CN119876628A - 一种tc4钛合金铸锭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TC4钛合金铸锭的制备方法，根据TC4钛合金铸锭目标成分确定使用的残废料成分范围；将残废料和铝棒均匀布置于电子束冷床炉进料槽中；通过电子束冷床炉进行一次熔炼，制备一次铸锭；真空自耗电弧炉对一次铸锭进行熔炼，制备TC4钛合金铸锭。在布料前对Al元素熔炼中的损失量进行计算，并在布料时进行补充，以弥补Al元素在EB熔炼中的过损耗，提高铸锭质量；通过铝棒均匀分布于进料槽内部，使得铝元素的烧损均衡，铸锭中铝元素分布均匀，进而改善宏观偏析的现象。

Description

一种TC4钛合金铸锭的制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金铸锭技术领域，具体涉及一种TC4钛合金铸锭的制备方法。

背景技术

随着钛合金产品在航空航天、医疗器械、高端装备制造等众多领域的广泛应用，生产过程中产生的TC4残废料数量也日益增多。需要对这些TC4残废料进行回收再利用，以便有效降低生产成本。电子束冷床熔炼技术因其具有高真空度、高能量密度、熔池温度可控性好等特点，用于对TC4残废料进行高效熔化和精炼。

现有技术中，由于高温及真空环境等因素影响，铝元素在电子束冷床熔炼TC4残废料过程中会发生挥发现象。为了抵消铝元素的挥发量，保证最终铸锭的成分符合要求，需要加入纯铝原料。现有加入纯铝原料的方法导致生产成本增加、工艺控制难度大、铝元素在铸锭熔炼过程中难以实现均匀分布。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种TC4钛合金铸锭的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种TC4钛合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：

根据TC4钛合金铸锭的目标成分范围确定TC4残废料的成分范围；

将所述TC4残废料和铝棒均匀布置于电子束冷床炉的进料槽；通过电子束冷床炉对位于进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼，以制备一次铸锭；

通过真空自耗电弧炉对所述一次铸锭进行熔炼，以制备所述TC4钛合金铸锭。

进一步的，通过所述电子束冷床炉对位于所述进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼的步骤，包括：通过所述电子束冷床炉的电子枪对位于所述进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼；所述电子枪包括第一电子枪、第二电子枪和第三电子枪；所述第一电子枪用于将残废料熔化为钛液；所述第二电子枪用于对所述钛液进行精炼；钛液进入所述电子束冷床炉的结晶器以形成熔池，所述第三电子枪用于对熔池表面加热。

进一步的，所述第一电子枪的第一扫描图像为螺旋形；所述第二电子枪的第二扫描图像在方形和T形之间切换。

进一步的，四把所述第一电子枪的第一扫描区域关于所述电子束冷床炉的冷床对称设置；所述第二电子枪的第二扫描区域与设所述冷床的中心轴线重合。

进一步的，所述第三电子枪包括第一枪和第二枪，所述第一枪的第三扫描区域呈圆形，所述第三扫描区域的圆心与所述结晶器的圆心重合，所述第二枪的第四扫描区域呈环形，位于结晶器边缘和所述第三扫描区域之间。

进一步的，通过所述电子束冷床炉进行熔炼的拉锭速度为10-15mm/min。

进一步的，所述铝棒长度为50-100mm；所述进料槽尺寸规格为长5000-6000mm，宽600-800mm，高400-600mm。

进一步的，所述铝棒的横截面呈多变形。

进一步的，所述铝棒的质量占铝棒和TC4残废料质量之和的0.7-1.0%。根据计算得到铝棒总投加量，按重量平均分成若干个长度、直径相等的铝棒。

进一步的，将所述TC4残废料和铝棒均匀布置于电子束冷床炉的进料槽的步骤之前，还包括：对所述铝棒进行酸洗，以去除所述铝棒的氧化层。

在进料槽内放置回收料和铝棒，形成回收料层和铝棒层，使回收料层和铝棒层交错间隔设置，并且使进料槽的底层和顶层均为回收料层；

所述回收料层内以堆垛、间隙填充的方式堆积有一定高度的回收料块料或屑料；所述铝棒层内平行设有若干条铝棒，铝棒之间由回收料填塞密实，铝棒沿平行于进料槽长度方向排列布置；将计算重量的铝棒在进料槽高度方向分布为若干层，在水平方向上各层内的铝棒呈阵列状均匀分布。

一次铸锭的直径为650mm，使用直径720mm的坩埚对一次铸锭进行二次VAR熔炼，熔炼电流25-29KA，熔炼电压30-35V；最终得到直径为700±10mm的成品铸锭。

进一步的，通过真空自耗电弧炉对所述一次铸锭进行熔炼时，在熔炼过程中使用电磁搅拌装置，增强熔体对流，促进合金元素均匀分布；所述电磁搅拌包括装置设置在真空自耗电弧炉的水套外部的电磁搅拌线圈，将所述电磁搅拌线圈与电源连接，通过调节所述电磁搅拌线圈的电流大小和方向使钛合金熔池内金属液体运动，所述电流为10-20A。

