DE102014010715A1 - Process for melting a Ti-based alloy - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erschmelzung einer Ti-Basislegierung innerhalb eines mit mindestens einer Kokille, mindestens einer Vakuumerzeugungseinrichtung, mindestens einer Kondensationseinrichtung, mindestens einer Elektronenkanone zusammenwirkenden Elektronenstrahlofens, indem im Bereich der Kokille eine mit der Kondensationseinrichtung versehene Haube vorgesehen wird, die Ausgangsmaterialien für die Ti-Basislegierung durch die Elektronenstrahlkanone innerhalb der Kokille erschmolzen werden und aus der Schmelze verdampfendes Material an der Kondensationseinrichtung abgeschieden wird, wobei das an der Kondensationseinrichtung abgelagerte Material zumindest teilweise wieder in den Schmelzkreislauf eingebracht wird.A method for melting a Ti-based alloy within an electron beam furnace cooperating with at least one mold, at least one vacuum device, at least one electron gun, by providing a hood provided with the condensing device in the mold, the starting materials for the Ti-based alloy the electron beam gun are melted inside the mold and material evaporating from the melt is deposited on the condensation device, wherein the material deposited on the condensation device is at least partially re-introduced into the melt cycle.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erschmelzung einer Ti-Basislegierung innerhalb eines Elektronenstrahlofens.The invention relates to a method for melting a Ti-based alloy within an electron beam furnace.
Die
Durch die
Es hat sich herausgestellt, dass das Umschmelzen, insbesondere von Titanlegierungen, wie beispielsweise Ti-6Al-4V im Elektronenstrahlofen schwierig ist, da insbesondere das Aluminium im notwendigen Vakuum (ca. 1 × 10–3 mbar) sehr stark abdampft. Diese Abdampfungsrate bei der angesprochenen TiAlV-Legierung ist sehr viel stärker als die der Elemente Ti und V. Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen: einerseits muss Aluminium aufgrund der hohen Kondensatverluste überlegiert werden und andererseits lagert sich das Aluminium verstärkt im Kondensat an.It has been found that remelting, in particular of titanium alloys, such as, for example, Ti-6Al-4V, in the electron beam furnace is difficult, since in particular the aluminum evaporates very vigorously in the necessary vacuum (about 1 × 10 -3 mbar). This rate of evaporation in the case of the TiAlV alloy mentioned is much greater than that of the elements Ti and V. This has two consequences: On the one hand, aluminum must be over-alloyed due to the high condensate losses and, on the other hand, the aluminum accumulates more strongly in the condensate.
Die Bildung von Kondensat ist zwar unerwünscht, lässt sich aufgrund der gegebenen Parameter jedoch nicht vermeiden. Das Kondensat wächst an der Innenseite der vielfach aus Stahlplatten bestehenden Kondensathaube an und kann zum Problem werden, wenn es in die Schmelze fällt. Sehr kritisch ist es, wenn es direkt in Form von großen Abplatzungen in die Kokille fällt. Größere Stücke können sich eventuell im weiteren Schmelzablauf nicht mehr auflösen, was dann zu so genannten Einschlüssen im Material führt.The formation of condensate is undesirable, but can not be avoided due to the given parameters. The condensate grows on the inside of the often consisting of steel plates condensate dome and can be a problem when it falls into the melt. It is very critical if it falls directly in the form of large flakes in the mold. Larger pieces may possibly no longer dissolve in the further melting process, which then leads to so-called inclusions in the material.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erschmelzung einer Ti-Basislegierung bereitzustellen, mittels welchem die Kondensatbildung innerhalb eines Elektronenstrahlofens dergestalt beeinflussbar ist, dass das Abplatzen großer Kondensatstücke sicher vermieden wird. Gleichzeitig soll eine Überdosierung bestimmter Elemente im Hinblick auf zu hohe Abdampfungsraten nur noch in eingeschränktem Maße notwendig sein.The invention has for its object to provide a method for melting a Ti-based alloy, by means of which the formation of condensate can be influenced within an electron beam furnace in such a way that the spalling large condensate pieces is reliably avoided. At the same time overdose of certain elements in view of excessive rates of evaporation should be necessary only to a limited extent.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erschmelzung einer Ti-Basislegierung innerhalb eines mit mindestens einer Kokille, mindestens einer Vakuumerzeugungseinrichtung, mindestens einer Kondensationseinrichtung, mindestens einer Elektronenkanone zusammenwirkenden Elektronenstrahlofens, indem im Bereich der Kokille eine mit der Kondensationseinrichtung versehene Haube vorgesehen wird, die Ausgangsmaterialien für die Ti-Basislegierung durch die Elektronenstrahlkanone innerhalb der Kokille erschmolzen werden und aus der Schmelze verdampfendes Material an der Kondensationseinrichtung abgeschieden wird, wobei das an der Kondensationseinrichtung abgelagerte Material zumindest teilweise wieder in den Schmelzkreislauf eingebracht wird.This object is achieved by a method for melting a Ti-base alloy within an electron beam furnace cooperating with at least one mold, at least one vacuum generating device, at least one condensation device, at least one electron gun, by providing a hood provided with the condensation device in the region of the mold, the starting materials are melted for the Ti-based alloy by the electron beam gun within the mold and material evaporating from the melt is deposited on the condensation device, wherein the material deposited on the condensation device is at least partially re-introduced into the melt cycle.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the method according to the invention can be found in the associated subclaims.
Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationseinrichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, die flüssigkeitsgekühlt und haubenseitig im Bereich oberhalb der Kokille angeordnet ist.A device operating according to the method according to the invention is characterized in that the condensation device consists of copper or a copper alloy which is liquid-cooled and arranged on the hood side in the region above the mold.
Mit dem Erfindungsgegenstand werden somit keine Bestandteile aus dem zu schmelzenden Material entfernt. Durch geschickte Beeinflussung der Kondensatbildung und eine gezielte Wiedereinbringung des Kondensats in den Schmelzkreislauf kann ein Abguss erzeugt werden, der der gewünschten Spezifikation entspricht. Eine Überdosierung einzelner Elemente, bspw. Aluminium, ist somit nur noch reduziert notwendig.With the subject invention, therefore, no components are removed from the material to be melted. By cleverly influencing the formation of condensate and a targeted reintroduction of the condensate into the melting cycle, a casting can be produced which corresponds to the desired specification. An overdose of individual elements, for example. Aluminum, is thus only reduced necessary.
Die Kondensationseinrichtung ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet, wobei hinsichtlich der geforderten hohen Wärmeleitfähigkeit auf Kupfer oder Kupferlegierungen zurückgegriffen wird. Silber, Gold, Aluminium, Magnesium oder dergleichen Werkstoffe sind als Materialien mit verhältnismäßig guter Wärmeleitfähigkeit ebenfalls einsetzbar, scheiden in der Regel jedoch aus Kostengründen oder geringer Haltbarkeit während des Betriebs aus. The condensation device is preferably plate-shaped, with recourse being made, with regard to the required high thermal conductivity, to copper or copper alloys. Silver, gold, aluminum, magnesium or the like materials are also used as materials with relatively good thermal conductivity, but usually exude for cost reasons or low durability during operation.
Um eine optimale Anwendung der Kondensationseinrichtung bewirken zu können, wird selbige im Bereich oberhalb der Kokille positioniert, wobei sie vorteilhafterweise kokillenseitig im Bereich unterhalb der Haubendachs angeordnet ist.In order to be able to effect an optimal application of the condensation device, the same is positioned in the region above the mold, wherein it is advantageously arranged on the side of the hood in the region below the hood roof.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt bevorzugt zur Erschmelzung von Titan-Basislegierungen, insbesondere von aluminiumhaltigen Titanlegierungen, wie z. B. Ti-6Al-4V, zum Einsatz. Das Verfahren kann jedoch in analoger Weise auch für folgende Legierungen eingesetzt werden: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr.The inventive method is preferably for the melting of titanium-based alloys, in particular of aluminum-containing titanium alloys, such as. As Ti-6Al-4V, are used. However, the method can also be used in an analogous manner for the following alloys: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-5Al-5V-5Mo 3Cr.
Da die Bildung von Kondensat während des Schmelzvorgangs innerhalb eines Elektronenstrahlofens nicht verhindert werden kann, gibt das erfindungsgemäße Verfahren dem Fachmann ein technisches Kriterium an die Hand, wie er ein kontrolliertes Abplatzen, vorzugsweise gering dimensionierter Kondensatteilchen, herbeiführen kann.Since the formation of condensate during the melting process within an electron beam furnace can not be prevented, the method according to the invention gives the person skilled in the art a technical criterion as to how he can bring about controlled spalling, preferably of small-sized condensate particles.
In praktischen Versuchen konnte beobachtet werden, dass das, insbesondere aus den Elementen Titan und Aluminium gebildete, Kondensat auf flüssigkeits-, insbesondere wassergekühlten, Kupferelementen im Elektronenstrahlofen nur gering anhaftet und sich darüber hinaus auch leicht entfernen lässt. Somit ist eine hohe Standzeit der Kondensationseinrichtung gegeben.It could be observed in practical experiments that the condensate formed, in particular, from the elements titanium and aluminum, adheres only slightly to liquid, in particular water-cooled, copper elements in the electron beam furnace and, moreover, can be easily removed. Thus, a long service life of the condensation device is given.
