Cinq méthodes de fusion pour les alliages de titane

Cinq méthodes de fusion pour les alliages de titane

Les méthodes de fusion des alliages de titane sont généralement divisées en: 1. Méthode de fusion au four à arc consommable sous vide; 2. Méthode de fusion au four à arc sous vide non consommable; 3. Méthode de fusion sur lit de four froid; 4. Méthode de fusion en creuset froid; 5. Cinq méthodes de fusion électrique des scories.

1. Méthode de fusion au four à arc consommable sous vide (Méthode VAR pour faire court)

Avec le développement de la technologie du vide et l'application des ordinateurs, La méthode VAR est rapidement devenue une technologie de production industrielle mature pour le titane. Aujourd'hui, la grande majorité des lingots de titane et de ses alliages sont produits selon cette méthode. Les caractéristiques importantes de la méthode VAR sont une faible consommation d'énergie, vitesse de fusion élevée, et une reproductibilité de bonne qualité. Les lingots fondus par la méthode VAR ont une bonne structure cristalline et une composition chimique uniforme. Généralement, les lingots finis doivent être fondus à l'aide de la méthode VAR et subir au moins deux processus de refusion. La méthode VAR est utilisée pour produire des lingots de titane, et les processus utilisés par les fabricants du monde entier sont fondamentalement similaires, la différence étant l'utilisation de différentes méthodes et équipements de préparation des électrodes. La préparation des électrodes peut être divisée en trois catégories: d'abord, en utilisant des électrodes intégrées pressées en continu en ajoutant des matériaux par lots, hors procédés de soudage à l'électrode; deuxième, pressage et épissage d'une seule électrode en électrodes consommables. Et soudés ensemble par soudage à l'arc plasma argon ou soudage sous vide; La troisième consiste à utiliser d'autres méthodes de fusion pour préparer les électrodes de coulée..

Les caractéristiques techniques et les avantages des fours VAR modernes et avancés:

(1) Entrée d'alimentation entièrement coaxiale, qui fait référence à la coaxialité complète de toute la hauteur du four, est appelé alimentation coaxiale, réduire l’apparition du phénomène de ségrégation;

(2) L'étalonnage électrique à l'intérieur du creuset peut être réglé avec précision dans la direction axe X/axe Y;

(3) Equipé d'un système de pesée d'électrodes précis, le taux de fusion est automatiquement contrôlé, atteindre une vitesse de fusion constante et garantir la qualité de la fusion;

(4) Assurer la répétabilité et la cohérence de chaque processus de fusion;

(5) La flexibilité fait référence à la capacité d'un four à produire plusieurs types de lingots et à la production de lingots à grande échelle., ce qui peut améliorer considérablement la productivité;

(6) A une bonne viabilité économique. Le “alimentation coaxiale” la méthode peut éviter les fuites magnétiques causées par une alimentation en courant déséquilibrée du creuset, affaiblir ou éliminer les effets néfastes des champs magnétiques induits sur les produits fondus, et améliorer l'efficacité électrique, obtenant ainsi des lingots de qualité stable. Le but de “fusion à vitesse constante” est d'améliorer la qualité des lingots, en utilisant des systèmes de contrôle électroniques avancés et des capteurs de poids pour garantir une longueur d'arc et un taux de fusion constants pendant le processus de fusion, contrôlant ainsi le processus de solidification. Il peut prévenir efficacement la ségrégation et garantir la qualité intrinsèque du lingot.

En plus des deux caractéristiques ci-dessus, les fours VAR modernes pour la fusion du titane ont également permis la production à grande échelle de fours VAR. Les fours VAR modernes peuvent fondre de gros lingots d'un diamètre de 1,5 m et d'un poids de 32 tonnes.

La méthode VAR est une méthode de fusion industrielle qui constitue une norme moderne pour le titane et les alliages de titane.. Mais il reste encore les technologies suivantes qui doivent être abordées:

Premièrement, la méthode de préparation des électrodes. Le processus de préparation des électrodes est très compliqué, nécessitant l'utilisation de presses coûteuses pour comprimer l'éponge de titane, alliages intermédiaires, et renvoyé les matières résiduelles dans des électrodes intégrées ou de petites plaques électriques simples. Les électrodes simples doivent également être soudées dans des électrodes consommables. En même temps, afin d'assurer l'uniformité des composants d'électrode consommables, installations correspondantes telles que le tissu, pesée, et le mixage doit être configuré.

Deuxièmement, défauts métallurgiques occasionnels tels que la ségrégation, telles que la ségrégation compositionnelle et la ségrégation par solidification.

