一种超大规格TC4钛合金铸锭电子束熔覆表面处理方法与流程

本发明涉及钛合金铸锭表面处理，是一种超大规格tc4钛合金铸锭电子束熔覆表面处理方法。

背景技术：

1、随着航空航天、海洋工程、核电装备等高端装备领域的快速发展，市场对大尺寸、高纯度、高一致性大型钛材构件的需求持续攀升，单重20吨以上的超大规格tc4钛合金铸锭作为核心坯料成为行业发展趋势。目前超大规格tc4钛合金铸锭主要采用大型真空自耗电弧炉（var）熔炼制备，但受超长熔炼周期、巨大热应力、结晶器刚性约束等工况影响，铸锭表面极易产生氧化皮、皱皮、冷隔、微裂纹、折层、皮下缩孔等各类缺陷，必须经过表面精整处理后才可用于后续锻造、轧制加工。

2、行业传统表面精整方式为机加工车削扒皮工艺，该工艺应用于20吨以上超大规格铸锭时存在诸多致命缺陷：1.材料损耗极大，超大规格铸锭扒皮去除厚度普遍达6mm以上，单锭钛材损耗量巨大，成材率偏低，经济损失显著；2.加工难度高、效率低，超大规格铸锭的装夹、对中、高精度切削对设备精度、工装夹具要求严苛，单锭加工周期长，生产效率无法满足规模化生产需求；3.破坏铸锭基体完整性，切削加工会切断铸锭表层连续组织，且切削钛屑回收易污染、回收成本高昂；4.质量稳定性差，大尺寸铸锭切削过程中易出现局部过切、欠切，后续二次返工概率高。

3、现有电子束熔覆表面处理技术多针对扁锭、中小规格圆锭开发，无法适用于20吨以上超大规格钛合金圆锭的表面处理。超大规格铸锭具有外形尺寸大、热容量大、导热滞后、表面缺陷分布不均的特点，直接套用现有扁锭的电子束熔覆表面处理工艺存在以下技术瓶颈：1.热积累与热扩散失衡，巨大热容量导致熔覆热量难以快速散失，易造成熔池过深、热影响区扩大、基体组织异变；2.热应力与变形控制难度大，表层高温熔覆与芯部低温基体形成极大温差，易引发铸锭弯曲变形、熔覆层开裂；3.熔覆均匀性差，大尺寸铸锭旋转、电子束扫描协同控制精度要求极高，传统工艺无法保证熔覆层厚度、搭接区域一致性；4.工艺适配性不足，铸锭轴向不同区段缺陷类型、严重程度差异显著，统一工艺参数无法兼顾各段表面的实际精整需求。

4、综上，目前行业缺乏适配超大规格tc4钛合金铸锭的专用电子束熔覆工艺，无法实现传统扒皮工序的高效、高质量替代，亟需开发针对性的成套处理工艺。因此，本领域技术人员提供了一种超大规格tc4钛合金铸锭电子束熔覆表面处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超大规格tc4钛合金铸锭电子束熔覆表面处理方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有超大规格钛合金圆锭仅能通过车削加工进行表面处理，存在的材料损耗极大、生产效率低下、破坏铸锭本体完整性、钛屑易因污染而增大回收成本、切削液清洗困难影响产品纯度的问题。

2、本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种超大规格tc4钛合金铸锭电子束熔覆表面处理方法，包括以下步骤：

3、步骤s1.铸锭表面状态检测与分段规划：将超大规格钛合金铸锭冷却至室温，所述超大规格钛合金铸锭的材质为tc4钛合金，所述铸锭的单重≥20吨，所述铸锭的规格为直径尺寸φ1200-φ1260mm，对铸锭进行全表面缺陷检测，标记缺陷类型、分布及严重程度，根据表面状态将铸锭沿轴向划分为若干熔覆区段，所述熔覆区段包括高能量输入段、标准能量输入段，其中表面状态存在缺陷较集中、表面氧化皮较厚的区段划定为高能量输入段，表面状态合格的区段划定为标准能量输入段，相邻熔覆区段之间设置重叠区；

4、步骤s2.装炉抽真空：将铸锭吊装至真空电子束焊箱的炉内台车的托辊上，调整托辊位置使铸锭心轴线与设备旋转轴线重合，控制铸锭旋转时的同轴度偏差，关闭焊箱真空炉室的炉门后逐级抽真空，维持炉内高真空稳定状态；

5、步骤s3.电子束系统调试：启动真空电子束焊箱的电子束焊枪进行预热，校准电子束聚焦系统，优化束斑尺寸与扫描图形参数，适配超大规格钛合金铸锭的表面曲率；

6、步骤s4.分段试熔与参数优化：在各熔覆区段边缘区域试熔，分别对高能量输入段、标准能量输入段设置不同的熔覆工艺参数，根据该熔覆区段的熔池铺展、流动、成型状态，优化调整电子束焊枪的电子束输入功率、旋转速度、炉内台车的行走速度等熔覆工艺参数，直至熔池稳定、铺展均匀、无异常飞溅；

7、步骤s5.分段电子束表面熔覆：采用先铸锭两端后铸锭中部、左右两边交替作业的顺序依次完成各区段熔覆，熔覆过程中通过区段间歇真空冷却法、段首尾功率渐变过渡法，抑制热应力积累与铸锭变形；

