1. 引言
钛及钛合金因其优异的物理和化学性能，如低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、海洋工程、医疗植入物等领域具有广泛的应用前景[1]。然而，钛的高化学活性使其在高温下极易与氧、氮、氢等气体以及碳、硅等杂质元素发生反应，导致材料性能劣化。因此，钛的熔炼需要在高真空或惰性气体保护下进行，以避免污染并确保材料质量。
传统的真空自耗电弧炉(VAR)熔炼技术虽然能够满足一般工业需求，但存在着无法有效去除低密度夹杂物(LDI)和高密度夹杂物(HDI)的局限性[2]。电子束冷床炉(Electron Beam Cold Hearth Melting, EBCHM)熔炼技术作为一种先进的特种熔炼方法，凭借其高能量密度、强真空环境和精确的温度控制能力，已成为制备高纯度、大规格钛及钛合金铸锭的核心技术。与VAR相比，EBCHM技术在杂质去除、成分均匀性控制和铸锭质量提升方面具有显著优势。如图1。
Figure 1. Comparison of VAR and EB smelting processes
图1. VAR与EB熔炼流程对比
2. EB炉熔炼钛的基本原理与工艺过程
2.1. 基本原理
EB炉以电子枪发射的高能电子束为热源，在10−3~10−4 Pa的高真空环境中，电子束经加速(加速电压为30 KV)、聚焦后轰击钛原料(海绵钛、再生料等)，将动能转化为热能，使原料在冷床上熔化形成熔池。冷床是一个倾斜式或水平式水冷铜坩埚，其主要功能是提供一个温度梯度环境，促进杂质的分离和去除。在冷床中，钛熔体由于密度差异会发生分层：高密度夹杂物(HDI)如钨、钼、钽、铌等及其化合物会沉淀到底部[3]；低密度夹杂物(LDI)如钛的氮化物、氧化物等则会漂浮到表面或被分解去除；另一方面，熔池在冷床末端逐步凝固，形成成分均匀、表面光洁的钛铸锭，最终经引锭机构下拉至炉体下部完成成型[4]。如图2。
Figure 2. Schematic diagram of EB melting structure
图2. EB熔炼结构示意图
2.2. 工艺过程
EB炉熔炼钛通常采用“单炉单次”或“双炉双联”工艺，本文以3150 kWBMO-01型电子束熔炼炉为例，工艺流程如下：
原料处理：再生料(屑状)破碎至5~30 mm尺寸，经过屑料清洗、漂洗、烘干、过筛、磁选、色选等工序，去除物料表面皂化液、油污，避免真空系统污染及熔炼过程中气体(O、H、N)杂质元素含量超标；块状料进行碱洗、酸洗去除表面氧化皮。
抽真空与预热：关闭炉门后封炉，通过真空泵将炉内真空度抽至10−3 Pa以下，对冷床及电子枪进行预热烘炉，防止冷凝水影响电子束稳定性。
电子束加热与熔池形成：启动电子枪，调节电流与聚焦位置，逐步加热冷床上的原料，直至形成稳定的熔池(温度范围约1800~2200℃)。
精炼与杂质去除：利用高真空环境，熔池中H2、N2等气体以分子形式逸出；低熔点杂质(如Na、Mg)因沸点低于钛，优先挥发并被真空系统抽出；高熔点氧化物(TiO2)因密度高于钛溶体，沉降至冷床底部被捕捉，与液态钛分离；此阶段是一个连续凝固过程，需要精确控制电子枪功率、扫描轨迹和熔炼速度等参数。如图3。
铸锭凝固与下拉：正常熔炼阶段稳定熔池后，控制冷床温度，使溶液顺利由浇筑口流入结晶器，并在结晶器末端缓慢凝固，同时通过引锭机构以5~15 mm/min的速率下拉铸锭(进料速度与拉锭速度呈正比例关系)。
冷却与出炉：熔炼结束后，关闭电子枪，保持真空环境直至铸锭冷却到200℃以下，破空后出锭。
在实际操作中，电子束的扫描轨迹对熔炼过程的稳定性和铸锭质量有重要影响。常见的扫描轨迹包括蛇型轨迹、同心圆轨迹和同心矩型轨迹等。蛇型轨迹适应性强，可根据熔池形状调整，使熔池各处受热均匀；同心圆轨迹可获得较均匀的温度场，符合热量扩散规律；同心矩型轨迹则可解决矩形冷床局部区域无法扫描的问题。
Figure 3. Scanning area of electron gun
图3. 电子枪扫面区域
3. EB炉熔炼钛的关键优势
相较于VAR炉等传统工艺，EB炉熔炼钛在质量与效率上具有显著优势，具体体现在以下3点：
3.1. 纯度更高
高真空环境(10−4 Pa)可有效去除金属钛中的气体杂质(O、H、N)，且冷床精炼功能可降低低熔点金属杂质含量，铸锭纯度可达99.95%以上，满足航空航天高端钛材需求。
3.2. 除杂效果
高、低密度夹杂物的有效去除：EBCHM通过冷床的“精炼”过程，将物料与铸锭隔离开，保证了原材料中的高、低密度夹杂无法直接进入铸锭。高密度夹杂物(HDI)如钨、钼、钽、铌等及其化合物(如WC、TiW等)由于密度高于钛熔体，会在重力作用下沉淀到冷床底部并被永久去除。低密度夹杂物(LDI)如钛的氮化物、氧化物等则通过漂浮、蒸发和溶解等机制被有效去除。如图4。
Figure 4. Schematic diagram of impurity removal in cold bed
图4. 冷床除杂示意图
3.3. 原料实用性更强