进一步的，在电子束冷床炉进行一次熔炼中，电子束冷床炉设有晶体振荡器和机械连接装置，所述机械连接装置与电子束冷床炉的底托相连接，所述机械连接装置与所述晶体振荡器连接，晶体振荡器产生的机械振动通过机械连接装置以相应的频率、振幅带动底托进行振荡，以使钛合金熔池内金属液体运动。

本发明的优点和有益效果在于：本发明一种TC4钛合金铸锭的制备方法在布料前对Al元素在EB熔炼过程中的损失量进行精确地分析计算，并且在布料时进行对应补充，从而弥补了Al元素在EB熔炼过程中的过损耗，进而使熔炼铸锭后形成的铸锭中Al元素含量保持在预设的范围内，从而提高了铸锭的质量；并且通过铝棒均匀分布于进料槽内部空间，使得铝元素的烧损更加均衡，铸锭中铝元素分布均匀，进而改善宏观偏析的现象。

附图说明

图1是本发明的制备流程示意图；

图2是本发明中进料槽的横截面示意图；

图3是本发明中进料槽的俯视图；

图4是本发明中铝棒的一种截面形状图；

图5是第一电子枪的扫描轨迹图；

图6是第二电子枪的T形扫描轨迹图；

图7是第二电子枪的方向扫描轨迹图；

图8是第三电子枪的扫描区域图；

图9是电子束冷床炉的铸锭步骤示意图；

图10是本发明中对两次铸锭产品进行取样的位置图；

图11是本发明中VAR炉中楔块的放置示意图；

图12是本发明中VAR炉中楔块的结构示意图一；

图13是本发明中VAR炉中楔块的结构示意图二；

图中：1、进料槽；2、铝棒；3、回收料层；4、铝棒层；5、TC4残废料；6、第一电子枪扫描轨迹；7、第二电子枪的T形扫描轨迹；8、第二电子枪的方形扫描轨迹；9、第三扫描区域；10、第四扫描区域；11、熔炼区；12、冷床；13、精炼区；14、结晶区；31、楔子；32、底板；33、第一侧板；34、第二侧板；35、肋板；36、刻度线；37、减重孔；38、自耗电极；39、结晶器；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种TC4钛合金铸锭的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

根据TC4钛合金铸锭的目标成分范围确定TC4残废料的成分范围；

将所述TC4残废料和铝棒均匀布置于电子束冷床炉的进料槽；通过电子束冷床炉对位于进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼，以制备一次铸锭；

通过真空自耗电弧炉对所述一次铸锭进行熔炼，以制备所述TC4钛合金铸锭。

本申请提供的TC4钛合金铸锭的制备方法，通过根据TC4钛合金铸锭的目标成分范围精准确定TC4残废料的成分范围，实现了对残废料的高效利用。相比于传统方法中直接使用高成本纯铝原料来抵消铝元素挥发损失，本申请通过加入铝棒抵消铝元素挥发损失。传统方法中通常使用加入铝豆的方式补充Al元素，其需要通过加入铝豆和海绵钛的添加并压制形成电极；本实施例中通过铝棒的形式补充Al元素，则可以不用再外加海绵钛，从而提高TC4残废料的加入量，进而可以达到提高回收比的效果。

通过均匀布置TC4残废料和铝棒有助于在电子束冷床熔炼过程中形成稳定的熔池状态，使热量传递和物质熔化更加均匀，有效解决了传统纯铝原料在熔炼中因熔化速度和扩散行为差异导致的铝元素分布不均匀问题，确保了铝元素在熔池中均匀分布，制备出铝元素高度均匀分布的TC4钛合金铸锭，提高铸锭的整体质量和性能均匀性。

进一步的，通过所述电子束冷床炉对位于所述进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼的步骤，包括：通过所述电子束冷床炉的电子枪对位于所述进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼；所述电子枪包括第一电子枪、第二电子枪和第三电子枪；所述第一电子枪用于将残废料熔化为钛液；所述第二电子枪用于对所述钛液进行精炼；钛液进入所述电子束冷床炉的结晶器以形成熔池，所述第三电子枪用于对熔池表面加热。

通过设置第一电子枪专门用于将TC4残废料熔化为钛液，第二电子枪对钛液进行精炼，实现了熔化和精炼过程的分工协作。第一电子枪能够以合适的功率和扫描方式快速将残废料熔化，形成初步的钛液。随后，第二电子枪对钛液进行深度精炼，去除其中的杂质元素（如氧、氮、碳等间隙杂质以及其他微量有害元素），确保钛液的纯度。这种协同工作方式使得精炼过程更加高效、彻底，能够有效提高TC4钛合金铸锭的纯净度。

第三电子枪对熔池表面加热，精确控制熔池表面的温度分布，使熔池表面保持适当的温度梯度。在结晶过程中，均匀的温度梯度有助于促进铸锭凝固速度均匀，避免因局部温度变化过快导致的凝固不均匀现象，造成成分和组织偏析等问题，提高铸锭成分均匀性，提高铸锭的整体质量，减少内部缺陷的产生，增强铸锭在后续加工和使用过程中的可靠性。

