チタン合金の5つの溶解方法

チタン合金の5つの溶解方法

チタン合金の溶解方法は大きく分けて次のようになります。: 1. 真空消耗品アーク炉溶解法; 2. 消耗品不要の真空アーク炉溶解法; 3. 冷炉床溶解法; 4. コールドルツボ溶解法; 5. 電気スラグ溶解の5つの方法.

1. 真空消耗品アーク炉溶解法 (VAR方式の略称)

真空技術の発展とコンピュータの応用により, VAR法は急速に成熟したチタンの工業生産技術となった. 今日, チタンとその合金のインゴットの大部分はこの方法を使用して製造されます. VAR方式の大きな特徴は低消費電力です。, 高い溶解速度, 品質の再現性が高い. VAR法で溶解されたインゴットは良好な結晶構造と均一な化学組成を持っています。. いつもの, 完成したインゴットは VAR 法を使用して溶解し、少なくとも 2 回の再溶解プロセスを経る必要があります. VAR法によるチタンインゴットの製造, 世界中のメーカーが使用するプロセスは基本的に似ています, 違いは、異なる電極準備方法と装置を使用することです。. 電極の準備は 3 つのカテゴリに分類できます: 初め, 材料をバッチで追加して連続的にプレスされる一体型電極を使用, 電極溶接工程を除く; 2番, 単一電極のプレスと消耗電極への接続. プラズマアルゴンアーク溶接または真空溶接によって溶接されます。; 3 番目は、他の溶解方法を使用して鋳造電極を準備することです。.

最新の先進的な VAR 炉の技術的特徴と利点:

(1) フル同軸電源入力, これは炉全体の高さの完全な同軸度を指します。, 同軸電源といいます, 偏析現象の発生を低減;

(2) るつぼ内の電気校正はX軸/Y軸方向に微調整可能;

(3) 精密な電極計量システムを搭載, 溶解速度は自動的に制御されます, 一定の溶解速度を実現し、溶解品質を確保する;

(4) 各溶解プロセスの再現性と一貫性を確保します。;

(5) 柔軟性とは、1 つの炉で複数のタイプのインゴットを生産できること、およびインゴットの大規模生産を可能にすることを指します。, 生産性を大幅に向上させることができます;

(6) 経済的な実行可能性が高い. の “同軸電源” この方法は、るつぼへのアンバランスな電流供給によって引き起こされる磁気漏れを回避できます。, 溶融製品に対する誘導磁場の悪影響を弱めるか排除する, 電気効率を向上させます, 安定した品質のインゴットが得られます. の目的 “等速溶解” インゴットの品質を向上させることです, 高度な電子制御システムと重量センサーを使用して、溶解プロセス中に一定のアーク長と溶解速度を確保します。, それにより凝固プロセスを制御します. 偏析を効果的に防止し、インゴット本来の品質を確保します。.

上記2つの特徴に加えて、, チタン溶解用の最新の VAR 炉も VAR 炉の大規模生産を実現しています. 最新の VAR 炉は、直径 1.5 メートル、重量 32 トンの大型インゴットを溶解できます。.

VAR法は、チタンおよびチタン合金の現代標準である工業用溶解法です。. しかし、次のような解決すべき技術がまだあります。:

まず最初に, 電極作製方法. 電極の準備プロセスは非常に複雑です, スポンジチタンを圧縮するには高価なプレス機を使用する必要がある, 中間合金, 残留物を一体型電極または単一の小さな電気プレートに戻します。. 単一電極を消耗電極に溶接する必要もあります. 同時に, 消耗電極コンポーネントの均一性を確保するため, 生地などの対応設備, 重さを量る, 混合を設定する必要があります.

第二に, 偏析などの冶金学的欠陥が時折発生する, 成分偏析や凝固偏析など.

前者は電極中の不純物元素や合金元素の偏在が原因で発生します。, 溶融中に平衡分布に達する前に固化するもの; 後者は、高密度の介在物が時折導入されることによるものです。 (HDI) 低密度の介在物 (LDI) 原材料またはプロセスに組み込まれる, 溶解プロセス中に完全に溶解することができないもの, その結果、介在物などの非常に危険な冶金学的欠陥が発生します。.

2. 消耗品不要の真空アーク炉溶解法 (NC工法として簡略化)

現在のところ, 水冷銅電極は、チタン産業の初期段階でタングステン・トリウム電極またはグラファイト電極に取って代わりました。, 産業公害問題を解決し、NC法をチタンおよびチタン合金溶解の重要な方法に. ヨーロッパやアメリカでは数トンのNC炉が稼働しています.

水冷銅電極には2種類あります: 1つは自動回転します; もう一つのタイプは回転磁場です, 電気アークによる電極の焼損を防ぐことを目的としています。.

NC炉も2種類に分けられます: 1 つは、水冷銅るつぼで原料を溶解し、水冷銅鋳型でインゴットに鋳造する方法です。; もう一つは、水冷銅るつぼに原料を連続的に投入して溶解・固化させる方法です。.

NC溶解法のメリットは、: ① 電極のプレスや溶接の工程が省略できます。; ② アークを材料上に長時間滞留させることができる, それによりインゴット組成の均一性が向上します。; ③ 様々な形状・サイズの原料が使用可能, そして 100% 溶解プロセス中に残留材料を追加してチタンのリサイクルを実現できます。.

NC方式, 製錬プロセスとして, 残材の回収率向上とコスト削減に大きなメリットをもたらします. いつもの, NC炉とVAR炉を併用し、それぞれの利点を最大限に活かします.

