1,Primaire verwerking: van erts tot verwerkbare knuppel
Dit is de duurste schakel in de gehele keten van de titaniumindustrie.
Productie van sponstitanium (voornamelijk Kroll-methode):
Zet titaniumerts (rutiel of ilmeniet) om in sponstitanium (poreus puur titanium).
Proces: Titaanerts → Chlorering tot titaantetrachloride (TiCl ₄) → Thermische reductie van magnesium (Kroll-methode) → Vacuümdestillatie → Sponstitanium.
Kenmerken: Het complexe proces, het enorme energieverbruik en de intermitterende productie zijn een van de fundamentele redenen voor de hoge prijs van titaniumlegeringen. Opkomende elektrolysemethoden, zoals het FFC Cambridge-proces, hebben tot doel het energieverbruik en de kosten te verminderen, maar zijn nog niet op grote schaal gecommercialiseerd.
2). Smeltend:
Smelt sponstitanium en legeringselementen en breng het materiaal terug in uniform samengestelde blokken onder vacuüm of bescherming met inert gas (argon).
Belangrijkste technologieën:
Vacuümverbruikbaar boogsmelten (VAR): de meest gangbare methode. De elektrode wordt door middel van een boog in een vacuümkamer gesmolten en in een water-gekoelde koperen smeltkroes gedropt om te stollen. Om de zuiverheid en uniformiteit te garanderen, worden meestal twee of drie smeltprocessen uitgevoerd.
Koudbedovensmelten (CHM): inclusief elektronenstraal-koudbedoven (EBCHM) en plasmaboog-koudbedoven (PACHM). Het kan onzuiverheden met hoge/lage-dichtheid effectief verwijderen en wordt vaak gebruikt bij de bereiding van hoogwaardige- titaniumstaven en titaniumstaven van luchtvaartkwaliteit.
2,Vormproductie: het vormgeven van de plano in de gewenste vorm
Dit is de kernverbinding die de moeilijkheid van de verwerking van titaniumlegeringen weerspiegelt.
A. Kunststofvorming
Conventioneel smeden:Na verwarming in een luchtoven wordt het gevormd met behulp van een smeedhamer of pers. Gemakkelijk te genereren oppervlakte-oxidelaag (alfa-verbrossingslaag), die later moet worden verwijderd.
Isothermisch/heet smeden:een sleuteltechnologie voor het nauwkeurig smeden van titaniumlegeringen. Verwarm de mal tot een temperatuur die vergelijkbaar is met die van de knuppel (meestal 800-1000 graden C) en vorm deze onder langzame druk. Dit vermindert de vervormingsweerstand, temperatuurdaling en oppervlaktereactie aanzienlijk, waardoor de productie van smeedstukken met een bijna netvorm met complexe vormen, hoge precisie en een redelijke gestroomlijnde distributie mogelijk wordt. De kosten en het energieverbruik van matrijzen (meestal gemaakt van op nikkel gebaseerde superlegeringen of op molybdeen gebaseerde legeringen) zijn echter extreem hoog.
Rollen:Productie van platen, strips, staven en buizen. Heetwalsen wordt uitgevoerd in een beschermende atmosfeer of coating om oxidatie te voorkomen; Koudwalsen vereist tussentijds gloeien om verharding door het werk te elimineren.
Knijpen:Gebruikt voor het produceren van profielen en buizen. Na het verwarmen van de knuppel wordt deze onder hoge druk door een mal geëxtrudeerd. Glassmeermiddelen en beschermende coatings zijn nodig om schimmelvorming en oxidatie te voorkomen.
Superplastisch vormen (SPF):Door gebruik te maken van de superplasticiteit (extreem hoge rek) van een titaniumlegering bij een specifieke temperatuur/snelheid en deze te combineren met luchtdruk om als glasgeblazen glas in de mal te passen, kunnen complexe dun-wandige componenten in één keer worden gevormd. Vaak gecombineerd met diffusiebinding (DB) om SPF/DB-technologie te vormen, die wordt gebruikt voor de vervaardiging van meer-laagse holle structuren voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen.