进一步的，所述第一电子枪的第一扫描图像为螺旋形，第一电子枪在旋转扫描时第一电子枪的扫描移动轨迹如图5所示，第一电子枪在如图5所示轨迹移动过程中画圈扫描进而形成螺旋形往复移动的扫描轨迹，进而形成螺旋形覆盖扫描对原料进行无死角的扫描熔炼；所述第二电子枪的第二扫描图像在方形和T形之间切换。进行精炼操作时，采用方形扫描图像，如图7所示；当钛液开始向结晶器流动时，扫描图像切换为T形，如图6所示。

通过将第一电子枪的扫描图像设计为螺旋形，实现较大范围的扫描，确保TC4残废料在熔化过程中受热均匀，加速残废料的熔化进程，为后续精炼和结晶工序提供充足且均匀的钛液原料。

第二电子枪的扫描图像具有在方形和T形之间切换的功能。在主要进行精炼操作时，采用方形扫描图像，此时电子束能够集中在熔池的特定区域，以较高的能量密度对钛液进行深度精炼，有效去除其中的杂质元素，提升钛液的纯度。当钛液开始向结晶器流动时，扫描图像切换为T形。T形扫描图像的特点在于其能够覆盖从熔池到结晶器溢流口的关键区域，通过对这一区域的有效加热，确保钛液在流向结晶器的过程中保持良好的流动性，防止因温度降低或杂质聚集等原因导致溢流口堵塞，从而保证整个熔炼和结晶过程的连续性和稳定性，有助于获得高质量、内部组织均匀且无缺陷的TC4钛合金铸锭。

进一步的，四把所述第一电子枪的第一扫描区域关于所述电子束冷床炉的冷床对称设置；所述第二电子枪的第二扫描区域与设所述冷床的中心轴线重合。

四个第一扫描区域对称设置的方式能够使TC4残废料在冷床上的各个部位都能得到较为均衡的电子束照射，从而让原料在熔化过程中受热均匀，避免因局部过热或过冷而导致的熔化不均匀现象，有利于提高熔化效率并确保钛液质量的稳定性。第二电子枪的第二扫描区域与冷床的中心轴线重合。当第二电子枪对钛液进行精炼操作时，这种重合的布局设计使得精炼过程能够以冷床中心轴线为核心，均匀地向四周辐射，确保整个熔池内的钛液都能得到充分且均匀的精炼处理。

进一步的，所述第三电子枪包括第一枪和第二枪，所述第一枪的第三扫描区域呈圆形，如图8所示，所述第三扫描区域的圆心与所述结晶器的圆心重合，所述第二枪的第四扫描区域呈环形，位于结晶器边缘和所述第三扫描区域之间。

在电子束冷床炉的电子枪设置中，第三电子枪由第一枪和第二枪共同构成。其中，第一枪的第三扫描区域呈现为圆形，并且该圆形的圆心与结晶器的圆心是重合的，如此一来，第一枪在对熔池表面进行加热时，能够以结晶器圆心为中心，向周边较为均匀地传递热量，起到对熔池中心区域加热的作用。

而第二枪的第四扫描区域为环形，其所处位置在结晶器边缘和第一枪的第三扫描区域之间，也就是环绕在熔池中心区域的外侧。这种环形扫描区域与第一枪的圆形扫描区域形成了巧妙的组合搭配。

在实际对熔池表面加热的过程中，通过这样环形和圆形扫描区域相结合的方式，相较于单独仅依靠圆形扫描区域来加热，能够更加全面、均衡地覆盖整个熔池表面，如图9所示，使熔池表面各部位都能得到适宜且均匀的热量供给，进而有效提高了熔池表面温度的均匀性，为熔池内钛合金的结晶过程营造了良好且稳定的热环境，有助于保障结晶速度均匀、铸锭组织结构均匀致密，最终提升TC4钛合金铸锭的质量。

进一步的，通过所述电子束冷床炉进行熔炼的拉锭速度为10-15mm/min。

拉锭速度影响着熔池液面的高度和稳定性，以及铸锭的凝固过程。拉锭速度过快会使熔池液面下降过快，可能导致铝棒部分暴露在熔池表面，影响其熔化和成分均匀性；拉锭速度过慢则可能使熔池液面过高，增加熔池内的压力和温度梯度，容易产生缩孔、裂纹等缺陷。因此，要根据熔炼速率、熔池大小和铸锭规格等因素，合理调整拉锭速度，确保熔池液面保持稳定，使铝棒在合适的熔池环境中熔化并均匀混合，同时保证铸锭在凝固过程中能够形成良好的组织结构。

进一步的，所述铝棒长度为50-100mm；所述进料槽尺寸规格为长5000-6000mm，宽600-800mm，高400-600mm。

通过设置铝棒长度为50-100mm，并与规格为长5000-6000mm，宽600-800mm，高400-600mm的进料槽搭配，提高其熔化效率和保证熔化均匀性。具体而言，减小铝棒的长度，会使其表面积与体积之比显著增加。在电子束冷床炉熔炼时，电子束作用于铝棒，更大的表面积与体积比意味着铝棒能够更高效地吸收热量，进而加快熔化速度，更易于实现快速熔化。