Le premier est dû à la répartition inégale des éléments d'impuretés ou des éléments d'alliage dans l'électrode., qui se solidifie avant d'atteindre la répartition d'équilibre lors de la fusion; Cette dernière est due à l'introduction occasionnelle d'inclusions de haute densité (IDH) et inclusions de faible densité (ILD) dans les matières premières ou le processus, qui ne peut pas être complètement dissous pendant le processus de fusion, entraînant la production de défauts métallurgiques très dangereux tels que des inclusions.

2. Méthode de fusion au four à arc sous vide non consommable (simplifié comme méthode CN)

À l'heure actuelle, les électrodes de cuivre refroidies à l'eau ont remplacé l'électrode de thorium de tungstène ou l'électrode de graphite dans la phase initiale de l'industrie du titane, résoudre le problème de la pollution industrielle et faire de la méthode NC une méthode importante pour faire fondre le titane et les alliages de titane. Des fours NC de plusieurs tonnes fonctionnent en Europe et en Amérique.

Il existe deux types d'électrodes en cuivre refroidies à l'eau: l'un est auto-rotatif; Un autre type est un champ magnétique tournant, qui vise à prévenir l'épuisement des électrodes causé par les arcs électriques.

Les fours NC peuvent également être divisés en deux types: la première consiste à faire fondre des matières premières dans un creuset en cuivre refroidi à l'eau et à les couler en lingots dans un moule en cuivre refroidi à l'eau; Une autre méthode consiste à introduire en continu des matières premières dans un creuset en cuivre refroidi à l'eau pour la fusion et la solidification..

Les avantages de la méthode de fusion NC sont: ① Il peut éliminer les processus de pressage des électrodes et des électrodes de soudage; ② Peut faire en sorte que l'arc reste sur le matériau pendant une période plus longue, améliorant ainsi l'uniformité de la composition du lingot; ③ Différentes formes et tailles de matières premières peuvent être utilisées, et 100% des matières résiduelles peuvent être ajoutées pendant le processus de fusion pour réaliser le recyclage du titane.

La méthode CN, comme processus de fusion, est très avantageux en termes d’amélioration du taux de récupération des matières résiduelles et de réduction des coûts. Généralement, Les fours NC et les fours VAR sont utilisés conjointement pour tirer pleinement parti de leurs avantages respectifs..

3. Méthode de fusion sur lit de four froid (appelée méthode CHM)

Les défauts d'inclusion métallurgique dans les lingots de titane et d'alliages de titane causés par la pollution des matières premières et des processus de fusion anormaux ont affecté l'application du titane et de ses alliages dans le domaine aérospatial.. Afin d'éliminer les inclusions métallurgiques dans les pièces rotatives des moteurs d'avion en alliage de titane, la technologie de fusion à foyer froid a été introduite.

La plus grande caractéristique de la méthode CHM est la séparation des matières fondues, raffinage, et processus de solidification. C'est, le matériau du four fondu entre dans le lit du four Ling pour fondre en premier, entre ensuite dans la zone de raffinage du lit de four froid pour le raffinage, et finalement se solidifie en lingots dans la zone de cristallisation. L’avantage significatif de la technologie CHM est qu’elle peut former une coque condensée sur la paroi du lit froid du four., et son “zone visqueuse” peut capturer des inclusions à haute densité (IDH) comme les WC, Mo, Parement, etc.. En même temps, dans la zone de précision, le temps de séjour des inclusions de faible densité (ILD) les particules dans un liquide à haute température sont prolongées, ce qui peut assurer la dissolution complète du LDI et éliminer efficacement les défauts d'inclusion. C'est à dire, le mécanisme de purification de la fusion du lit de four froid peut être divisé en deux types: séparation par gravité spécifique et séparation par fusion.

3.1 Fusion à lit froid par faisceau d'électrons (EBCHM) Fusion par faisceau d'électrons (EB) est un processus qui utilise l'énergie des électrons à grande vitesse pour générer de la chaleur dans le matériau lui-même afin de le fondre et de l'affiner.. Le four EB à lit de four froid est appelé EBCHM. La méthode EBCHM possède d'excellentes fonctions que les méthodes de fusion traditionnelles ne possèdent pas:

(1) Supprime efficacement les inclusions à haute densité (IDH) comme le tantale, molybdène, tungstène, carbure de tungstène, et nitrure de titane. Inclusions de faible densité (ILD) comme l'oxyde de titane;

(2) Plusieurs méthodes d'alimentation sont acceptables, et la récupération des résidus de titane est relativement facile. Même si des déchets qui ne peuvent pas être utilisés par d'autres méthodes de fusion peuvent être utilisés, des lingots de titane pur peuvent encore être produits, réduisant considérablement le coût du produit;

(3) Il peut être directement échantillonné, analysé, et testé à partir de métal liquide;

(4) Peut produire des lingots de forme irrégulière, réduire les processus de production, consommation réduite de matières premières, et améliorer le rendement du produit;

La méthode EBCHM présente également les inconvénients suivants:

(1) La fusion doit être effectuée dans des conditions de vide poussé, Ainsi, le titane spongieux à haute teneur en chlorure ne peut pas être directement fondu;

(2) Les éléments d'alliage sont volatils et difficiles à contrôler leur composition chimique.

