电子束熔炼(electron beam melting)，高真空下，将高速电子束流的动能转换为热能作为热源来进行金属熔炼的一种真空熔炼方法。简称EBM。 

电子束熔炼 - 简史

1905年德国的西门子(Siemens)公司和Haisko用电子束熔炼钽首次获得成功，重熔锭的纯度和加工性能都优于真空电弧炉重熔的锭子。但当时世界上的真空技术发展水平还很低，从而影响了电子束熔炼技术的发展。直到20世纪50年代，美国的Tomoscai公司才将电子束熔炼发展到工业化生产规模，引起了世界各国的关注。几个工业发达国家相继开展了电子束炉的研制工作，其中美国和德国发展最快。这样，电子束熔炼也就发展成为一种新的特种冶金技术。中国是1958年开始电子束熔炼炉的研究和试制工作的。到了60年代已经具备了工业化生产的规模。 

电子束熔炼 - 原理、工艺特点及冶金效果

在高真空条件下，阴极由于高压电场的作用被加热而发射出电子，电子汇集成束，电子束在加速电压的作用下，以极高的速度向阳极运动，穿过阳极后，在聚焦线圈和偏转线圈的作用下，准确地轰击到结晶器内的底锭和物料上，使底锭被熔化形成熔池，物料也不断地被熔化滴落到熔池内，从而实现熔炼过程，这就是电子束熔炼原理。图1是电子束熔炼原理示意图。电子束炉的加速电压一般使用在三万伏左右，引起的X射线损失最大不超过0.5％，二次发射电子的损失会更少。所以电子束的能量几乎是全部由电能转换为动能，再由动能转换为热能。电子的运动速度V(km／s)可由下式确定： 

W=593v1/2(km／s) 

式中v为加速电压，V。 

电子束熔炼的工艺特点是在高真空环境下进行熔炼(熔炼真空度一般在10-1至10-3Pa)，熔炼时熔池的温度及其分布可控，熔池的维持时间可在很大的范围内调整；熔炼是在水冷铜坩埚(结晶器)内进行的，可以有效地避免金属液被耐火材料污染。因此可以说，电子束熔炼为一些金属材料、特别是难熔金属提供了一种不可缺少的精炼手段。 

电子束熔炼过程存在3种基本的冶金反应：(1)除气。电子束熔炼可除去大多数金属中的氢、且氢的去除很容易，一般在炉料被熔清之前即已基本完成：由于真空度高，熔池温度及处于液态的时间可控，脱氮效果也很高。(2)金属杂质的挥发。在电子束熔炼温度下，凡是比基体金属蒸气压高的金属杂质均会不同程度地得以挥发去除。(3)去除非金属夹杂物。氧化物及氮化物夹杂物在电子束熔炼温度及真空度下，有可能分解出[O]及[N]被去除；[O]还可以通过碳氧反应而被去掉；此外，锭子自下而上的顺序凝固特点也有利于非金属夹杂物的上浮。 

电子束熔炼 - 电子束熔炼炉的设备

典型的电子束熔炼炉一般由6部分组成：(1)电子枪。电子枪是电子束熔炼炉的心脏。它包括枪头(一般由灯丝、阴极、阳极等组成)、聚焦线圈和偏转线圈等。电子枪按其结构形式可分为轴向枪(或称皮尔斯枪)、非自加速环形枪、自加速环形枪及横向枪，它们的基本结构及其在电子束熔炼过程中的工作情况示于图2。电子枪的数量有单枪、双枪和多枪等。(2)进料系统。如果原料为预制好的自耗电极时，一般采用纵向或横向机械进料方式：如果原料为屑、块或颗粒状时，则采用给料仓的方式。(3)铸锭系统。包括结晶器、拉锭机构和出锭机构筹。(4)真空系统。包括真空机组、真空室、真空管道及阀门和真空测量系统等。(5)电源系统。包括主电源(电子枪电源)及控制电源和操作电源等。(6)冷却系统。包括全部冷却用水及管道阀门等。 