同时，在加工铝棒时，要着重确保其尺寸的一致性，也就是让每段铝棒的长度等尺寸都尽量保持相近。如此一来，在整个熔炼过程中，每段铝棒所接收到的热量以及自身的熔化行为就会比较相似，避免出现因铝棒尺寸差异而导致的受热不均、熔化不同步等情况，这对于实现整个熔炼过程的均匀性有着极为重要的作用，有助于最终获得质量优良且成分均匀的TC4钛合金铸锭。

进一步的，所述铝棒的横截面呈多变形，如图4所示。

由于圆柱体表面曲率相同，电子束在扫描过程中，铝棒表面不同位置与电子束的夹角会发生变化，使得能量吸收不均匀，进而影响熔化速度和均匀性。特别是在靠近圆柱底面和顶面的区域，电子束的入射角较大，能量吸收相对较少，可能出现熔化滞后的现象。

采用多边形改变电子束在铝棒表面的反射和吸收特性，使热量分布更加均匀，以实现铝棒在熔炼过程中的快速、均匀熔化，提高铸锭成分的均匀性。

进一步的，所述铝棒的质量占铝棒和TC4残废料质量之和的0.7-1.0%。通过将铝棒的添加量精准控制在0.7-1.0%，一方面，它避免了因铝棒添加过多或过少而导致的成分偏差问题，确保了最终铸锭中铝元素含量符合预期标准；另一方面，这种精确的添加量控制方式，有助于提高铝元素在整个TC4钛合金铸锭中的均匀性。在熔炼时，合理的铝棒占比使得铝元素能够在熔池中均匀分布，进而在后续的结晶等工序中，保障铸锭各个部位的铝含量趋于一致，从而提升铸锭的整体质量。

进一步的，将所述TC4残废料和铝棒均匀布置于电子束冷床炉的进料槽的步骤之前，还包括：对所述铝棒进行酸洗，以去除所述铝棒的氧化层。在熔炼时，带有氧化层的铝棒可能会导致铝元素的释放和分布不均匀。而通过酸洗去除氧化层后，铝棒在电子束冷床炉的熔炼环境中能够更顺畅地熔化，铝元素可更均匀地融入到TC4残废料所形成的熔液中，从而有效提高了铝元素在整个TC4钛合金铸锭中的均匀性，有助于获得质量稳定且性能优良的铸锭产品。

具体的，选用质量分数为10%-20%的稀硫酸或5%-15%的稀盐酸进行酸洗。酸洗温度范围为40-60℃。酸洗时间为10-30min，合理的酸洗温度和酸洗时间可以加快反应速度，提高酸洗效率。

实施例：

一种TC4钛合金铸锭的制备方法，回收比例99.3%，总投料6吨。

经表面处理好的块状TC4回收料5955kg，其余45kg为铝材，所述块状TC4回收的残废料为经过清洗、烘干处理，化学成分分析具体为（质量百分比）：Fe：0.12-0.18；C：<0.03；N：<0.02；H：<0.006；O：0.09-0.15；Al：5.85-6.45；V：3.95-4.35。

前述清理过程具体为：将要回收利用的钛合金块料或屑料按牌号分类，对回收料进行清洗处理，使表面无氧化层、油渍；对回收料分类进行按批次取样，进行化学分析，建立原材料配料数据库，作为配料依据；

铝棒准备，选用纯度大于99.8％的铝材熔融铸成铝棒，使铝棒均匀分布在进料槽内，以弥补铝元素的损失；

配料，目标铸锭产物的各元素的重量百分比成分为：Fe：0.12-0.18；C：<0.03；N：<0.02；H：<0.006；O：0.09-0.15；Al：5.85-6.45；V：3.95-4.35；

那么从建立的原材料配料数据库中查看并调取符合上述目标成分的残废料，根据数据库内信息从前述分类、清理好的TC4回收残废料中选择元素成分（质量百分比）范围在：0.12-0.18；C：<0.03；N：<0.02；H：<0.006；O：0.09-0.15；Al：5.85-6.45；V：3.95-4.35的TC4残废料，作为铸锭的原材料。

由于铝元素在电子束冷床熔炼过程中大量挥发，选用铝棒2均匀分布于进料槽1内部空间，以弥补铝元素的损失；铝棒2布置如图2、3所示；按照铸锭目标成分和铸锭规格重量确定各原料使用量，考虑到在熔炼过程中会出现Al大量挥发现象，根据Al元素损失量确定Al棒的添加量，在后续的布料过程中需要对Al元素进行相应补充。

具体的，根据数据总结分析，EB炉总熔炼功率为3000-3500KW时，Al元素损失量为0.7-0.8%，铸锭总重为3000-6000kg，则铝元素的补充量为21-48kg；本实施例中，将铝元素的补充量制作为铝棒2，具体的，所述铝棒2的规格为：直径为8-20mm，长度为50-100mm。所述铝棒2的投加量为铸锭原材料总重量的0.7-1.0%；根据计算得到铝棒2总投加量，按重量平均分成若干个长度、直径相等的铝棒2。

布料：在进料槽1内放置回收料和铝棒2，选取元素成分符合前述范围的TC4残废料堆入进料槽中其与铝棒分别形成回收料层3和铝棒2层，使回收料层3和铝棒2层交错间隔设置，并且使进料槽1的底层和顶层均为回收料层3；所述进料槽1尺寸规格为长5000-6000mm，宽600-800mm，高400-600mm。

