Fünf gängige Schmelzmethoden für Titanlegierungen

Titanlegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften, wie z. B. einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität, in verschiedenen Branchen häufig eingesetzt. Der hohe Schmelzpunkt von Titanlegierungen stellt jedoch Herausforderungen bei der Verarbeitung dar. Die Schmelzverfahren für Titanlegierungen werden im Allgemeinen unterteilt in: 1. Schmelzverfahren für Vakuum-Elektrolichtbogenöfen; 2. Nicht verbrauchbares Vakuum-Lichtbogenofen-Schmelzverfahren; 3. Kaltherd-Schmelzmethode; 4. Kaltschmelzverfahren; 5. Elektroschlacke-Schmelzverfahren. Fünf Methoden.

1. Vakuum-Verbrauchs-Lichtbogenofen-Schmelzverfahren (als VAR-Verfahren bezeichnet)
Es handelt sich um ein fortschrittliches metallurgisches Verfahren zur Herstellung hochreiner Metalle und Legierungen. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Verbesserung der Reinheit und Gleichmäßigkeit von Materialien eingesetzt und wird normalerweise zur Herstellung hochwertiger Speziallegierungen, Aluminiumlegierungen und anderer gefragter Metallmaterialien verwendet. Mit der Entwicklung der Vakuumtechnologie und dem Einsatz von Computern hat sich die VAR-Methode schnell zu einer ausgereiften industriellen Produktionstechnologie für Titan entwickelt. Die meisten heutigen Titan- und Titanbarren werden mit dieser Methode hergestellt. Die herausragenden Merkmale der VAR-Methode sind ein geringer Stromverbrauch, eine hohe Schmelzgeschwindigkeit und eine gute Reproduzierbarkeit der Qualität. Der nach der VAR-Methode geschmolzene Barren weist eine gute Kristallstruktur und eine gleichmäßige chemische Zusammensetzung auf. Normalerweise sollte der fertige Barren nach der VAR-Methode geschmolzen werden. Es sind mindestens zwei Umschmelzungen erforderlich. Zur Herstellung von Titanbarren wird das VAR-Verfahren verwendet. Die von Herstellern auf der ganzen Welt verwendeten Prozesse sind grundsätzlich ähnlich. Der Unterschied liegt in der Verwendung unterschiedlicher Methoden und Geräte zur Elektrodenvorbereitung. Die Elektrodenvorbereitung kann in drei Hauptkategorien unterteilt werden. Eine davon ist die integrierte Elektrode, die kontinuierlich durch portionsweise Zugabe von Materialien gepresst wird, wodurch der Elektrodenschweißprozess entfällt; die andere ist die einteilige Elektrode, die zu Abschmelzelektroden gepresst und verschweißt wird. Und durch Plasma-Argon-Lichtbogenschweißen oder Vakuumschweißen zusammengeschweißt; Drittens: Verwenden Sie andere Schmelzmethoden, um Gusselektroden vorzubereiten.
Zusätzlich zu den beiden oben genannten Eigenschaften haben moderne VAR-Öfen zum Schmelzen von Titan auch den VAR-Großofen realisiert. Moderne VAR-Öfen können große Barren mit einem Durchmesser von 1,5 m und einem Gewicht von 32 t schmelzen.
Das vAR-Verfahren ist das standardmäßige industrielle Schmelzverfahren für modernes Titan und Titanlegierungen.