电子束熔炼 - 分类

 按其用的电子枪的类型不同，可分为环形枪、横向枪及轴向枪电子束熔炼炉等3类；按其用途，可分为熔炼用炉、区域精炼炉、电子束凝壳炉及多用途电子束熔炼炉等4类。 

环形枪电子束熔炼炉

非自加速环形枪电子束熔炼炉的环形枪头距金属熔池仅有20mm左右，故又称近环形枪电子束熔炼炉，其阴极受金属蒸气和喷溅物的侵蚀，寿命一般只有几个小时，但它具有制作容易、成本低的特点，故常用作实验室设备。 

自加速环形枪电子束熔炼炉，加大了阴极和金属熔池间的距离，故又称远环形枪电子束熔炼炉，其阴极的工作条件有所改善，但寿命一般也只有十几个小时。 

横向枪电子束熔炼炉

横向枪和结晶器上口几乎处于同一平面，故又称平面电子束熔炼炉。它既具有环形枪电子束熔炼炉的优点，其阴极工作条件又得到了显著改善，使用寿命可提高到100h以上，但它与环形枪电子束熔炼炉一样，枪处于熔炼室内，故熔化时真空度不能太低。 

轴向枪电子束熔炼炉

轴向枪结构复杂、制造困难，属远聚焦电子枪，其阴极寿命可长达几百小时。由于枪室可单独抽真空，从而熔炼室压力可高于枪室压力1～2个数量级，使得电子束熔炼的材料更广泛些，某些含气量较大的材料亦可进行熔炼。这种电子束重熔炉电子束射出的方位和它的密度可以按熔炼时的需要进行调节，熔炼时，电子束可以分成若干股，分别射到料棒、金属液面或重熔锭金属熔池表面的不同部位。这种电子束熔炼炉广泛用于工业生产中。为了增大炉子容量和实现不同熔炼目的，还经常采取多支轴向枪联合使用的方案。 

电子束熔炼 - 工艺参数

主要有熔化功率、熔化速度、比电能、真空度和漏气速率等，如熔炼次数、自耗电极与坩埚直径比、冷却速率及铸锭冷却制度等也须注意合理选择。在诸参数中，熔化功率、熔化速度及比电能是影响铸锭质量最重要的因素。在整个熔炼过程中，这3个参数的控制应有所变化。熔炼初期，真空度比较低，炉料及坩埚都处在常温下，熔池尚未形成，熔化功率应低一些，熔速应慢一些；熔化末期，为了消除铸锭顶部缩孔，熔化功率及熔速必须有一个逐步下降的过程，以完成补材料的平均比热容，补缩时间的长短与铸锭的大小及熔化金有关；而在熔炼中间大部分的正常熔化期内，熔化功率及熔速应保持稳定。 

电子束熔炼 - 熔化功率

某规格铸锭在熔炼时所需的电子束功际生产中，常用图解法来求电子束熔化功率。由图4可率称为熔化功率～(kW)或熔炼功率，它与熔炼的金以看出，熔化功率与材质有关；同一材质时，与铸锭直属品种、坩埚直径和熔化速度有关，一般可由下式确径的平方成正比；而当同一功率时，则铸锭直径的自然定：对数与金属材料的熔点成反比。 

N=(K1+K2)V(4.187/60)(c△T+L) 

式中N为熔化功率，kw；V为熔化速度，kg／min；c为平均比热容，J／g•K；L为材料的熔化潜热，J／g。K1为工艺系数，K2为电子束散射系数，与散射电子及二次发射电子因素有关。在计算时K1+K2一般取1.5～1.7。实际生产中，常用图解法来求电子束熔化功率。由图4可以看出，熔化功率与材质有关；同一材质时，与铸锭直径的平方成正比；而当同一功率时，则铸锭直径的自然对数与金属材料的熔点成反比。 

电子束熔炼 - 熔化速度

单位时间内熔化原料的重量，简称熔速。它与金属的提纯要求程度有关。熔速通过进料速度得以控制。一般说来，在采用多次熔炼时，金属的提纯主要应放在一次熔炼上，所以，一次熔炼时熔速要小。