Como a remancadeira do arco de vácuo cria a pureza final dos lingotes de titânio?

Na cadeia de precisão da fabricação de ponta, os lingotes de titânio ocupam uma posição insubstituível com suas propriedades metálicas exclusivas. Desde a estrutura leve dos veículos aeroespaciais até a concha resistente à corrosão das sondas do mar profundo, desde implantes biomédicos até pipelines resistentes à corrosão na indústria química, a pureza e a uniformidade dos lingotes de titânio determinam diretamente os limites de desempenho dessas aplicações. No caminho para forjar lingotes de titânio, a tecnologia Remolição de arco a vácuo (VAR) é como um bisturi preciso. Através de três rodadas de processos rigorosos de fundição, as impurezas são retiradas da camada por camada e, finalmente, um lingote de titânio com composição uniforme e excelente desempenho é fundido. Essa tecnologia não é apenas uma garantia da pureza dos materiais de titânio, mas também da força motriz do núcleo para promover a fabricação de ponta para romper com gargalos de materiais.

O valor industrial dos materiais de titânio vem de sua baixa densidade, alta resistência, resistência à corrosão e outras características, mas o desempenho dessas características é altamente dependente da pureza do material. No nível microscópico, existem elementos de impureza (como oxigênio, nitrogênio, carbono, ferro etc.) na matriz de titânio na forma de inclusões ou segundos fases, formando pontos de concentração de tensão. Quando o material é submetido a forças externas ou ambientes extremos, esses defeitos se tornarão a fonte de iniciação da trinca, resultando em uma diminuição da força do material, perda de resistência e até falha catastrófica. Por exemplo, o campo aeroespacial tem requisitos extremamente altos para a vida de fadiga dos materiais de titânio, e quaisquer pequenas impurezas podem se tornar um perigo oculto para a segurança de vôo; No campo biomédico, as impurezas nos implantes podem causar reações de rejeição ou degradação da corrosão, ameaçando a saúde dos pacientes.

É difícil eliminar completamente as impurezas com a tecnologia de fundição tradicional, especialmente os elementos que formam eutéticos ou compostos de ponto de baixa fusão com o titânio. Essas impurezas podem ser redistribuídas no processamento subsequente, formando segregação em faixas ou defeitos regionais, enfraquecendo ainda mais as propriedades do material. Portanto, como alcançar a pureza suprema dos lingotes de titânio por meio da inovação de processos se tornou a proposição central da indústria de titânio.

A tecnologia Remelting de arco a vácuo atinge a purificação profunda do líquido de titânio através do efeito sinérgico da fusão do eletrodo e solidificação direcional. Sua lógica técnica pode ser decomposta em três etapas principais:

Na primeira rodada do processo VAR, o eletrodo consumível (geralmente pressionado a partir de titânio de esponja de alta pureza e liga intermediária) é aquecida e derretida por arco em um ambiente de vácuo. Como a fundição é realizada sob condições de vácuo, impurezas de gás como oxigênio e nitrogênio são efetivamente suprimidas; Ao mesmo tempo, impurezas de alta pressão de vapor no líquido de titânio (como cloretos de magnésio e alumínio) volatilizam e escapam durante o processo de fundição. Este estágio pode remover cerca de 50% das impurezas originais, estabelecendo uma base preliminar para a pureza do lingote do titânio.

A segunda rodada de Var controla a taxa de solidificação e o gradiente de temperatura para obter a homogeneização da composição do líquido de titânio durante a solidificação direcional. O metal líquido na parte inferior da piscina derretida cristaliza primeiro, enquanto as impurezas são enriquecidas no topo da piscina derretida devido ao efeito de segregação. À medida que o eletrodo é consumido, a área enriquecida à impureza é gradualmente removida para impedir que ele entre no lingote final. Esse processo não apenas reduz ainda mais o conteúdo de impureza, mas também melhora a microestrutura através dos mecanismos de esmagamento e recristalização do dendrito.

A terceira rodada de VAR concentra -se na purificação na microescala. Ao otimizar os parâmetros do arco e a atmosfera de fundição, o tamanho e a distribuição das inclusões podem ser controlados com precisão. Por exemplo, a tecnologia de agitação eletromagnética pode acelerar a flutuação de inclusões, enquanto o ambiente de vácuo ultra-alto (<10⁻³ Pa) pode inibir a re-adapção das impurezas de gás. O teor de oxigênio do lingote final pode ser reduzido para abaixo de 0,1%e o teor de nitrogênio é inferior a 0,015%, atendendo aos padrões rigorosos do titânio de grau aeroespacial.

A pureza aprimorada trazida pela tecnologia VAR se traduz diretamente em um salto no desempenho de lingotes de titânio e reformula a possibilidade de aplicações industriais em várias dimensões:

1. Melhoria no nível quântico no desempenho da fadiga
A redução no conteúdo de impureza reduz significativamente a fonte de iniciação de trincas, estendendo a vida fadiga dos materiais de titânio em várias vezes. Por exemplo, depois que o disco do compressor de um motor de aeronave é fabricado com engote de titânio VAR, sua resistência à fadiga de alto ciclo é aumentada de 400 MPa para mais de 600 MPa, atendendo às necessidades da nova geração de motores para reduzir o peso e aumentar a eficiência.

2. Avanço essencial na resistência à corrosão
O filme denso de óxido (TiO₂) formado na superfície da matriz pura de titânio tem maior estabilidade, e a taxa de corrosão é reduzida por duas ordens de magnitude em ácido forte, alcalino forte ou ambientes de alta temperatura. Isso estende a vida de vida dos lingotes VAR Titanium em oleodutos químicos, equipamentos de dessalinização de água do mar e outros campos de 5 anos a mais de 20 anos.

3. Melhoria revolucionária no desempenho do processamento
A distribuição de composição uniforme elimina os defeitos de segregação dos lingotes tradicionais de titânio, reduzindo significativamente o risco de rachaduras durante os processos de forjamento, rolagem e outros processos de processamento. Ao mesmo tempo, o baixo teor de impureza reduz a oxidação da superfície e os poros internos durante o trabalho a quente, e a taxa de rendimento aumenta de 70% para mais de 90%.

4. A pedra angular de aplicações de ponta, como supercondutividade e armazenamento de hidrogênio
No campo dos materiais de titânio supercondutores, a tecnologia VAR pode controlar o conteúdo de impureza no nível do PPM para garantir o desempenho supercondutor do material a temperaturas extremamente baixas; Em ligas de titânio de armazenamento de hidrogênio, a matriz pura pode melhorar a absorção de hidrogênio e a eficiência da liberação e a estabilidade do ciclo.