Technologie zum Schmelzen von Titanlegierungen: VAR-, EB- und Plasmaherdprozesse

Das Schmelzen ist der Schritt, der über die Sauberkeit, Chemie und strukturelle Gleichmäßigkeit jedes später hergestellten Titanprodukts entscheidet. Titan kann nicht in Kontakt mit herkömmlichen feuerfesten Materialien geschmolzen werden, es absorbiert leicht Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff oberhalb von etwa 400 Grad Celsius und sein Schmelzpunkt nahe 1668 Grad Celsius ist hoch genug, dass Legierungszusätze von Molybdän, Vanadium oder Chrom hinzugefügt werden müssen, ohne dass es zu Entmischungen oder nicht geschmolzenen Partikeln kommt. Die moderne Schmelztechnologie ist im Wesentlichen eine Reihe von Antworten auf diese drei Einschränkungen, und die unten beschriebenen Innovationen haben die industrielle Praxis verändert.

Warum das Schmelzen von Titan anders ist

Kein feuerfester Kontakt:Geschmolzenes Titan reduziert die meisten Oxide, daher erfolgt das Schmelzen in wassergekühlten Kupfertiegeln oder -herden unter Vakuum oder hochreinem Inertgas.

Gasempfindlichkeit:Sauerstoff und Stickstoff stabilisieren die Alpha-Phase und verspröden das Metall, während Wasserstoff Porosität verursacht; Die Atmosphäre und die Sauberkeit des Rohmaterials müssen gemeinsam kontrolliert werden.

Zusätze mit hohem Schmelzpunkt:Elemente wie Molybdän und Vanadium schmelzen deutlich über Titan, sodass sie als Vorlegierungen oder Presslinge und nicht als reine Metallklumpen hinzugefügt werden.

Vakuum-Lichtbogenumschmelzen mit direkter Zugabe von Metallen mit hohem Schmelzpunkt

Beim Vakuum-Lichtbogenumschmelzen wird eine abschmelzende Elektrode durch einen Gleichstromlichtbogen unter Vakuum in eine wassergekühlte Kupferform eingeschmolzen. Die klassische Schwierigkeit besteht in der Zugabe von Refraktärmetallen. Wenn reines Molybdän oder Vanadium in das Becken fällt, können die Partikel absinken, unvollständig schmelzen und Einschlüsse mit hoher Dichte hinterlassen, die jeden nachgelagerten Vorgang überstehen.

Die Verbesserung bestand darin, diese Elemente als Aluminium-Vanadium- oder Aluminium-Molybdän-Vorlegierungen oder als gepresste und gesinterte Presslinge in die Elektrode einzumischen und das Schmelzprogramm so abzustimmen, dass das Becken tief genug ist, um die Zusätze aufzulösen, aber nicht so tief, dass sie sich entmischen. Durch die Wahl des richtigen Lichtbogenstroms, des richtigen Spalts und der richtigen Schmelzrate entstehen Barren, deren Zusammensetzung dem erforderlichen Verhältnis mit gleichmäßiger, nicht-segregierter Struktur entspricht. Dieser Ansatz ermöglichte die Herstellung von Titanlegierungen wie Grade 5 (UNS R56400) im industriellen Maßstab mit zuverlässiger Chemie.

Nachzündender Lichtbogen und mehrstufiges Schmelzen

Bei der Nachzündungsbogentechnik wird die Oberseite des Barrens angesprochen. Anstatt den Lichtbogen bei voller Leistung auszuschalten, wird die Leistung reduziert, während der Lichtbogen erneut gezündet wird und die Elektrode langsam zurückgezogen wird. Die Oberseite des Barrens bleibt lange genug flüssig, um die Erstarrungskontraktion zu fördern, wodurch das Schrumpfrohr verkürzt, die Schwammporosität verringert und die Ausbeute verbessert wird. Durch das erneute Zünden wird auch die Oberseite des Barrens homogenisiert, wo sich sonst die Entmischung konzentrieren würde.

Kritische Qualitäten werden zwei- oder dreimal geschmolzen. Der erste Durchgang legt die Chemie fest, der zweite verfeinert die Struktur und verteilt die Entmischung, und der dritte kontrolliert den Gasgehalt und die Einschlussverteilung. Jeder Durchgang ist ein neues Gefrierereignis, das die vorherige Struktur aufbricht.

Elektronenstrahl- und Plasmaherdschmelzen

Beim Kaltherdschmelzen werden Einschlüsse entfernt, die beim Umschmelzen im Vakuumlichtbogen nicht möglich sind. Das Ausgangsmaterial wird in einem wassergekühlten Kupferherd geschmolzen, in dem sich dichte Partikel wie Werkzeugfragmente aus Wolframkarbid in einer Schale absetzen und Partikel geringer Dichte wie Titannitrid schwimmen und eingefangen werden. Die raffinierte Flüssigkeit fließt dann in eine Form oder in einen Guss.