In Versuchen hat sich herausgestellt, dass sich das Abplatzverhalten des Kondensats von der Kupferplatte gänzlich anders darstellt als das vom restlichen Haubendach. Dies ist einerseits auf die hohe Wärmeleitfähigkeit der Platte und andererseits auf die großen Unterschiede zum Längenausdehnungskoeffizienten des Kondensats zurückzuführen. Von der Kupferplatte fallen lediglich gering dimensionierte Stücke herab und das Abplatzen kann beispielsweise durch so genannte Thermoschocks forciert werden. Der Thermoschock führt aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer Relativbewegung zwischen Kondensat und Kupferplatte und damit zum Abplatzen des Kondensats.In experiments, it has been found that the splattering behavior of the condensate of the copper plate is completely different than that of the rest of the hood roof. This is due on the one hand to the high thermal conductivity of the plate and on the other hand to the large differences in the coefficient of linear expansion of the condensate. From the copper plate fall only small sized pieces down and the spalling can be forced, for example by so-called thermal shocks. Due to the different coefficients of thermal expansion, the thermal shock leads to a relative movement between the condensate and the copper plate and thus the bursting of the condensate.
Während eines Schmelzdurchlaufs tritt immer ein Thermoschock zwischen zwei Brammen oder Blöcken auf, da beim Stationswechsel die Schmelzkammer abkühlt.During a melt cycle, a thermal shock always occurs between two slabs or blocks, as the melting chamber cools down when the station is changed.
Es kann aber auch ein zusätzlicher Thermoschock quasi künstlich erzeugt werden, wenn unmittelbar vor einer neuen Bramme oder einem neuen Block die Intensität der Elektronenkanone erhöht wird, was zu einem plötzlichen Temperaturanstieg führt. Hierbei kann gezielt Kondensat von der Kupferplatte gelöst werden, welches sich dann im Fuß der Bramme bzw. des Blocks befindet und damit im Endenabfall des Ingots liegt. Das Kondensat, welches sich dann wieder infolge des Schmelzens an einer weiteren Bramme bzw. eines weiterem Block bildet, ist somit dünner bzw. kleiner und hiermit unkritisch, wenn es dann in die Schmelze hineinfällt.However, an additional thermal shock can also be generated artificially if the intensity of the electron gun is increased immediately before a new slab or a new block, which leads to a sudden increase in temperature. Here, targeted condensate can be released from the copper plate, which is then in the foot of the slab or the block and thus lies in the end of the waste ingot. The condensate, which then forms again as a result of melting at a further slab or a further block, is thus thinner or smaller and hereby uncritical when it then falls into the melt.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit das Abplatzen des Kondensats mechanisch (z. B. mittels Schabern, Hämmern oder dergl.) oder elektrisch (z. B. durch Vibration) herbeizuführen.Alternatively, it is also possible to bring about the break-off of the condensate mechanically (eg by means of scrapers, hammers or the like) or electrically (eg by vibration).
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben:The subject invention is illustrated by means of an embodiment in the drawing and is described as follows:
Die einzige Figur zeigt als Prinzipskizze eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Einrichtung. Auf die Darstellung einer Elektronenkanone wurde der besseren Übersicht halber verzichtet.The single FIGURE shows a schematic diagram of a device operating according to the invention. The representation of an electron gun has been omitted for the sake of clarity.
Erkennbar ist eine Kokille
In diesem Beispiel soll eine aluminiumhaltige Titanbasislegierung, z. B. Ti-6Al-4V, im hier nicht näher dargestellten Elektronenstrahlofen umgeschmolzen werden.In this example, an aluminum-containing titanium-based alloy, z. B. Ti-6Al-4V, are remelted in the electron beam furnace not shown here.
Diese Standard TiAlV-Legierung hat folgende Zusammensetzung (in Gew.-%):
Analysen haben ergeben, dass in einem herkömmlichen Elektronenstrahlofen eine Kondensatzusammensetzung Al/Ti von ca. 60/40% gegeben ist. Diese hohe Abdampfungsrate führt zu einer unerwünschten Veränderung der erschmolzenen Ti-Basislegierung. Um dem entgegenzutreten, muss zumindest das Element Al überlegiert werden. Analyzes have shown that in a conventional electron beam furnace, a condensing composition Al / Ti of about 60/40% is given. This high rate of evaporation leads to an undesirable change in the molten Ti base alloy. To counter this, at least the element Al must be over-alloyed.
Es wurde festgestellt, dass Aluminium im Vakuum (ca. 1 × 10–3 mbar) sehr stark abdampft. Diese Abdampfungsrate ist hierbei viel stärker als die der beiden anderen Elemente Ti und V. Das dabei entstehende Kondensat hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 8–11 × 10-6/K. Unter Einsatz der erfindungsgemäßen, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Kondensationseinrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 4026185 C2 [0002] DE 4026185 C2 [0002]
- DE 2417401 A1 [0003] DE 2417401 A1 [0003]
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