回收料和铝棒2在进料槽1内的具体堆放形式如图2所示，图中所示为进料槽1的横截面示意图；如图所示，所述回收料层3内以堆垛、间隙填充的方式堆积有一定高度的回收料块料或屑料；实际投料时可以将废料堆满至进料槽1的顶部，在最低层先铺设一层回收料层3，然后在其上方铺设一层铝棒2层，所述铝棒2层内平行设有若干条铝棒2，而相邻的两条铝棒2之间也由回收料填塞密实，并且铝棒2沿平行于进料槽1长度方向排列布置，如图2、3所示，在进料槽截面方向上，各铝棒层间的铝棒2错位设置，在每个铝棒层上，铝棒的接头端也进行错位设置；如此，可以使EB炉熔炼时，Al元素的进料持续而稳定，进而使Al元素分布更均匀；实际设置时，铝棒可选的规格为：直径为8-20mm，长度为50-100mm。当进料槽长5000-6000mm，宽600-800mm，高400-600mm时，铝棒可以设置4-10层，每层铝棒宽度间距可以是100-200mm。根据前述计算重量的铝棒2在进料槽1高度方向分布为若干层，在水平方向上各层内的铝棒2呈阵列状均匀分布。这种布料方式使铝元素在水平方向上分布均匀，并且随着电子枪逐层向下熔炼料材时，在各个熔炼深度上都能得到Al元素的补充，使Al元素在立体空间上的均匀分布，进而使熔化至冷床内的金属液体含Al元素均匀。

EB炉熔炼，将进料槽1放入EB冷床炉进料系统，进料室真空度≤0.6Pa、熔炼室真空度≤0.1Pa时，开始进行熔炼，熔炼过程中熔炼室真空度满足≤0.5Pa，TC4钛合金残料受电子束轰击熔化为钛液后，经熔化冷床、精炼冷床，流入结晶器坩埚凝固，再经拉锭系统将铸锭拉至拉锭室随炉冷却后出炉，获得直径650mm的一次铸锭。EB炉内总共七把电子枪，分别为1-7号，电子枪的功率为280~440kV。

在熔炼过程中，1-4号枪用于熔化左右进料槽内的原料，5号枪用于对冷床内的钛液进行精炼，6-7号枪用于结晶器内的熔池表面加热，以便熔池内的钛液连续凝固。其中EB熔炼各枪功率分配入表1所示。

表1

序号	熔炼功率占比
		1-4	60-70%
5	10-15%
		6-7	20-25%

VAR炉熔炼：将上述一次铸锭冷却出炉后进行切除锭底引锭头，车掉冒口飞边的修整，然后放入VAR炉中进行二次熔炼，制得成品铸锭。通过直径720的坩埚对经EB炉熔炼完成的铸锭进行二次熔炼，熔炼电流25-29KA，熔炼电压30-35V；最终得到直径为700±10mm的成品铸锭。

当在VAR炉中进行二次熔炼时，如图11-13所示，具体过程如下：将多个楔子均匀放置于自耗电极的顶部边缘与结晶器筒体之间，每个楔子夹角b一端插入自耗电极与结晶器筒体之间的间隙，通过调整自耗电极的位置，使得多个楔子处于同一水平高度，实现自耗电极与结晶器的间隙均匀，自耗电极位于结晶器的圆心位置，由于底板第一侧板和第二侧板的材质与进行真空自耗电弧熔炼的合金材质相同，避免在装炉过程中将异物带入结晶器内部对熔炼造成污染；由于材质为合金，结构强度提升，定位装置能够避免变形导致自耗电极与结晶器之间的间隙不均匀，影响熔炼安全和铸锭质量；也避免在自耗电极与辅助电极焊接过程中，定位装置在高温下自燃，导致结晶器内气压升高，影响焊接安全。

具体的，所述楔子31的长度L1为200-300mm，宽度L2为80-150mm，厚度L3为80-150mm。

具体的，所述底板32与所述第一侧板33的夹角a范围为90°-150°，所述底板32与所述第二侧板34的夹角b为15°-45°；

具体的，所述底板32、所述第一侧板33和所述第二侧板34一体成型；

考虑到结晶器39与自耗电极38的规格较多，不同规格的尺寸也不相同，为了确保楔子31能够得到有效使用，楔子31的尺寸以及夹角a和夹角b尺寸也具备多种，以便工作人员可以根据结晶器39和自耗电极38的规格选用适合的楔子31。同时，楔子31的原材料主要取自残废料中的钛合金板，根据钛合金板自身尺寸对其进行适当的加工，使其成为符合上述要求的楔子31。

具体的，所述楔子31还包括两个肋板35，两个所述肋板35对称设置于所述底板32的两侧；所述肋板35为三角形，所述肋板35的三条边分别与所述底板32、所述第一侧板33和所述第二侧板34连接，考虑到仅靠底板22、第一侧板33和第二侧板34无法构成密闭结构的楔子31，因此在其两侧分别焊接了肋板55，使得楔子31整体呈密闭结构，提高楔子31整体强度。