Elektronenstrahl-Kaltherdschmelzen:Hochvakuum, hervorragend zum Entfernen von Einschlüssen hoher Dichte und flüchtigen Verunreinigungen, mit präziser Steuerung von Überhitzung und Verdampfung.

Plasmalichtbogenschmelzen:arbeitet mit Inertgas bei höherem Druck, vermeidet die Vakuumverdampfung von Legierungselementen und verarbeitet große Mengen recycelten Schrotts.

Beide Prozesse werden üblicherweise als erste Stufe eines zweistufigen Prozesses verwendet: Herdschmelzen für Sauberkeit, gefolgt von Umschmelzen im Vakuumlichtbogen für einen einwandfreien, entmischungsfreien Endbarren.

Induktionsschädelschmelzen und Kalttiegelübungen

Beim Induktionsschädelschmelzen werden ein segmentierter wasser-gekühlter Kupfertiegel und ein magnetisches Wechselfeld verwendet. Ein dünner, erstarrter Schädel aus derselben Legierung schützt den Tiegel, sodass die Schmelze niemals mit Kupfer in Berührung kommt. Die starke Rührwirkung des Feldes sorgt für eine hervorragende chemische Homogenität, die sich für Legierungen mit schweren Elementen und kleinen Schmelzen wie Feingussteilen und endkonturnahen Bauteilen eignet. Die Einschränkung liegt in der Größenordnung: Das Induktionsschädelschmelzen wird im Allgemeinen für Chargen von einigen hundert Kilogramm anstelle von Barren mit mehreren -Tonnen verwendet.

Inklusionsklassen und wie sie kontrolliert werden

Schmelzequalität und die Standards dahinter

Die Barrenqualität wird durch die folgenden Produktnormen definiert: ASTM B265 für Platten, Bleche und Bänder, ASTM B338 für geschweißte und nahtlose Rohre für Kondensatoren und Wärmetauscher, ASTM B348 für Stangen und Knüppel sowie die Serien AMS und ISO 5832 für Luft- und Raumfahrt- und Implantatgüten. Jeder dieser Punkte bezieht sich auf die Qualität der Barren, chemische Grenzwerte und Inspektionsanforderungen, die die Schmelzerei liefern muss, und Käufer fordern zunehmend, dass der Schmelzweg auf dem Zertifikat angegeben und nicht angenommen wird.

Häufig gestellte Fragen

F: Warum wird Titan im Vakuum geschmolzen?
Denn geschmolzenes Titan absorbiert Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff und reduziert die meisten feuerfesten Oxide. Durch Vakuum oder hoch{1}reines Inertgas mit Wasser-gekühlte Kupfertiegel halten die Schmelze von beiden Kontaminationsquellen fern.

F: Wie werden einer Titanschmelze Elemente wie Molybdän zugesetzt?
Als Vorlegierungen oder gepresste Presslinge, die in die abschmelzende Elektrode eingemischt werden, wobei ein Schmelzprogramm so gewählt wird, dass sich die Zusätze vollständig auflösen, ohne abzusinken und Einschlüsse hoher Dichte zu bilden.

F: Was wird durch das erneute Zünden des Lichtbogens erreicht?
Es hält die Oberseite des Barrens flüssig, während die Schmelze ausläuft, was die letzte Kontraktion fördert, das Schrumpfrohr verkürzt, die Schwammporosität verringert und die nutzbare Barrenausbeute verbessert.

F: Wann wird Kaltherdschmelzen dem Vakuumlichtbogenumschmelzen vorgezogen?
Wenn Sauberkeit oberste Priorität hat. Das Elektronenstrahl- oder Plasmaherdschmelzen fängt sowohl Einschlüsse mit hoher als auch niedriger Dichte ein, die durch das Umschmelzen im Vakuumlichtbogen hindurchgetragen werden können, und recycelten Schrott und große Rohmaterialien lassen sich gut verarbeiten.

F: Wie viele Schmelzdurchgänge sind für ein kritisches Teil erforderlich?
Zwei oder drei Durchgänge sind typisch für Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Wärmetauscherrohre. Die genaue Zahl wird durch die Produktspezifikation und die Reinheit des Ausgangsmaterials festgelegt, nicht durch eine allgemeingültige Regel.

F: Verändert zusätzliches Schmelzen die Chemie der Legierung?
Es verfeinert und homogenisiert die Chemie, anstatt sie zu verändern. Beim Hochvakuum-Elektronenstrahlschmelzen können flüchtige Elemente verloren gehen, weshalb das Schmelzprogramm für jede Legierung und Schmelzegröße geeignet ist.