B. Gieten
Vacuümprecisiegieten: voornamelijk uitgevoerd in boogcondensatieovens met vacuümverbruik. De elektrode smelt in een boog onder vacuüm en vloeit in de keramische vormschaal. Vanwege de reactie tussen titanium en bijna alle vormmaterialen moeten speciale vuurvaste materialen (zoals de oppervlaktelaag van yttriumoxide) worden gebruikt.
Toepassing: Geschikt voor het produceren van statische structurele componenten met extreem complexe vormen die geen uitgebreide bewerking vereisen, zoals motorbehuizingen, pomplichamen en hoogwaardige- golfbalkoppen.
C. Additive Manufacturing (3D-printen) - Revolutionaire technologie
Het direct laag voor laag gebruiken van titaniumlegeringspoeder of draadmateriaal om massieve onderdelen te vervaardigen is met name geschikt voor complexe structuren, lichtgewicht ontwerp en maatwerk in kleine batches.
Belangrijkste technologieën:
Laserselectief smelten (SLM)/Laserpoederbedsmelten (LPBF): In een kamer met inerte atmosfeer wordt het poeder van de titaniumlegering op het poederbed punt voor punt gesmolten met behulp van een fijne laser. Hoge precisie en goede oppervlaktekwaliteit.
Electron Beam Melting (EBM): Smeltpoeder met een elektronenbundel in een vacuümomgeving. De vormsnelheid is hoog, de thermische spanning is laag en de prestaties van de onderdelen liggen dicht bij die van smeedstukken, maar het oppervlak is relatief ruw.
Voordelen: De materiaalbenuttingsgraad is extreem hoog (bijna 100%), waardoor topologische optimalisatiestructuren worden bereikt, zoals extreem complexe roosters, honingraat en geïntegreerde holle koelkanalen. Het is onvervangbaar op het gebied van de lucht- en ruimtevaart (lichtgewicht steigers, bladen met koelkanalen) en de medische wereld (op maat gemaakte poreuze botimplantaten).
3,Vervolgverwerking en afhandeling
1) Bewerking:
Titaniumlegering is een typisch moeilijk te bewerken materiaal vanwege de slechte thermische geleidbaarheid (warmte hoopt zich op op het gereedschap), hoge chemische affiniteit (gemakkelijk te reageren met het gereedschapsmateriaal) en lage elastische modulus (gemakkelijk gereedschap en trillingen veroorzaken).
Tegenmaatregel: Gebruik gereedschapswerktuigen met hoge stijfheid, speciaal gecoate harde legeringen of PCD-snijgereedschappen, lage snijsnelheid, grote voedingssnelheid, hoge-druk en snijvloeistof met een hoge stroomsnelheid voor voldoende koeling.
Warmtebehandeling:
Gloeien: elimineert interne spanning, stabiliseert de structuur en verbetert de plasticiteit. Het is de meest gebruikte warmtebehandeling.
Oplossingsbehandeling+veroudering: gebruikt voor + twee--fase titaniumlegeringen (zoals Ti-6Al-4V), om dispersieversterking te verkrijgen en de sterkte te verbeteren door middel van afschrikken en veroudering bij lage temperaturen.
Oppervlaktebehandeling
Reinigen: Zandstralen en zuurwassen (gewoonlijk met behulp van HF-HNO ∝ gemengd zuur) om oxideaanslag en vervuilingslaag te verwijderen.
Versterking/functionalisering: Microboogoxidatie (MAO) genereert keramische coatings om de slijtvastheid en corrosieweerstand te verbeteren; Nitreren/nitreren verbetert de oppervlaktehardheid; Anodiseren van kleuren en verbeteren van de corrosieweerstand; Thermisch spuiten (zoals het spuiten van WC Co) verbetert de slijtvastheid.
Verbindingstechniek:
Lassen: het moet worden uitgevoerd onder zeer-zuiver argongas of vacuümbescherming. Gebruikelijke methoden zijn onder meer lassen met inert gas met wolfraam (GTAW/TIG), lassen met elektronenstralen (EBW) en laserlassen (LBW). Voor het lassen is een strikte reiniging vereist.
Diffusiebinding (DB): Het verbinden van atomen op het contactoppervlak door wederzijdse diffusie onder hoge temperatuur en druk, gebruikt voor de productie van SPF/DB-componenten.