无需预制电极，可直接使用海绵钛、钛再生料等多种原料，原料利用率理论可达100%，降低生产成本，同时可制备不同规格铸锭，满足多种需求。如图5。
Figure 5. Schematic diagram of melting process
图5. 熔炼过程示意图
4. 工艺参数对钛铸锭质量影响
EB炉熔炼钛的质量(纯度、组织、缺陷)主要受功率、冷床温度梯度、熔炼速率3类核心参数影响，具体关系如下：
4.1. 熔炼功率
熔炼功率由电子枪加速电压与束流决定，直接影响熔池稳定性：
1) 单枪功率过低(<150 kw)：钛原料熔化不充分，熔池流动性差，易形成“未熔化”、“冷隔”缺陷，且气体与杂志元素无法彻底挥发或沉底，如图6；
2) 单枪功率过高(>300 kw)：熔池温度过高(>2000℃)，液态钛挥发损失加剧，按经验挥发率>3%，若进行合金熔炼时，其他合金元素例如Al元素挥发无法控制导致成分异常，同时冷床材质为铜，接触面易被高温钛熔液溶解，造成铸锭中Cu元素超标(>0.1%)；
3) 单枪熔炼功率控制在180~220 kw区间，确保熔池温度稳定在1750~2000℃，有利于保持熔炼稳定性[5]。此参数下，熔池深度、宽度较为适中，铸锭的固液界面弯角处的曲率较小，从而有助于降低铸锭的宏观偏析，提高铸锭的生产质量。此外，易挥发元素的损失量可以得到有效控制，提高合金成分的精确性。
Figure 6. Defect of excessively low power of EB ingot
图6. EB锭功率过低缺陷
4.2. 熔炼速率(熔速)
熔炼速率(单位时间内融化的钛原料质量)与铸锭杂质去除效果直接相关：
1) 熔速过低(<600 kg)：生产效率低，且熔池停留时间过长，钛溶液与真空中O元素反应时间增加，导致O元素含量升高(>0.2%)；
2) 熔速过高(<900 kg/h)：熔炼速率过高会导致熔池波动加剧，熔池流动不稳定，液态钛在冷床中流动过于剧烈，影响凝固过程的稳定性，高密度夹杂物在剧烈流动中无法充分沉底，易随溶体进入结晶器中，增加铸锭内部缺陷的风险，形成铸锭夹杂缺陷；
3) 优化区间：结合结晶器规格，纯钛铸锭熔炼熔速控制在700~800 kg/h最优，此熔速液态钛在冷床中流动趋于稳定平缓，流动过程无明显波动，夹杂物在熔体中的充分运动分离，有利于提供稳定的凝固环境，可有效避免夹杂缺陷[6]。
4.3. 夹杂物有效去除
钛合金常见的夹杂物分为低密度夹杂(N、C、O)和高密度夹杂(W、Mo、WC)。冷床温度梯度影响夹杂物的去除效率。研究表明，适当的温度梯度有利于夹杂物在熔体中的运动和分离[7]。
例如，在电子束冷床炉熔炼过程中，通过在浇口附近强烈辐照电子束产生的Marangoni对流，高密度夹杂粒子会受自身重力作用很快下沉至凝壳与熔体界面，使其被冷床壁上形成的凝固钛(铸锭壳)捕获。低密度夹杂TiN硬度高、脆性大，直径1 mm可引起部件产生疲劳裂纹，降低其使用寿命；且TiN密度与钛基本接近，晶体与钛基体共格，超声探伤时不易被检测。电子束熔炼过程温度高，可将TiN夹杂溶解，使其残存率小于0.05%。
5. 现存问题及优化方向
5.1. 主要问题
当前EB炉熔炼钛仍存在2项关键挑战：
1) 电子束能量利用率低：电子束在传输过程中因散射损失约20%~30%能量，导致实际加热效率仅为60%~70%，能耗利用较低。
2) 铸锭表面质量差：冷床炉结晶器凝固过程，钛溶体易在冷床边形成“挂渣”，导致铸锭表面出现“毛刺”或者“凹坑”，后续机加量大，成材率低，铸锭成材率 < 90%。
3) 铸锭直线度差：当随着熔炼进行，铸锭长度随之增加，目前国内最长铸锭长度可达10 m，拉锭过程，会造成铸锭拉完，直线度 > 10 mm。如图7。
Figure 7. Straightness of EB ingot
图7. EB铸锭直线度
5.2. 优化方向
针对上述问题，可从工艺、设备两方面进行改进：
1) 设备改进：优化冷床结构(如采用L型冷床)，减少溶体在冷床边部停留，降低“挂渣”风险；
2) 工艺优化：引入“数值模拟技术”，提前模拟熔池流动与凝固过程，精准预测工艺参数对铸锭影响，减少试错成本；探索不同牌号EB + VAR双联熔炼工艺，精准测算Al元素挥发率，EB实现原料精炼，VAR实现铸锭成分均匀化。
6. 结论
EB炉凭借高真空精炼、精准温度控制及原料适应性强的优势，已成为高端钛及钛合金铸锭制备技术。其熔炼质量主要受熔炼功率、冷床温度梯度、熔炼速率影响，通过参数优化可获得纯度高、组织稳定的钛方锭及圆锭。
未来可进一步通过设备升级、工艺创新(如数值模拟、双联熔炼)，大幅提升能量利用率与铸锭表面质量、铸锭直线度，推动EB炉在钛材料工业化生产中的规模应用，为高端装备领域提供高质量钛材支撑。
基金项目
“先进结构与复合材料”重点专项“钛合金返回料利用及板管材高效短流程制备关键技术开发”项目(项目编号：2022YFB3705600)中子课题四“钛合金管材高效短流程关键技术研发”(编号：2022YFB3705604)。
NOTES
*通讯作者。