具体的，肋板35沿竖直方向设置具有标记功能的刻度线36；刻度线36用于观测楔子31的插入深度，当多个楔子31的底板32上刻度线36与自耗电极38的顶部边缘竖直距离相同时，意味着多个楔子31处于同一水平高度，进而达到提高定位准确性的目的。

具体的，刻度线为激光刻蚀、化学蚀刻或机械雕刻制作形成的刻度线。由于刻度线经激光刻蚀、化学蚀刻或机械雕刻制作形成，提高刻度线的清晰度和耐磨性，在楔子使用过程中不易磨损或显示模糊。

具体的，所述楔子31的边角设置有倒角；为了避免楔子31在使用过程中对操作人员造成划伤，同时减少楔子31在插入和调整过程中对自耗电极38和结晶器39表面的划伤，在楔子31边角设置了倒角，倒角半径范围为0.5mm-3mm。

具体的，所述底板32、所述第一侧板33和所述第二侧板34均设置有减重孔37；为了降低楔子31的自身重量，在其上设置了多个减重孔37。

表2 铸锭1成分检测结果

表3 铸锭2成分检测结果

通过上述步骤制备两个铸锭，经扒皮取样，对铸锭成分进行检测，具体的，如图10所示，在铸锭侧表面头部H、上部TOP、中部M、下部B、底部Tail五个部位取屑状和块状分析试样，进行化学成分分析；检测结果如表所示，

通过上述取样分析可知，铸锭主元素分布均匀，且满足相关标准要求，杂质元素含量也符合相关标准要求，且分布较均匀。Al元素得到充分的均匀化，实现对钛合金残废料的高效回收。

作为加强在熔炼时提高熔池中各元素的混匀效果、减少元素偏析的一种实施方式，具体做法如下：

所述VAR炉熔炼中，在熔炼过程中使用电磁搅拌，增强熔体对流，促进合金元素均匀分布；所述电磁搅拌包括设置在水套外部的电磁搅拌线圈，将线圈与电源连接，并设有传感器和控制器，以监控和调节磁场强度和方向，通过调节电流大小和方向来控制磁场的特性使钛合金熔池内金属液体运动。

在VAR炉熔炼时，电磁搅拌设备设置在熔池周围、坩埚的外侧。设置时，线圈与熔池保持适宜的距离，以确保磁场能够有效的穿透熔池。具体的，所述电磁搅拌包括设置在水套外部的电磁搅拌线圈，将线圈与电源连接，并设有传感器和控制器，以监控和调节磁场强度和方向，通过调节电源频率和电流来控制磁场的特性使钛合金熔池内金属液体运动。

钛合金液体本身并不具有铁磁性，这意味着它们不会像铁磁性材料那样直接被磁场吸引或排斥。但是，钛合金液体是良导体，可以通过电磁感应效应在旋转磁场的作用下产生涡电流，进而受到洛伦兹力的驱动。

根据电磁感应效应，当旋转磁场作用于导电的钛合金熔池时，会在熔池中感应出涡电流。这是基于法拉第电磁感应定律，即变化的磁场会在导体中产生电动势，从而形成电流。表达式为：

E=−N×ΔB/Δt

其中：E 是感应电场；ΔB 是磁场变化量；t 是时间间隔；N表示线圈匝数。

感应出的涡电流与旋转磁场相互作用，产生洛伦兹力；洛伦兹力的表达式为：

F=J×B

其中：F 是洛伦兹力；J 是电流密度；B 是磁场强度。

洛伦兹力在熔池中产生的作用力使得熔池中的液体开始运动。由于旋转磁场是连续变化的，液体的流动也呈现出旋转的特性。这种旋转流动有助于混合熔池中的不同成分，从而减少元素偏析，提高合金的均匀性。

通过一组线圈产生旋转磁场。这些线圈通常按照一定的排列方式（如三相线圈）布置，通过通入交变电流，可以在熔池周围产生一个随时间变化的旋转磁场。旋转磁场在导电的钛合金熔池中感应出涡电流。感应出的涡电流与旋转磁场相互作用，产生洛伦兹力。洛伦兹力使得熔池中的液体开始运动，形成旋转流动。

磁场强度越大，产生的洛伦兹力越强，搅拌效果越好。电流频率影响旋转磁场的变化速度，进而影响涡流的产生和流动模式。熔池的几何形状（如直径、深度）会影响涡流的分布和流动模式。钛合金的导电率越高，感应出的涡电流越强，搅拌效果越好。通过电磁感应效应在旋转磁场的作用下产生涡电流，进而受到洛伦兹力的驱动，实现金属液体的搅拌。这一过程有效地改善了熔池中成分的均匀性，减少了元素偏析。

具体的：在VAR熔炼过程中使用电磁搅拌，增强熔体对流，促进合金元素均匀分布，电磁搅拌包括设置在坩埚外部的电磁感应线圈，将线圈与电源连接，并设有传感器和控制器，以监控和调节磁场强度和方向，通过调节电流大小和方向来控制磁场的特性使钛合金熔池内金属液体运动。

电磁搅拌结构的设置：围绕熔炼坩埚外部安装一组或多组电磁线圈。配备可调电流源作为电源控制系统，其能够改变电流大小和方向，从而调整磁场的方向和强度。使电磁搅拌系统应该具有快速响应能力，以便精确控制搅拌效果。

