¿Cómo crea el arco de vacío la remeledura de la pureza final de los lingotes de titanio?

En la cadena de precisión de la fabricación de alta gama, los lingotes de titanio ocupan una posición insustituible con sus propiedades metálicas únicas. Desde la estructura liviana de los vehículos aeroespaciales hasta el caparazón resistente a la corrosión de las sondas de aguas profundas, desde implantes biomédicos hasta tuberías resistentes a la corrosión en la industria química, la pureza y la uniformidad de los lingotes de titanio determinan directamente los límites de rendimiento de estas aplicaciones. En el camino a forjar lingotes de titanio, la tecnología de remelulación de arco de vacío (VAR) es como un bisturí preciso. A través de tres rondas de rigurosos procesos de fundición, las impurezas se desprenden de capa por capa, y finalmente se lanza un lingote de titanio con composición uniforme y un excelente rendimiento. Esta tecnología no es solo una garantía de la pureza de los materiales de titanio, sino también la fuerza impulsora central para promover la fabricación de alta gama para romper los cuellos de botella del material.

El valor industrial de los materiales de titanio proviene de su baja densidad, alta resistencia, resistencia a la corrosión y otras características, pero el rendimiento de estas características depende en gran medida de la pureza del material. A nivel microscópico, existen elementos de impureza (como oxígeno, nitrógeno, carbono, hierro, etc.) en la matriz de titanio en forma de inclusiones o segundas fases, formando puntos de concentración de estrés. Cuando el material se somete a fuerzas externas o ambientes extremos, estos defectos se convertirán en la fuente de inicio de grietas, lo que resulta en una disminución en la resistencia del material, la pérdida de dureza e incluso la falla catastrófica. Por ejemplo, el campo aeroespacial tiene requisitos extremadamente altos para la vida de fatiga de los materiales de titanio, y cualquier pequeña impureza puede convertirse en un peligro oculto para la seguridad de la fuga; En el campo biomédico, las impurezas en los implantes pueden causar reacciones de rechazo o degradación de la corrosión, amenazando la salud de los pacientes.

Es difícil eliminar por completo las impurezas con la tecnología de fundición tradicional, especialmente aquellos elementos que forman eutécticas o compuestos de baja fusión con titanio. Estas impurezas pueden redistribuirse en el procesamiento posterior, formando segregación con bandas o defectos regionales, debilitando aún más las propiedades del material. Por lo tanto, cómo lograr la máxima pureza de los lingotes de titanio a través de la innovación de procesos se ha convertido en la propuesta central de la industria del titanio.

La tecnología de remeliación del arco al vacío logra la purificación profunda del líquido de titanio a través del efecto sinérgico de la fusión del electrodo y la solidificación direccional. Su lógica técnica se puede descomponer en tres etapas clave:

En la primera ronda del proceso VAR, el electrodo consumible (generalmente presionado por titanio de esponja de alta pureza y aleación intermedia) se calienta y se derrite por ARC en un entorno de vacío. Dado que la fundición se lleva a cabo en condiciones de vacío, las impurezas de gases como el oxígeno y el nitrógeno se suprimen de manera efectiva; Al mismo tiempo, las altas impurezas de presión de vapor en el líquido de titanio (como los cloruros de magnesio y aluminio) se volatilizan y escapan durante el proceso de fundición. Esta etapa puede eliminar aproximadamente el 50% de las impurezas originales, estableciendo una base preliminar para la pureza del lingote de titanio.

La segunda ronda de VAR controla la velocidad de solidificación y el gradiente de temperatura para lograr la homogeneización de la composición del líquido de titanio durante la solidificación direccional. El metal líquido en la parte inferior de la piscina fundida cristaliza primero, mientras que las impurezas se enriquecen en la parte superior de la piscina fundida debido al efecto de segregación. A medida que se consume el electrodo, el área enriquecida con la impureza se elimina gradualmente para evitar que ingrese al lingote final. Este proceso no solo reduce aún más el contenido de impurezas, sino que también mejora la microestructura a través de mecanismos de trituración y recristalización de dendrita.

La tercera ronda de VAR se centra en la purificación en la microescala. Al optimizar los parámetros de ARC y la atmósfera de fundición, el tamaño y la distribución de las inclusiones pueden controlarse con precisión. Por ejemplo, la tecnología de agitación electromagnética puede acelerar la flotación de las inclusiones, mientras que el entorno de vacío ultra alto (<10⁻³ PA) puede inhibir la readsorción de las impurezas del gas. El contenido de oxígeno del lingote final se puede reducir a menos del 0.1%, y el contenido de nitrógeno es inferior al 0.015%, que cumple con los estrictos estándares de titanio de grado aeroespacial.

La pureza mejorada traída por la tecnología VAR se traduce directamente en un salto en el rendimiento de lingotes de titanio y reestructura la posibilidad de aplicaciones industriales en múltiples dimensiones:

1. Mejora a nivel cuántico en el rendimiento de la fatiga
La reducción en el contenido de impureza reduce significativamente la fuente de inicio de grietas, extendiendo la vida de fatiga de los materiales de titanio varias veces. Por ejemplo, después de que el disco de compresor de un motor de avión se fabrica con lingotes de titanio var, su resistencia de fatiga de alta ciclo aumenta de 400 MPa a más de 600 MPa, satisfaciendo las necesidades de la nueva generación de motores para reducir el peso y aumentar la eficiencia.

2. Avance esencial en resistencia a la corrosión
La película de óxido denso (TIO₂) formada en la superficie de la matriz de titanio puro tiene una mayor estabilidad, y la tasa de corrosión se reduce en dos órdenes de magnitud en ácido fuerte, álcali fuerte o ambientes de alta temperatura. Esto extiende la vida de aplicación de los lingotes de titanio var en tuberías químicas, equipos de desalinización de agua de mar y otros campos de 5 años a más de 20 años.

3. Mejora revolucionaria en el rendimiento del procesamiento
La distribución de composición uniforme elimina los defectos de segregación de los lingotes de titanio tradicionales, reduciendo significativamente el riesgo de grietas durante la falsificación, el rodamiento y otros procesos de procesamiento. Al mismo tiempo, el bajo contenido de impureza reduce la oxidación de la superficie y los poros internos durante el trabajo en caliente, y la tasa de rendimiento aumenta del 70% a más del 90%.

4. La piedra angular de aplicaciones de vanguardia como la superconductividad y el almacenamiento de hidrógeno
En el campo de los materiales de titanio superconductoras, la tecnología VAR puede controlar el contenido de impurezas a nivel PPM para garantizar el rendimiento superconductor del material a temperaturas extremadamente bajas; En las aleaciones de titanio de almacenamiento de hidrógeno, la matriz pura puede mejorar la eficiencia de absorción y liberación de hidrógeno y estabilidad del ciclo.