2. Nicht verbrauchbares Vakuum-Lichtbogenofen-Schmelzverfahren (Jianni NC-Verfahren)
Vakuumumgebung Wie der Elektrolichtbogenofen mit Verbrauchsmaterial wird auch das CNC-Verfahren in einer Vakuumumgebung durchgeführt. Durch das Ansaugen von Luft und Gas im Ofen werden Hochvakuumbedingungen geschaffen, um die Luft- und Sauerstoffverunreinigung schrittweise zu reduzieren und die Produktion hochwertiger Legierungsmaterialien sicherzustellen.
Elektroden Bei der CNC-Bearbeitung sind die verwendeten Elektroden normalerweise nicht verbrauchbar und bestehen normalerweise aus Wolfram oder anderen Materialien mit hohem Schmelzpunkt. Diese Elektroden sind stabil und können hohen Temperaturen und hochenergetischen Lichtbogenentladungen standhalten, ohne sich zu verbrauchen.
Die Lichtbogenbildung erfolgt durch Einleiten eines elektrischen Stroms, meist über zwei Elektroden, wodurch eine Bogenentladung entsteht. Dieser Lichtbogen ist sehr heiß und kann Materialien auf Temperaturen über ihrem Schmelzpunkt erhitzen.
Materialschmelze Unter der Wirkung des Lichtbogens wird das Material auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um sich zu entzünden und zu schmelzen. Da nicht verbrauchbare Elektroden verwendet werden, verbrauchen sich die Elektroden selbst nicht und können daher kontinuierlich verwendet werden.
Legierungsvorbereitung: Nachdem das Material geschmolzen ist, kann die erforderliche Legierung durch Anpassen der Intensität des Lichtbogens, der Temperatur im Ofen und der Legierungszusammensetzung vorbereitet werden. Dadurch eignet sich die NC-Methode sehr gut für die Herstellung von Legierungen mit hoher Präzision und präziser Kontrolle der Zusammensetzung.
Als einmaliges Schmelzen ist das NC-Verfahren im Hinblick auf die Verbesserung der Rückgewinnungsrate von Restmaterialien und die Reduzierung der Kosten recht vorteilhaft. Normalerweise werden NC-Öfen und VAR-Öfen zusammen verwendet, um ihre jeweiligen Vorteile voll auszuschöpfen. Die NC-Methode wird häufig in Forschungslabors und zur Vorbereitung von Spezialmaterialien eingesetzt, da sie ein hohes Maß an Materialkontrolle und Vorbereitungsflexibilität bietet. Allerdings sind die Ausrüstungs- und Betriebskosten der NC-Methode im Vergleich zu Elektrolichtbogenöfen mit Verbrauchsmaterial höher, sodass sie hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt wird, die eine hohe Genauigkeit und präzise Komponentensteuerung erfordern, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Energie, Elektronik usw.

3. Kaltherdschmelzmethode (kurz CHM-Methode)
Metallurgische Einschlussdefekte in Titan- und Titanlegierungsbarren, die durch Rohstoffverunreinigungen und abnormale Schmelzprozesse verursacht werden, haben schon immer die Anwendung von Titan und Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt beeinträchtigt. Um metallurgische Einschlüsse in rotierenden Teilen von Flugzeugtriebwerken aus Titanlegierung zu beseitigen, wurde die Kaltherdschmelztechnologie entwickelt.
Das größte Merkmal des CHM-Verfahrens ist die Trennung der Schmelz-, Raffinierungs- und Erstarrungsprozesse, d. h. die geschmolzene Charge gelangt in den Kaltherd und wird zunächst geschmolzen, gelangt dann zum Raffinieren in den Raffinierungsbereich des Kaltherds und erstarrt schließlich Barren im Kristallisationsbereich. Der wesentliche Vorteil der CHM-Technologie besteht darin, dass sie eine Kondensationshülle an der Wand des kalten Herdes bilden kann. Seine „viskose Zone“ kann Einschlüsse hoher Dichte (HDI) wie WC, Mo, Ta usw. einfangen. Gleichzeitig werden in der Raffinierungszone Einschlüsse niedriger Dichte erfasst. Die verlängerte Verweilzeit von (LDI)-Partikeln in hochdichten Temperaturflüssigkeiten können die vollständige Auflösung von LDI gewährleisten und so Einschlussdefekte wirksam beseitigen. Das heißt. Der Reinigungsmechanismus des Kaltherdschmelzens kann in zwei Arten unterteilt werden: Schwerkrafttrennung und Schmelztrennung.