由于电磁线圈在工作时会产生热量，需要配置有效的冷却系统来确保线圈不会过热损坏。采用耐高温、高强度的铜合金或银铜合金，确保在线圈通电时能承受高温并保持良好导电性。冷却系统采用强制水冷，确保线圈温度不超过安全工作范围。冷却水流速：每个线圈段至少保证20 L/min的冷却水流速，以维持线圈的低温状态。安装温度传感器、位置传感器等设备监控熔池状态，并将信息反馈给控制系统以实现自动化操作。

在熔炼过程中通过对电磁搅拌的磁场的监控来对熔炼过程的参数进行指导，具体的电磁场强度与熔炼电流包括以下关系：

1、电磁场强度与熔体对流：

强磁场：如果监测到的电磁场强度高于预期值，这可能意味着过强的搅拌作用，可能导致熔体内产生过多的湍流，影响成分均匀性并增加气孔形成的风险。此时应考虑降低熔炼电流或改变频率以减弱搅拌效果。

弱磁场：反之，若电磁场强度不足，则熔体对流不够充分，不能有效促进成分混合和夹杂物上浮。这时可以通过适当增加熔炼电流或调整频率来增强搅拌力。

2、电磁场强度与熔化速率：

熔炼电流直接影响电弧的能量输入，进而影响熔化速率。高电流可以加快熔化速度，但也会导致更强的电磁效应。因此，需要找到一个平衡点，既能保证足够的熔化速率，又不会因为过强的电磁场而造成不良影响。

3、电磁场强度与温度分布：

适当的电磁搅拌有助于均匀化熔池温度分布。如果检测到某些区域的电磁场强度异常（例如局部过强或过弱），可以通过微调熔炼电流或改变电磁线圈的位置来改善温度均匀性。

具体调节示例：

例如在一个VAR熔炼过程中，实时监测显示电磁场强度过高，导致熔体表面出现剧烈波动，这可能是由于过高的熔炼电流引起的。此时可以采取以下措施：

降低熔炼电流：逐步减少电流，直到观察到熔体表面波动恢复正常，同时密切注意熔化速率的变化，确保它仍然满足生产需求。

搅拌周期：如果降低电流不足以解决问题，还可以调整搅拌周期，通过调整电流的方向，控制对熔池内熔液的正向或反向搅拌，搅拌周期的决定熔池内金属熔液的流动状态。熔池内的流动状态可以影响熔体的混合均匀性和凝固过程。

优化冷却条件：配合上述调整，检查冷却系统是否工作正常，确保铸锭冷却速率适宜，避免因快速冷却引发的内部应力和裂纹。

在实时监测电磁场强度的基础上，通过精准调控熔炼电流的大小和方向等其他关键参数，可以在熔炼过程中实现更精细的质量控制，从而提高钛合金铸锭的质量和一致性。这种实时调整不仅依赖于过程监控技术和自动化控制系统，还需要技术积累和实践经验支持。

电磁搅拌控制：在熔炼过程中使用电磁搅拌来改善合金液的流动性，并促进成分均匀化。需要注意的是，在熔炼初期和后期应谨慎控制搅拌强度，避免因过强的搅拌而导致成分偏析或夹杂问题。此外，为了适应新的成分范围，特别是在控制氧(O)和氮(N)含量方面，可以在熔炼末期适当降低搅拌强度，帮助去除气体并减少氧化物夹杂。

启动初期：当熔炼开始后不久，即熔池初步形成但还未完全融化时，启动电磁搅拌系统。此时采用较低的电流强度。

稳定期：随着熔炼过程推进，逐渐增加电流强度，使得熔池内部产生足够的涡流运动，促进合金元素均匀分布。

后期调节：接近熔炼结束前，适当降低电流强度，减少搅拌力度，有助于形成更致密的组织结构，同时防止过度搅拌造成的成分偏析。电磁搅拌的电流方向和强度可以依据熔池的实际状况灵活调整，以达到最佳搅拌效果。

进一步的，在电子束冷床炉进行一次熔炼中，设有晶体振荡器、机械连接装置，所述机械连接装置与电子束冷床炉的底托相连接，所述机械连接装置受晶体振荡器的信号控制，晶体振荡器产生的振荡信号通过机械连接装置以相应的频率、振幅带动底托进行振荡，进而改善合金成分分布，促进铸锭化学元素的均匀分布，具体包括以下优点：

1、增强对流扩散

熔池液面的振动会带动整个熔池内部液体的流动，形成对流。这种对流作用比自然对流更为强烈，能够使熔池中的合金元素更快地在液体中扩散。原本在熔池中分布不均匀的合金元素，在对流的作用下，会从浓度高的区域向浓度低的区域迁移，从而逐渐实现均匀分布。

2、打破浓度梯度

设置晶体振荡器与机械连接装置的组合，其振动可以打破合金元素在熔池中形成的浓度梯度。在没有振动时，合金元素可能会因为密度差异等因素形成局部浓度不均匀的区域，导致材料性能不均匀。通过振动产生的强烈搅拌作用，这些浓度不均匀的区域被打破，合金元素得以更充分地混合，最终实现整个熔池内合金元素的均匀分布，提高钛合金的质量和性能。

