Comment le remède à l'arc à l'aspirateur crée-t-il la pureté ultime des lingots en titane?

Dans la chaîne de précision de la fabrication haut de gamme, les lingots de titane occupent une position irremplaçable avec leurs propriétés métalliques uniques. De la structure légère des véhicules aérospatiaux à la coquille résistante à la corrosion des sondes en haute mer, des implants biomédicaux aux pipelines résistants à la corrosion dans l'industrie chimique, la pureté et l'uniformité des lingots de titane déterminent directement les limites de performance de ces applications. Sur la route de forger des lingots de titane, la technologie de remise à l'arc sous vide (VAR) est comme un scalpel précis. À travers trois cycles de processus de fusion rigoureux, les impuretés sont décollées par couche, et enfin un lingot de titane avec une composition uniforme et d'excellentes performances sont coulées. Cette technologie n'est pas seulement une garantie de la pureté des matériaux en titane, mais aussi de la force motrice de base pour la promotion de la fabrication haut de gamme pour percer les goulots d'étranglement des matériaux.

La valeur industrielle des matériaux en titane provient de sa faible densité, de sa faible résistance, de sa résistance à la corrosion et d'autres caractéristiques, mais les performances de ces caractéristiques dépendent fortement de la pureté du matériau. Au niveau microscopique, des éléments d'impureté (tels que l'oxygène, l'azote, le carbone, le fer, etc.) existent dans la matrice de titane sous forme d'inclusions ou de secondes phases, formant des points de concentration de stress. Lorsque le matériau est soumis à des forces externes ou à des environnements extrêmes, ces défauts deviendront la source d'initiation des fissures, entraînant une diminution de la résistance des matériaux, de la perte de ténacité et même de l'échec catastrophique. Par exemple, le champ aérospatial a des exigences extrêmement élevées pour la vie de fatigue des matériaux en titane, et toutes les minuscules impuretés peuvent devenir un danger caché pour la sécurité des vols; Dans le domaine biomédical, les impuretés dans les implants peuvent provoquer des réactions de rejet ou une dégradation de la corrosion, menaçant la santé des patients.

Il est difficile d'éliminer complètement les impuretés avec la technologie de fusion traditionnelle, en particulier les éléments qui forment des composés eutectiques ou de points à faible fonderie avec du titane. Ces impuretés peuvent être redistribuées dans le traitement ultérieur, formant une ségrégation en bandes ou des défauts régionaux, affaiblissant davantage les propriétés des matériaux. Par conséquent, comment réaliser la pureté ultime des lingots de titane grâce à l'innovation de processus est devenu la proposition de base de l'industrie du titane.

La technologie de remontage à l'arc à vide atteint une purification profonde du liquide de titane grâce à l'effet synergique de la fusion des électrodes et de la solidification directionnelle. Sa logique technique peut être décomposée en trois étapes clés:

Dans le premier cycle du processus VAR, l'électrode consommable (généralement pressée à partir du titane éponge de haute pureté et de l'alliage intermédiaire) est chauffée et fondu par l'arc dans un environnement sous vide. Étant donné que la fusion est effectuée dans des conditions de vide, les impuretés du gaz telles que l'oxygène et l'azote sont effectivement supprimées; Dans le même temps, les impuretés à haute pression de vapeur dans le liquide de titane (comme les chlorures de magnésium et d'aluminium) se volalisent et s'échappent pendant le processus de fusion. Cette étape peut éliminer environ 50% des impuretés d'origine, jetant une base préliminaire pour la pureté du lingot en titane.

Le deuxième cycle de VAR contrôle le taux de solidification et le gradient de température pour atteindre l'homogénéisation de la composition du liquide de titane pendant la solidification directionnelle. Le métal liquide au bas de la piscine foncière cristallise d'abord, tandis que les impuretés sont enrichies au sommet de la piscine fondue en raison de l'effet de ségrégation. Comme l'électrode est consommée, la zone enrichie d'impuretés est progressivement retirée pour l'empêcher d'entrer dans le lingot final. Ce processus réduit non seulement le contenu des impuretés, mais améliore également la microstructure par le biais de mécanismes de concassage et de recristallisation de la dendrite.

Le troisième cycle de VAR se concentre sur la purification à l'échelle microscopique. En optimisant les paramètres d'arc et l'atmosphère de fusion, la taille et la distribution des inclusions peuvent être contrôlées avec précision. Par exemple, la technologie d'agitation électromagnétique peut accélérer le flottement des inclusions, tandis que l'environnement sous vide ultra-élevé (<10⁻³ PA) peut inhiber la réadsorption des impuretés du gaz. La teneur en oxygène du lingot final peut être réduite à moins de 0,1%, et la teneur en azote est inférieure à 0,015%, répondant aux normes strictes de titane de qualité aérospatiale.

La pureté améliorée apportée par la technologie VAR se traduit directement par un saut dans la performance de lingots en titane et remodèle la possibilité d'applications industrielles en plusieurs dimensions:

1. Amélioration au niveau quantique des performances de la fatigue
La réduction de la teneur en impureté réduit considérablement la source d'initiation des fissures, prolongeant la durée de vie de la fatigue des matériaux en titane à plusieurs reprises. Par exemple, après que le disque du compresseur d'un moteur d'avion est fabriqué avec des lingots Var Titane, sa résistance à la fatigue à cycle élevé est passée de 400 MPa à plus de 600 MPa, répondant aux besoins de la nouvelle génération de moteurs pour réduire le poids et augmenter l'efficacité.

2. Percée essentielle dans la résistance à la corrosion
Le film d'oxyde dense (TiO₂) formé à la surface de la matrice de titane pur a une stabilité plus élevée, et le taux de corrosion est réduit de deux ordres de grandeur dans des environnements d'acide fort, alcalins forts ou à haute température. Cela prolonge la durée de vie de l'application des lingots Var Titane dans les pipelines chimiques, l'équipement de dessalement de l'eau de mer et d'autres champs de 5 ans à plus de 20 ans.

3. Amélioration révolutionnaire des performances de traitement
La distribution de composition uniforme élimine les défauts de ségrégation des lingots traditionnels en titane, réduisant considérablement le risque de fissuration pendant les processus de forgeage, de roulement et d'autres traitements. Dans le même temps, la faible teneur en impureté réduit l'oxydation de surface et les pores internes pendant le travail à chaud, et le taux de rendement est passé de 70% à plus de 90%.

4. La pierre angulaire des applications de pointe telles que la supraconductivité et le stockage d'hydrogène
Dans le domaine des matériaux en titane supraconducteur, la technologie VAR peut contrôler le contenu d'impureté au niveau PPM pour assurer les performances supraconductrices du matériau à des températures extrêmement basses; Dans les alliages de titane de stockage d'hydrogène, la matrice pure peut améliorer l'efficacité de l'hydrogène et la libération de la stabilité du cycle.