4. Kalttiegelschmelzmethode (als CCM-Methode bezeichnet)
In den 1980er Jahren entwickelte die American Ferrosilicicon Company ein schlackefreies Induktionsschmelzverfahren und förderte die CCM-Methode für industrielle Produktionsanwendungen zur Herstellung von Titanbarren und Titanpräzisionsgussteilen. In einigen wirtschaftlich entwickelten Ländern hat die CCM-Methode in den letzten Jahren begonnen, in den industriellen Produktionsmaßstab Einzug zu halten. Der maximale Durchmesser des Barrens beträgt 1 m und die Länge beträgt 2 m. Seine Entwicklungsaussichten sind auffällig. Der CCM-Schmelzprozess wird in einem Metalltiegel durchgeführt, der aus wassergekühlten bogenförmigen Blöcken oder Kupferrohren besteht, die untereinander nicht leitend sind. Der größte Vorteil dieser Kombination besteht darin, dass in der Lücke zwischen jeweils zwei Blöcken ein verstärktes Magnetfeld herrscht und das starke Magnetfeld, das durch Rühren erzeugt wird, die chemische Zusammensetzung und die Temperatur in Einklang bringt und dadurch die Produktqualität verbessert. Die CCM-Methode kombiniert die Eigenschaften der VAR-Methode und des Tiegel-Induktionsschmelzens von feuerfesten Materialien. Es erfordert keine feuerfesten Materialien und Elektroden und kann in einem Schmelzvorgang hochwertige Barren mit gleichmäßiger Zusammensetzung und ohne Tiegelverunreinigung erhalten. Im Vergleich zur VAR-Methode bietet die CCM-Methode die Vorteile geringer Gerätekosten und einfacher Bedienung, derzeit befindet sich diese Technologie jedoch noch in der Entwicklungsphase.
5. Elektroschlacke-Schmelzverfahren (kurz ESR-Verfahren)
Die ESR-Methode nutzt die Kollision geladener Teilchen, wenn elektrischer Strom durch leitfähige Elektroschlacke fließt, um elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Es handelt sich um einen Metallschmelz- und Raffinationsprozess, der häufig zum Hochtemperaturschmelzen und Raffinieren von Metallen und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt wie Stahl, Nickel, Molybdän, Niob usw. verwendet wird. Dabei wird die durch den Schlackenwiderstand erzeugte Wärmeenergie genutzt Schmelzen und verfeinern Sie die Ladung. Bei der ESR-Methode werden abschmelzende Elektroden zum Elektroschlackeschmelzen in inaktiver Schlacke (CaF2) eingesetzt. Es kann direkt in Barren gleicher Form gegossen werden und verfügt über eine gute Oberflächenqualität, sodass es für die direkte Verarbeitung im nächsten Prozess geeignet ist. Allgemeine Schritte des Elektroschlacke-Schmelzverfahrens:
Beschicken: Laden des zu schmelzenden und zu verfeinernden Metalls oder der Legierung in den Ofen. Diese Materialien werden dem Ofen normalerweise in Klumpen oder Brocken zugeführt.

Lichtbogenzündung: An der Oberseite des Ofens wird durch zwei Elektroden (normalerweise Kohlenstoffelektroden) ein Lichtbogen erzeugt. Die durch den Lichtbogen erzeugte hohe Temperatur erhitzt das Metall auf seine Schmelztemperatur.

Elektroformungsschlacke: Metallschlacke, die mehrere dielektrische Schichten auf einer Metalloberfläche bildet. Diese Schlacke besteht aus Metalloxiden und anderen Metallschlacken, die auf der Metalloberfläche schwimmen und eine weitere Diffusion verhindern.

Stromdurchgang: Hochintensiver Strom fließt durch den Widerstand zwischen dem Metall und dem Lichtbogen. Dadurch wird das Metall weiter erhitzt und schmilzt.

Oxidation und Raffinierung: In der Elektroschlacke, die sich auf der Metalloberfläche bildet, reagieren Oxide und andere Verunreinigungen mit dem Metall und werden entfernt oder auf das gewünschte Maß reduziert. Dies trägt dazu bei, das Metall auf das gewünschte Niveau zu verfeinern