一种利用电子束对钛合金铸锭进行周向扫描轴向步进式环形熔整的工艺的制作方法

本发明属于钛合金材料加工，涉及钛合金表面缺陷祛除工艺，具体涉及一种利用电子束对钛合金铸锭进行周向扫描轴向步进式环形熔整的工艺。

背景技术：

1、钛合金因其比强度高、耐腐蚀性能优异，在航空航天、海洋工程、生物医疗等领域得到广泛应用。钛合金铸锭通常经真空自耗电弧炉（var）或电子束冷床炉（ebchm）二次或三次熔炼获得，铸锭表面不可避免地存在气孔、缩孔、微裂纹以及因与坩埚接触形成的凝固壳层。这些缺陷若不清除，后续锻造或轧制过程中易扩展成为宏观裂纹，降低成材率，甚至导致加工件不能达到预期重量而报废。

2、为去除这些表面缺陷，传统方法主要依赖后续的机械加工，如车削、磨削等。这种方式存在显著不足：首先，材料损耗巨大，扒皮量通常为铸锭重量的3%～5%，金属损失显著；其次，加工周期长，影响生产效率，且车削过程中易产生加工硬化层，影响后续热加工；最后，机械扒皮难以彻底消除所有微观缺陷，裂纹根部可能残留，为后续加工或使用埋下隐患。因此，开发一种高效、低损耗的铸锭表面处理技术具有重要的应用价值。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种利用电子束对钛合金铸锭进行周向扫描轴向步进式环形熔整的工艺，解决现有技术中钛合金铸锭表面处理技术中材料损耗大、加工周期长、生产效率低的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种利用电子束对钛合金铸锭进行周向扫描轴向步进式环形熔整的工艺，该工艺通过电子束对铸锭表面进行快速、精确的扫描熔化，以消除表面缺陷，获得高质量的光滑表面。该工艺适用于后续第一道次变形为拔长的短粗铸锭，尤其适用于长径比小于2:1的铸锭。

4、具体的，该工艺包括：首先驱动铸锭做正向螺旋运动并在此运动状态下进行首次熔整，直至电子束覆盖铸锭整个柱面；然后驱动铸锭做反向螺旋运动并在此运动状态下进行二次反向熔整，直至电子束覆盖铸锭整个柱面。其步骤如下：

5、步骤一，出炉铸锭表面清理：待熔整铸锭经熔炼出炉后对铸锭表面进行清理，以去除表面附着的凝结物及熔炼过程中产生的氧化物鳞屑。

6、步骤二，铸锭烘烤：将清洗后铸锭放入电阻炉中保温；或直接使用出炉带余热的铸锭。

7、步骤三，原料装炉：采用带有v型旋转滚轮的台车装载并运输铸锭，运输过程中保证铸锭轴线与台车行走方向平行；运抵炉前后，将铸锭及台车送入炉内。

8、步骤四，炉室抽空及测漏：抽真空，使炉室处于真空状态；随后检测漏率，若漏率达标，则维持当前真空状态；若漏率超标，则需要检漏、漏点处理并重新抽真空。

9、步骤五，铸锭脱气：设置电子枪为小电流大图形模式；然后启动电子枪，对铸锭表面进行快速加热以脱除气体。

10、步骤六，参数设置：调整电子枪束斑与铸锭端面距离，设定熔整电子枪参数和熔深目标。

11、步骤七，铸锭表面熔整：

12、步骤7.1，熔整前准备：启动1～3把电子枪协同作业，分别调整电子枪在铸锭长度方向平均分布，调整束斑位置至铸锭顶部正中，采用圆形扫描模式。

13、步骤7.2，首次熔整：启动台车滚轮旋转以带动铸锭旋转，同时启动台车轴向进给以驱动铸锭轴向移动，使铸锭持续作螺旋运动并在该运动状态下对铸锭表面进行熔整，熔整过程中控制相邻熔道重叠1/3～1/4扫描宽度，直至电子束覆盖铸锭的整个圆柱面。

14、步骤7.3，二次反向熔整：首次熔整结束后，调整熔整电子枪电流为首次熔整电子枪电流的0.5倍，调整铸锭旋转速度为首次熔整铸锭旋转速度的2倍，控制台车轴向进给方向反向，进行反向旋进一次并进行熔整，直至电子束覆盖铸锭的整个圆柱面。

15、步骤7.4，端部收尾：在实施步骤7.2和步骤7.3时，于螺旋起始位置和结束位置分别设置延时熔整，停留时间为2～3s。

16、步骤八，熔整后检查及修复：熔整完成后，关闭电子枪，移开观察灯喷溅防护板，打开观察灯并通过防辐射玻璃观察窗及专用摄像头，全方位检查铸锭熔整表面情况；若铸锭表面呈连续银灰色，无中断、缩孔、气孔等缺陷，则符合熔整质量要求，无需进行二次修复；若铸锭表面存在熔整不完全的缩孔或遗漏区域，需对该区域进行记录，调整电子枪参数后，对标记区域进行二次反向熔整修复，修复后再次检查，直至符合质量标准。

