、17mm/min、18mm/min或19mm/min。更进一步优选地，所述进料速度为14mm/min。
可选地，所述进料到电子束冷床炉熔炼区可以单侧进料和/或双侧进料。根据一种实施方式，进料系统为双侧进料时，每侧的进料速度为4～10mm/min。
可选地，所述料块的规格尺寸的长×宽×厚为：200mm×200mm×170mm，根据一种实施方式，该料块的质量为20kg。
根据电子束冷床炉的进料仓的尺寸大小以及待熔炼的物料的数量，可以将物料压制成若干块厚度相同或不同的料块。优选的，所述若干块料块的厚度相同。可选地，可以采用油压机进行压块操作。
优选地，所述电子束冷床炉熔炼工艺的拉锭速度为1～6mm/min。
更优选地，所述电子束冷床炉熔炼工艺的拉锭速度为3mm/min。
优选地，所述熔化区设置四个第一电子枪、所述精炼区设置一个第二电子枪、所述结晶区设置两个第三电子枪；
所述稳定熔炼阶段中的第一电子枪的电流范围为7.0～9.0a，第二电子枪的电流范围为5.0～6.2a，第三电子枪的电流范围为6.0～7.0a，所述电子束冷床炉内真空度的值小于7.8×10-3torr。第三电子枪的电流范围为6.0～7.0a更有利于ni元素的流动性，增加镍元素分布的均匀性。
更优选地，所述稳定熔炼阶段中的第一电子枪的电流范围为7.8～8.5a，第二电子枪的电流范围为5.8-6.2a，第三电子枪的电流范围为6.3～6.7a，所述稳定熔炼阶段中电子束冷床炉内真空度的值小于6.8×10-3torr。
进一步优选地，所述稳定熔炼阶段中电子束冷床炉内真空度为0.25～0.80pa。更进一步优选地，所述稳定熔炼阶段中电子束冷床炉内真空度为6.0×10-3pa。
可选地，所述启枪阶段中第一电子枪的电流范围为2.0～5.0a，第二电子枪的电流范围为不大于5.0a，第三电子枪的电流范围为0～2.0a，所述启枪阶段中电子束冷床炉内真空度的值小于1.2×10-2torr。
优选地，所述启枪阶段中电子束冷床炉内真空度为1.0×10-2torr。
优选地，所述启枪阶段保持时间为不大于2h。
可选地，所述铸锭制底阶段中的第一电子枪的电流范围为5.0～7.0a，第二电子枪的电流范围为5.0～6.0a，第三电子枪的电流范围为不大于6.5a，所述铸锭制底阶段中的电子束冷床炉内真空度的值小于9.1×10-3torr。
优选地，所述铸锭制底阶段中的电子束冷床炉内真空度为7.5×10-3torr。
优选地，所述铸锭制底阶段的保持时间为不大于50min。
优选地，所述电子束冷床熔炼还包括补缩工艺。
优选地，所述补缩工艺包括将第三电子枪的x轴、y轴每隔一段时间微调收缩图形直至结束。
进一步优选地，所述补缩工艺包括将第三电子枪从6.5a开始以1.3a/8min的速度降低，第三电子枪的x轴、y轴每隔8min微调收缩图形直至结束。
根据本申请的一个实施例，所述补缩工艺包括在稳定熔炼结束后将第三电子枪从6.5a开始以1.3a/8min的间隔均匀降低，每降1.3a将第三电子枪图形x轴、y轴微调收缩图形直至结束，补缩工艺的时间为30-50min，进一步的，补缩工艺的时间为40min。
优选地，将经过电子束冷床熔炼的补缩工艺之后制备的铸锭自然冷却。
优选地，步骤1)中所述干燥烦条件为：温度为100～200℃，时间为1～4h。
更优选地，步骤1)中所述干燥条件为：温度为120℃，时间为2h。
可选地，所述物料包含海绵钛与钼镍合金的混合物，和/或钛钼镍合金。采用钛钼镍合金为原料，是先采用自耗炉制备ti-mo-ni合金铸锭，然后制作合金屑样，最后进行合金配比熔铸ta10钛合金，ti-mo-ni合金更接近基体钛元素的熔点，有利于mo、ni元素的均匀分布，铸造的的ta10钛合金的均匀性更好。
优选地，所述电子束冷床炉的型号为bmo-01。