实际使用时，机械连接装置用于将晶体振荡器产生的振荡信号传递给电子束冷床炉（EB炉）的底托。这类装置的设计需要考虑几个关键因素，包括振动频率、振幅、力传输效率以及与现有设备的兼容性。具体来说，本实施例中的机械连接装置可以选择用直接耦合的方式连接，

例如，直接耦合可以是通过一个刚性的机械臂或杆将振荡器直接固定到底托上。这种方式能确保最大的能量传输效率。设置：选择合适的材料以保证强度和耐热性，同时避免在高温环境下发生变形或失效。连接点应设计成能够承受反复的应力循环。

由于EB炉内部温度高，必须考虑如何有效地隔热，防止热量传导至振荡器和其他敏感组件的失效。

具体的，在某些实施例中，采用了工作频率为100Hz、最大振幅可达±1mm的压电晶体振荡器。通过其控制上述任一种机械连接装置动作。在熔炼过程中，我们设置了起始振荡频率为80Hz，振幅为0.5mm，并允许控制系统在熔炼的不同阶段灵活调整这些参数。

将晶体振荡器安装在一个相对远离高温区的位置，以保护其免受热损伤。可以将其固定在一个坚固的支架上，该支架再通过隔热材料与炉体相连。使用专用的驱动电源为晶体振荡器供电，并配备一个微处理器或PLC（可编程逻辑控制器）来精确控制振荡频率和振幅。此控制系统应该具备实时监测功能，可以根据熔炼过程中的变化自动调节参数。

在熔炼过程中，控制系统将根据传感器反馈的数据动态调整振荡器的工作状态。例如，如果熔池内溶质分布不均匀，则可以通过增加振荡强度来改善混合效果；反之，若发现振荡引起了过多的波动，则适当降低振幅。监控熔池温度、拉锭速度等其他关键参数，确保它们与振荡条件相协调。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据TC4钛合金铸锭的目标成分范围确定TC4残废料的成分范围；

将所述TC4残废料和铝棒均匀布置于电子束冷床炉的进料槽；通过电子束冷床炉对位于进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼，以制备一次铸锭；

通过真空自耗电弧炉对所述一次铸锭进行熔炼，以制备所述TC4钛合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，通过所述电子束冷床炉对位于所述进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼的步骤，包括：通过所述电子束冷床炉的电子枪对位于所述进料槽的所述TC4残废料和所述铝棒进行熔炼；所述电子枪包括第一电子枪、第二电子枪和第三电子枪；所述第一电子枪用于将残废料熔化为钛液；所述第二电子枪用于对所述钛液进行精炼；钛液进入所述电子束冷床炉的结晶器以形成熔池，所述第三电子枪用于对熔池表面加热；所述电子束冷床炉进行熔炼的拉锭速度为10-15mm/min。

3.根据权利要求2所述的TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述第一电子枪的第一扫描图像为螺旋形；所述第二电子枪的第二扫描图像在方形和T形之间切换；进行精炼操作时，采用方形扫描图像，当钛液开始向结晶器流动时，扫描图像切换为T形。

4.根据权利要求3所述的TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，四把所述第一电子枪的第一扫描区域关于所述电子束冷床炉的冷床对称设置；所述第二电子枪的第二扫描区域与设所述冷床的中心轴线重合。

5.根据权利要求4所述的TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述第三电子枪包括第一枪和第二枪，所述第一枪的第三扫描区域呈圆形，所述第三扫描区域的圆心与所述结晶器的圆心重合，所述第二枪的第四扫描区域呈环形，位于结晶器边缘和所述第三扫描区域之间。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述铝棒长度为50-100mm；所述进料槽尺寸规格为长5000-6000mm，宽600-800mm，高400-600mm；所述铝棒的横截面呈多变形。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述铝棒的质量占铝棒和TC4残废料质量之和的0.7-1.0%。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的TC4钛合金铸锭的制备方法，其特征在于，将所述TC4残废料和铝棒均匀布置于电子束冷床炉的进料槽的步骤之前，还包括：对所述铝棒进行酸洗，以去除所述铝棒的氧化层。

9.根据权利要求1-5任意一项所述的一种高回收比钛合金铸锭制备方法，其特征在于，通过真空自耗电弧炉对所述一次铸锭进行熔炼时，在熔炼过程中使用电磁搅拌装置，增强熔体对流，促进合金元素均匀分布；所述电磁搅拌包括装置设置在真空自耗电弧炉的水套外部的电磁搅拌线圈，将所述电磁搅拌线圈与电源连接，通过调节所述电磁搅拌线圈的电流大小和方向使钛合金熔池内金属液体运动，所述电流为10-20A。

10.根据权利要求1-5任意一项所述的一种高回收比钛合金铸锭制备方法，其特征在于，在电子束冷床炉进行一次熔炼中，电子束冷床炉设有晶体振荡器和机械连接装置，所述机械连接装置与电子束冷床炉的底托相连接，所述机械连接装置与所述晶体振荡器连接，晶体振荡器产生的机械振动通过机械连接装置以相应的频率、振幅带动底托进行振荡，以使钛合金熔池内金属液体运动。