17、步骤九，铸锭冷却及出炉：熔整完成后，待铸锭冷却后出炉；冷却过程于真空环境或保护气氛中进行。

18、本发明的还具有如下技术特征：

19、具体的，步骤一中，所述待熔整铸锭为钛合金铸锭，直径为800～1250 mm；所述待熔整铸锭已经过至少一次冷床炉熔炼或二次真空自耗熔炼。

20、具体的，步骤二中，铸锭保温温度和出炉带余热的铸锭的温度均为200～400℃。

21、具体的，步骤三中，台车轴向移动速度设定为4～20 mm/min，滚轮驱动铸锭旋转速度设定为0.1～1 r/min。

22、具体的，步骤四中，真空度≤2.0 pa。

23、具体的，步骤四中，抽真空的具体操作如下：启动粗抽泵组对炉室粗抽至压力低于100 pa，随后开启扩散泵主抽系统，使炉室压力降至所需真空度，扩散泵抽空前需预热。

24、具体的，步骤四中，漏率检测的过程如下：关闭主抽阀，隔离炉室，记录单位时间压力上升值，若漏率大于1.2 pa/min，使用氦质谱检漏仪排查炉门法兰、观察窗、真空阀等部位，修复漏气位置后重新抽空。

25、具体的，步骤五中，电子枪小电流大图形模式的参数如下：小电流为1.7±0.3 a，大图形为长度300～500 mm的矩形图样，优选尺寸为300*50 mm的矩形图样。

26、具体的，步骤五中，加热脱气时间为20～40 min。

27、具体的，步骤六中，调整电子枪束斑与铸锭端面的距离为10～20 mm。

28、具体的，步骤六中，熔整电子枪参数如下：熔整电子枪电流2.1±0.3 a，频率30～100 hz；电子束束斑为矩形或圆形，束斑宽度35～50 mm，熔宽55～75 mm，设定相邻熔道重叠1/3～1/4熔宽，设定熔深目标5～10 mm。

29、具体的，步骤7.1中，使用1～3把电子枪在锭身端部、中点及1/3或2/3位置进行协同，提高作业效率。优选的，使用2把电子枪兼顾效率及稳定性，在熔整接续时保证轨迹重合1/2熔宽以上，保证接续区域的熔整效果。

30、具体的，步骤7.2中，若2把电子枪同时作业，则第一把电子枪螺旋熔整铸锭前1/2，第二把电子枪螺旋熔整铸锭后1/2；若3把电子枪同时作业，则第一把电子枪螺旋熔整铸锭前1/3，第二把电子枪螺旋熔整铸锭后1/3～2/3，第三把电子枪螺旋熔整铸锭后1/3。

31、具体的，步骤7.2中，铸锭旋转的速度为0.1～1 r/min，铸锭轴向移动的速度为4～20 mm/min。

32、具体的，步骤八中，所述观察灯在真空条件下使用，并耐受800℃以下高温。

33、具体的，步骤九中，待铸锭冷却至200℃以下后出炉，冷却时间＞60 min。

34、本发明与现有技术相比的有益技术效果：

35、（ⅰ）本发明通过电子束熔整技术对铸锭表面进行重熔处理，而非传统的机械去除方式，能够完全熔化并消除铸锭表面的氧化皮、微裂纹、气孔、缩孔等缺陷，形成一层致密、光滑、连续的银灰色金属表层。熔整后的铸锭表面光滑无裂纹，粗糙度低，无需后续打磨，为后续的锻造、轧制等加工工序提供了高质量的原料，有助于提升最终产品的性能。

36、（ⅱ）与现有机械扒皮工艺相比，电子束熔整避免了扒皮去除量通常占铸锭3%～5%所带来的物料损失，使铸锭成材率提高3%～5％，大幅降低材料损耗和生产成本。同时，传统铸锭生产周期约10天，其中表面机加工需3天，采用电子束熔整可缩短生产周期25％以上。

37、（ⅲ）本发明的电子束熔整策略能够彻底消除表面缺陷，微裂纹、气孔、缩孔被完全熔化封闭，而机械加工难以去除裂纹根部。此外，利用铸锭余热装炉并配合真空缓慢冷却，可有效避免钛合金马氏体相变裂纹的产生。

38、（ⅳ）本发明的工艺自动化程度高，整个过程通过程序精确控制电子束和铸锭的运动，操作简单，重复性好，易于实现工业化生产。针对不同长径比的铸锭，提供了两种优化的熔整扫描模式及详细的工艺参数范围（包括电流、速度、步距、转速等），确保各种规格铸锭均能获得均匀、高质量的熔整效果。通过偏移电子束、优化重叠量及反向二次熔整等工艺控制，可获得连续、光洁、低粗糙度的银灰色表面，工艺适应性强，便于推广应用。