8、步骤s6.重叠区二次熔覆：对重叠区在相邻区段熔覆完成后，采用与相邻区段相匹配的熔覆工艺参数进行低功率二次熔覆，以确保重叠区的熔覆层连续、无断层、无未熔合；

9、步骤s7.随炉缓冷定型：熔覆作业全部完成后，逐步降低电子束焊枪功率至零，关停电子束焊枪，铸锭在真空环境下低速缓冷至低温状态后破空出炉。

10、下面是对上述申请技术方案的进一步优化或/和改进：

11、进一步的，作为优选，所述步骤s1中，对铸锭进行全表面缺陷检测为，通过便携式表面检测设备进行缺陷检测，所述便携式表面检测设备包括便携式金相显微镜和便携式超声波探伤仪；所述熔覆区段的划分方法为，遵循gb/t 26060-2010《钛及钛合金铸锭》中关于铸锭表面质量的要求，当铸锭圆周表面的区段不存在残留冷隔、夹层、疏松等缺陷，或虽存在少量气孔但气孔深度和直径不大于5 mm时，或铸锭表面粗糙度小于等于12.7μm时，该区段划定为标准能量输入段，当铸锭圆周表面的区段存在氧化皮较厚，或者存在残留冷隔、夹层、疏松等缺陷，或者铸锭表面粗糙度大于12.7μm时，该区段划定为高能量输入段。

12、进一步的，作为优选，所述步骤s1中，所述重叠区的宽度尺寸为50-150mm。

13、进一步的，作为优选，所述步骤s2中，铸锭旋转时的同轴度偏差控制在±5mm以内，炉内漏率≤0.1pa/min，炉内真空度≤2×10⁻²pa。

14、进一步的，作为优选，步骤s5中所述区段间歇真空冷却法为，每完成一个熔覆区段的作业后，暂停熔覆作业，保持真空环境下自然冷却5-15分钟，待该区段表层温度降至300-400℃后再进行下一区段的熔覆作业；所述段首尾功率渐变过渡法为，在每一熔覆区段的起始端和终止端，以及与相邻区段的重叠区，采用功率线性渐变方式，令功率在2-5秒内线性上升或下降至目标值，杜绝能量突变引发的局部热冲击与热应力集中。

15、进一步的，作为优选，步骤s6中重叠区的低功率二次熔覆的熔覆功率相较于首次熔覆工艺参数降低5%-15%。

16、进一步的，作为优选，步骤s7中随炉缓冷总时长不少于120分钟，冷却速率≤3℃/min，铸锭降温至100℃以下才可破空出炉。

17、进一步的，作为优选，步骤s4中高能量输入段的熔覆工艺参数为：熔覆电压25-30kv，熔覆电流3.0-4.0a，旋转速度2.0-3.0mm/s，行走速度0.10-0.15mm/s；标准能量输入段的熔覆工艺参数为：熔覆电压22-25kv，熔覆电流2.0-3.0a，旋转速度2.5-3.5mm/s，行走速度0.15-0.20mm/s；所述高能量输入段与标准能量输入段的功率密度差异控制在20%-30%，以保证不同熔覆区段之间的熔覆层深度和质量平滑过渡。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、本发明的方法首创20吨以上超大规格tc4钛合金圆锭专属电子束熔覆成套工艺，填补行业大规格钛锭无成熟熔覆替代车削扒皮工艺的技术空白，实现车削扒皮工艺的完全替代；建立缺陷适配型分段差异化熔覆体系，突破了超大规格铸锭的统一参数处理思路，根据铸锭轴向各段表面缺陷的类型和严重程度，将铸锭划分为不同熔覆区段，分别设定差异化的能量输入参数，使高能量输入段与标准能量输入段的功率密度差异控制在20%～40%，实现了“重缺陷重处理、轻缺陷轻处理”的精准熔覆，既保证了缺陷的充分修复，又避免了过度加热导致的组织损伤和能源浪费，实现精准靶向缺陷修复，兼顾表面质量与加工能效；研发三位一体热应力协同控制技术，通过交替熔覆、段间歇真空冷却、功率渐变过渡的组合策略，彻底解决超大规格铸锭热积累、热变形、熔覆层开裂难题；构建了重叠区二次补熔工艺体系，解决分段熔覆的搭接断层、厚薄不均行业痛点，实现铸锭全表面熔覆层无缝衔接、厚度均匀一致。

20、本发明的方法仅对铸锭表层4-8mm厚度区域重熔，不引入任何外加材料，铸锭整体化学成分不受影响，无需切削去除基体金属，20吨级铸锭成材率由传统91%提升至95%以上，极大降低原材料成本；电子束熔覆连续作业性强，无需复杂装夹切削，整体精整作业效率较传统车削扒皮工艺提升60%以上，大幅缩短生产周期、提高设备利用率。

21、本发明的方法采用差异化能量输入可彻底消除氧化皮、冷隔、皱皮、微裂纹、皮下缩孔等各类表面缺陷，熔覆层致密均匀，无需二次机加工即可满足锻造使用要求；全程高真空作业，无增氧、增氮风险，仅表层重熔、不引入外加材料，铸锭整体化学成分、基体力学性能保持稳定；热应力协同控制策略有效抑制铸锭弯曲变形、熔覆层开裂问题，保障铸锭几何尺寸精度与基体组织连续性。