根据本申请的另一个方面，提供了一种ta10钛合金，所述的ta10钛合金由上述方法制备。
本申请中，电子束冷床炉简称eb。
低密度夹杂简称ldi。
高密度夹杂简称hdi。
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。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的电子束冷床炉熔炼ta10钛合金的方法，解决了ta10钛合金铸锭熔炼过程中镍元素过度挥发及ta10钛合金中元素分布均匀性差的问题，所制得到的ta10钛合金质量合格、成分均匀、表面质量好。
2)本申请所提供的熔炼ta10钛合金的方法，具有熔炼速度快、ta10钛合金铸锭成材率高的有益效果。
3)本申请所提供的ta10钛合金，具有质量合格、成分均匀、表面质量好的有益效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例采用的电子冷束床炉的示意图。
图2a为本申请实施例采用的电子冷束床炉的电子枪部分示意图；图2b为电子枪的照射位置示意图。
具体实施方式
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买，其中海绵钛购自朝阳金达公司，型号为jd1704-233-4，ni-mo合金购自承德天大钒业有限责任公司公司，型号为jnm20170601。
本申请的实施例中使用的电子束冷床炉为青海聚能钛业股份公司的bmo-01型号的电子束冷床炉。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用onh2000氧氮氢分析仪进行氧、氮、氢元素含量分析。
利用hcs140红外碳硫仪进行碳元素含量分析。
利用美国pe公司的icp-7300v电感耦合等离子发射光谱仪进行镍、钼元素含量的分析。
下面结合实施例和附图详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例和附图。
本申请实施例采用的电子束冷床炉的示意图如图1所示，料块4放置在进料器3中，进料器3上的推料杆运送料块4进入熔化区，电子枪6照射物料4熔化，监控器7对熔化过程进行监控，钛液从融化区流入冷床2，在融化区与冷床之间设置挡板5以控制流入冷床2的钛液的液面高度，钛液从冷床2流入结晶器1中在电子枪6的照射下进行结晶，之后流入铸锭9，钛液在电子枪6的照射下进行铸锭，通过结晶器液位监控器8监测结晶器液位。
图2a为本申请实施例采用的电子束冷床炉的电子枪部分示意图，图2b为电子枪的照射位置示意图。本申请实施例中采用的电子束冷床炉包括依次毗邻的熔化区、精炼区和结晶区，所述熔化区设置四个第一电子枪照射的位置10，将四个第一电子枪分别记为1～4#电子枪；所述精炼区14设置一个第二电子枪照射的位置11，第二电子枪记为5#电子枪；所述结晶区设置两个第三电子枪照射的位置12，两个第三电子枪分别记为6#和7#电子枪，在放置料块的位置每侧放置三个料箱。
在下述实施方式中，电子枪的电压为30v，电子枪分工如下：
1)加热原料，使其熔化为液态金属并流入冷床(1～4#电子枪)；
2)加热冷床前端液态金属，清除浇口中的炉瘤，使熔体流入结晶器(深5#电子枪)；
3)加热结晶器中液态金属，保证液面温度均衡，避免出现冷格(6～7#电子枪)。
实施例1料块1#～5#、对比样料块d1#-d2#的压制
将含有钛、镍和钼的原料混合后制成相同的准确质量的原材料块，将原材料块压制成特定尺寸规格的料块，烘干。料块1#～5#的物料的组成及制备条件如表1所示。
表1
以料块1#为典型代表说明料块的制备方法，制备过程如下：