3. 冷炉床溶解法 (CHM法と呼ばれる)

原材料の汚染や異常な溶解プロセスによって引き起こされるチタンおよびチタン合金インゴットの冶金的介在物欠陥は、航空宇宙分野でのチタンおよびチタン合金の応用に影響を与えています。. チタン合金航空機エンジンの回転部品の冶金的介在物を除去するため, 低温炉床溶解技術を導入.

CHM法の最大の特徴は溶融物の分離です。, 精製, および凝固プロセス. つまり, 溶解した炉材料は最初に溶解するためにリング炉床に入ります。, その後、冷却炉床の精製ゾーンに入り、精製が行われます。, そして最終的には結晶化ゾーンでインゴットに凝固します。. CHM技術の大きな利点は、低温炉床の壁に凝縮シェルを形成できることです。, そしてその “粘性ゾーン” 高密度の介在物を捕捉できる (HDI) トイレなどの, モー, 対面, 等. 同時に, 精密ゾーンで, 低密度介在物の滞留時間 (LDI) 高温の液体中で粒子が長時間持続する, これにより、LDI の完全な溶解が保証され、介在物欠陥が効果的に除去されます。. つまり, 冷炉床溶解の浄化機構は2種類に分けられる: 比重分離と溶融分離.

3.1 電子ビームコールドベッド溶解 (EBCHM) 電子ビーム溶解 (EB) 高速電子のエネルギーを利用して材料自体に熱を発生させ、溶解・精製するプロセスです。. 低温炉床を備えたEB炉はEBCHMと呼ばれます. EBCHM法は従来の溶解法にはない優れた機能を持っています:

(1) 高密度の介在物を効果的に除去 (HDI) タンタルなどの, モリブデン, タングステン, 炭化タングステン, そして窒化チタン. 低密度の介在物 (LDI) 酸化チタンなど;

(2) 複数の給餌方法が許容されます, チタン残留物の回収は比較的容易です. 他の製錬法では利用できない廃棄物でも利用可能, 純チタンのインゴットは今でも生産可能です, 製品のコストを大幅に削減;

(3) 直接サンプリングできる, 分析された, 液体金属からテストされました;

(4) 異形インゴットも製造可能, 生産工程を減らす, 原材料消費量の削減, 製品の歩留まりを向上させる;

EBCHM 方式には次のような欠点もあります。:

(1) 溶解は高真空条件下で行う必要がある, 塩化物含有量の高いスポンジチタンは直接溶解できません。;

(2) 合金元素は揮発性があり、化学組成の制御が困難です。.

3.2 プラズマコールドベッド溶解法 (PCHMチューブ方式)

PCHM法は不活性ガスのイオン化により発生するプラズマアークを熱源として利用します。, 低真空から大気圧近くまでの幅広い圧力範囲で完全な溶解が可能. The significant feature of this method is that it can ensure the composition of alloys with different vapor pressures, and there is no obvious difference during the melting process. This method has the ability to provide improved traditional table metal properties and can achieve the melting of diversified alloys. It is an economical melting method compared to traditional melting methods. By using this method for melting, ideal ingots can be obtained in one melting process for titanium and titanium alloys. The advantages of modern PCHM method are:

① Low equipment investment, easy operation, safe and reliable;

② Different types and forms of raw materials can be used, with high residual material recovery rate;

③ Ensure the chemical composition of diversified alloys;

④ The expensive recycling and reuse of inert gases have been achieved, reducing production costs.

The disadvantage of PCHM method is low electrical efficiency. The similarity between EBCHM and PCHM lies in their ability to eliminate HDI and LDI. The former is generally more suitable for melting pure titanium; For alloys, the latter is more suitable. Like the VAR method, the above two methods achieve large-scale process automation control, including process parameters (melting speed, temperature distribution during melting and solidification processes, changes in composition during melting, degree of removal of insoluble inclusions, 等) and quality.

4. コールドルツボ溶解法 (CCM method for short)

In the 1980s, the American ferrosilicon company developed slag free induction melting technology, CCM法をチタンインゴットや精密鋳造の工業生産用途に推し進める. 近年では, 一部の経済的に発展した国では, CCM法は工業生産規模に入り始めています, インゴットの最大直径は1m、長さは2mです。, そしてその発展の見通しは注目に値します. CCM 製錬プロセスは、非導電性の水冷円弧状ブロックまたは銅管で構成される金属るつぼ内で実行されます。. この組み合わせの最大の利点は、各 2 つのブロック間のギャップにより磁場が強化されることです。, 磁場による強力な撹拌により、化学組成と温度が均一になります。, それにより製品の品質が向上します. CCM法はVAR法の特徴とるつぼ内での耐火物の高周波溶解の特徴を組み合わせたものです. 耐火物や電極を必要とせず、単一の溶解プロセスで均一な組成とるつぼの汚染のない高品質のインゴットを得ることができます。. VAR方式との比較, CCM方式は設備コストが安く、操作が簡単というメリットがあります。, しかし、現在の視点から見ると, この技術はまだ開発段階にあります.

5. エレクトロスラグ溶解法 (ESR法略称)

ESR方式は、導電性スラグに電流を流す際の荷電粒子の衝突を利用して、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する方式です。. スラグの抵抗によって発生する熱は、炉の材料を溶解および精製するために使用されます。. ESR法では、非活性スラグ内のエレクトロスラグ溶解に消耗電極を使用します。 (CaF2), 同じ形状のインゴットに直接溶解でき、表面品質が良好です。, 次工程での直接加工に最適. この法律の利点は次のとおりです:

(1) ESR 炉の完全な同軸性により、最高品質のインゴットの再現性が保証されます。;

(2) インゴットの軸方向結晶化, 緻密で均一な構造を持つ;

(3) 高精度な電極計量システムと溶融速度制御システム;

(4) 設備がシンプルで操作が簡単. 欠点は、インゴットに付着したスラグの汚染を排出できないことです。.