3.2 Méthode de fusion sur lit froid au plasma (Méthode du tube PCHM)

La méthode PCHM utilise l'arc plasma généré par ionisation de gaz inerte comme source de chaleur, et peut compléter la fusion dans une large plage de pression allant du vide faible à la pression proche de la pression atmosphérique.. La particularité importante de cette méthode est qu’elle permet de garantir la composition d’alliages avec différentes pressions de vapeur., et il n'y a pas de différence évidente pendant le processus de fusion. Cette méthode a la capacité de fournir des propriétés améliorées des métaux de table traditionnels et peut permettre la fusion d'alliages diversifiés.. C'est une méthode de fusion économique par rapport aux méthodes de fusion traditionnelles. En utilisant cette méthode pour faire fondre, des lingots idéaux peuvent être obtenus en un seul processus de fusion pour le titane et les alliages de titane. Les avantages de la méthode PCHM moderne sont:

① Faible investissement en équipement, opération facile, sûr et fiable;

② Différents types et formes de matières premières peuvent être utilisés, avec un taux élevé de valorisation des matières résiduelles;

③ Assurer la composition chimique des alliages diversifiés;

④ Le recyclage et la réutilisation coûteux des gaz inertes ont été réalisés, réduire les coûts de production.

L'inconvénient de la méthode PCHM est un faible rendement électrique. La similitude entre EBCHM et PCHM réside dans leur capacité à éliminer l'HDI et le LDI.. Le premier est généralement plus adapté à la fusion du titane pur; Pour les alliages, ce dernier est plus adapté. Comme la méthode VAR, les deux méthodes ci-dessus permettent un contrôle d'automatisation des processus à grande échelle, y compris les paramètres de processus (vitesse de fusion, répartition de la température pendant les processus de fusion et de solidification, changements de composition lors de la fusion, degré d'élimination des inclusions insolubles, etc.) et qualité.

4. Méthode de fusion en creuset froid (Méthode CCM en abrégé)

Dans les années 1980, la société américaine de ferrosilicium a développé une technologie de fusion par induction sans scories, pousser la méthode CCM aux applications de production industrielle pour la production de lingots de titane et de pièces moulées de précision. Au cours des dernières années, dans certains pays économiquement développés, la méthode CCM a commencé à entrer dans l'échelle de production industrielle, le diamètre maximum des lingots étant de 1 m et la longueur étant de 2 m, et ses perspectives de développement sont remarquables. Le processus de fusion du CCM est réalisé dans un creuset métallique composé de blocs en forme d'arc non conducteurs refroidis à l'eau ou de tubes de cuivre.. Le plus grand avantage de cette combinaison est que l'espace entre chaque deux blocs constitue un champ magnétique amélioré., et la forte agitation générée par le champ magnétique rend la composition chimique et la température cohérentes, améliorant ainsi la qualité du produit. La méthode CCM combine les caractéristiques de la méthode VAR et de la fusion par induction des matériaux réfractaires en creusets. Il ne nécessite pas de matériaux réfractaires ni d'électrodes pour obtenir des lingots de haute qualité avec une composition uniforme et sans contamination du creuset au cours d'un seul processus de fusion.. Par rapport à la méthode VAR, La méthode CCM présente les avantages d'un faible coût d'équipement et d'une utilisation facile, mais du point de vue actuel, cette technologie est encore en phase de développement.

5. Méthode de fusion sous laitier électrolytique (Méthode ESR en abrégé)

La méthode ESR convertit l'énergie électrique en énergie thermique en utilisant la collision de particules chargées lorsque le courant traverse des scories conductrices.. La chaleur générée par la résistance des scories est utilisée pour fondre et affiner le matériau du four.. La méthode ESR utilise des électrodes consommables pour la fusion électroscolaire dans les scories non actives (CaF2), qui peut être directement fondu en lingots de même forme et présente une bonne qualité de surface, adapté au traitement direct dans le processus suivant. Les avantages de cette loi sont:

(1) La coaxialité complète du four ESR assure la répétabilité des lingots de la meilleure qualité;

(2) Cristallisation axiale des lingots, avec une structure dense et uniforme;

(3) Un système de pesée d'électrodes et un système de contrôle du taux de fusion de haute précision;

(4) L'équipement est simple et facile à utiliser. L'inconvénient est qu'il ne peut pas rejeter la pollution des scories sur le lingot..