a.将海绵钛(0级)、ni-mo中间合金重量共计640kg的物料，经混料后全部压制为原材料块,重量为20kg/块(其中海绵钛19.77kg，中间合金0.23kg)，共计32块；
b.压制合金料块规格尺寸为：200mm×200mm×170mm；
c.各电子称使用前必须校准，并用试重块检测测量精度，合金包称重装袋完毕后，需进行复称；料块压制完毕后，使用100kg电子称，按照100％比例抽检料块重量，并做记录，使用电子吊秤对料块总重量称量，并做记录；
d.将压制钛砣放入烘箱中烘烤，温度设定120℃，运行2小时。
实施例2料块1#～5#、对比样料块d1#～d2#的进料方法
将制备的料块1#～5#、对比样料块d1#～2#分别码放入如表2所示电子束冷床熔炼炉的进料器3上进行ta10钛合金的熔炼，以料块1#为典型代表说明料块的码放规则，码放要求为：
a.码放总体要求
左侧码放规则：每排4块，单层摆放，合计码放16块合金料块，共计4排；
右侧码放规则：每排4块，单层摆放，合计码放16块合金料块，共计4排。
b.具体码放位置示意如表2所示：(a代表启枪和铸锭制底阶段的进料料块，b代表稳定熔炼阶段的进料料块)
表2
实施例3铸锭1#～5#、对比样铸锭d1#～d2#的制备
将实施例1制备的料块1#～5#、对比样料块d1#～2#按照实施例2的码放规则放在进料器后，在电子束冷床炉内通过下属步骤熔炼制备铸锭，分别标记为铸锭1#～5#、对比样铸锭d1#～d2#，该电子束冷床炉熔炼工艺包括下述阶段：
(1)启动电子枪阶段
启枪阶段：加热冷凝壳且不使其熔化，观察炉内真空变化情况。烘炉期间应严格控制1～5#枪电流范围不大于5.0a；同时应启动6～7#枪的电流范围不大于2.0a进行预热底托。确认所有电子枪状态无异常且炉内真空较为稳定后，进一步提高电流熔化冷凝壳，炉内真空度为1.0×10-2torr。
(2)铸锭制底阶段
制作托底阶段：冷凝壳表层完全熔化后开始进料，1～4#电子枪尽量保持同步提升且电流不宜过高，1～4#电子枪电流设定为6.0a，5#电子枪电流设定为5.5a；左右进料速度尽可能保持一致；制底过程中平稳提升6#、7#枪电流，设定电流为6.3a；制底完成后不冷却，铸锭下拉直接进入熔炼阶段，炉内真空度为7.5×10-3torr。
(3)稳定熔炼阶段
稳定熔炼阶段，1～4#电子枪电流设置为8.0a，尽量保持左右两侧进料速度保持一致；精炼区5#电子枪电流设置为5.5a，保证杂质元素的顺利去除；进入稳定熔炼工况后微调(降低)6#、7#电子枪电流，设置为6.5a，控制6#、7#枪扫描轨迹，使其在结晶器中心部位不重叠。稳定熔炼期间合理分配电子枪扫描图形，保证冷床及结晶器内无冷区，炉内真空度为6.0×10-3torr。
(4)补缩阶段
熔炼结束后6#、7#电子枪电流控制在6.5a左右，6#、7#电子枪电流和扫描范围间隔相等时间均匀减小，每隔相同的时间间隔，微调6#、7#枪平稳缓慢从边缘向中心缩小，直至熔池消失。
(5)出锭
铸锭通氩冷却3小时后放气，安全出锭。
以铸锭1#为典型代表说明熔炼铸锭的工艺过程，铸锭1#的制备过程为：
(1)2017年8月22日15:15时电源柜启动，随后逐渐提升1～5#电子枪电流。
(2)15:20时启动6#、7#电子枪。
(3)16:35时合金液第一次流入结晶器。
(4)17:05时第一次拉锭。
(5)18:40左侧推料杆停止推料。
(6)18:45右侧推料杆停止推料。
(7)18:50时物料熔化完毕，随即关闭1～5#电子枪，并开始补缩。
(8)19:30时补缩结束，补缩时6～7#电子枪电流为5a，每8分钟降低1a，降完电流后6、7#图形x轴、y轴微调收缩图形，直到结束。
(9)机加工
①毛锭重量为618.5kg，尺寸为420×1320×250mm；其中，初始建壳重量为195kg，更新后的建壳重量为205kg，整个熔炼阶段，挥发喷溅损失的合金重量为11.5kg，挥发喷溅损失率为1.8％。
②根据要求完成了铸锭铣削与锯切加工，头部锯切量为30mm，尾部锯切量为80mm。实验成品锭重量为450kg(取样、刨铣之后称重)，尺寸为310×1310×245mm。
实施例4铸锭1#-5#、对比样铸锭d1#～d2#熔炼工艺的稳定性
铸锭1#-5#、对比样铸锭d1#～d2#的熔炼过程的工艺稳定性进行测试，分析熔炼期间进料速度与拉锭速度稳定性，以铸锭1#的熔炼工艺说明熔炼工艺的稳定性。实施例3的铸锭1#的制备过程中的铸锭制底阶段与稳定熔炼期间进料与拉锭速度变化参数如表4所示。
表4熔炼期间的工艺参数
根据上述参数，可知：
(1)整个正常熔炼期间，左右两侧进料速度的调整基本保持同步，基本控制在4～10mm/min之间，平均进料速度为7mm/min。
(2)拉锭速度波动较大，呈现出阶段性先增后降的趋势，平均拉锭速度为3mm/min。
实施例5铸锭1#-5#、对比样铸锭d1#～d2#的化学成分分析
铸锭的化学成分分析的取样方法为：铸锭加工车间在机加工后的铸锭的六个面上及铸锭切面上均设置取样点，取样点的设置可准确的反应出铸锭的化学成分的分布情况。
用onh2000氧氮氢分析仪检测o、n含量，并按取样量的20％抽检氢含量。用hcs140红外碳硫仪按取样量的20％抽检含碳量。在铸锭两个大面及顶面上做好取屑样的标识。使用立铣刀在取样点上钻铣屑样。使用美国pe公司的icp-7300v电感耦合等离子发射光谱仪分析镍、钼的化学成分。
分别对铸锭1#～5#、对比样铸锭d1#～d2#的化学成分分析，在铸锭的任一表面的从距铸锭的头部70mm处、距铸锭的头部140mm处、距铸锭的头部210mm处、距铸锭的头部280mm处取样。以铸锭1#为本申请制备的铸锭的典型代表，其化学成分具体检测结果如表5所示，对比样铸锭d1#的化学成分具体检测结果如表6所示，对比样铸锭d2#的化学成分具体检测结果如表7所示。
表5铸锭1#化学组成
由表5可知，铸锭1#中，mo元素含量平均值为0.30％，标准偏差为0.019；ni元素含量平均值为0.76％，标准偏差为0.034；所有元素均符合国标，且均匀性良好。各元素分布整体较为均匀，铸锭化学成分较为稳定，且均符合国标要求。取样点6、7、8位于铸锭制定阶段，ni元素平均含量为0.75％，原材料配料值为0.95％，挥发损失为21％。取样点1～5位于正常熔炼阶段，ni元素平均含量为0.77％，原材料配料值为0.85％，挥发损失为9％。故铸锭制底阶段，ni元素挥发损失率约为21％，正常熔炼阶段，ni元素挥发损失率约为9％。
表6对比样铸锭d1#化学组成
表7对比样铸锭d2#组成
从表6和7可以看出，对比样铸锭d1#与对比样铸锭d2#比本申请的制备的铸锭的表面元素分布均匀性较差，尤其是镍元素的分别均匀性差。
实施例6铸锭1#-5#、对比样铸锭d3#的ni元素损失测试
对铸锭1#-5#的制备过程中的ni元素损失率进行测试，在铸锭制底阶段，ni元素挥发损失率约为21％，正常熔炼阶段，ni元素挥发损失率约为9％。
对比样铸锭d3#与铸锭1#的制备方法不同，不同之处：铸锭制底阶段的1～4#电子枪的电流为4.5a，5#电子枪的电流设定为6.5a，6#、7#电子枪的设定为5.5a；在稳定熔炼阶段的1～4#电子枪的电流设为6.5a，5#电子枪的电流设为6.7a，6#、7#枪的电流范围设为5.5a。
对铸锭d3#的化学成分进行检测。如表8所示：
表8对比样铸锭d3#组成
对铸锭d3#的制备过程中的ni元素损失率进行测试，铸锭d3#在制备过程中的铸锭制底阶段，ni元素挥发损失率约为35％，正常熔炼阶段，ni元素挥发损失率约为22％。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。