Làm thế nào để làm lại vòng cung chân không tạo ra độ tinh khiết cuối cùng của các thỏi titan?

Trong chuỗi chính xác của sản xuất cao cấp, các thỏi titan chiếm một vị trí không thể thay thế với các đặc tính kim loại độc đáo của chúng. Từ cấu trúc nhẹ của các phương tiện hàng không vũ trụ cho đến vỏ chống ăn mòn của các đầu dò biển sâu, từ cấy ghép y sinh đến các đường ống chống ăn mòn trong ngành hóa học, độ tinh khiết và tính đồng nhất của các thỏi titan trực tiếp quyết định giới hạn hiệu suất của các ứng dụng này. Trên đường để rèn các thỏi titan, công nghệ làm lại vòng cung chân không (VAR) giống như một con dao mổ chính xác. Thông qua ba vòng của các quá trình luyện kim nghiêm ngặt, các tạp chất được bóc lớp từng lớp, và cuối cùng là một thỏi titan với thành phần đồng đều và hiệu suất tuyệt vời được đúc. Công nghệ này không chỉ là sự đảm bảo về độ tinh khiết của các vật liệu titan, mà còn là động lực cốt lõi để thúc đẩy sản xuất cao cấp để vượt qua các tắc nghẽn vật liệu.

Giá trị công nghiệp của vật liệu titan đến từ mật độ thấp, cường độ cao, khả năng chống ăn mòn và các đặc điểm khác, nhưng hiệu suất của các đặc điểm này phụ thuộc rất nhiều vào độ tinh khiết của vật liệu. Ở cấp độ kính hiển vi, các yếu tố tạp chất (như oxy, nitơ, carbon, sắt, v.v.) tồn tại trong ma trận titan dưới dạng vùi hoặc pha thứ hai, tạo thành các điểm nồng độ ứng suất. Khi vật liệu phải chịu các lực bên ngoài hoặc môi trường khắc nghiệt, những khiếm khuyết này sẽ trở thành nguồn gốc của sự khởi đầu vết nứt, dẫn đến giảm sức mạnh vật chất, mất độ dẻo dai và thậm chí là thất bại thảm khốc. Ví dụ, lĩnh vực hàng không vũ trụ có yêu cầu cực kỳ cao đối với tuổi thọ mệt mỏi của vật liệu titan, và bất kỳ tạp chất nhỏ nào cũng có thể trở thành mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với an toàn bay; Trong lĩnh vực y sinh, tạp chất trong cấy ghép có thể gây ra phản ứng từ chối hoặc suy thoái ăn mòn, đe dọa sức khỏe của bệnh nhân.

Rất khó để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất với công nghệ luyện kim truyền thống, đặc biệt là những yếu tố hình thành các hợp chất eutectic hoặc điểm cơ động thấp với titan. Những tạp chất này có thể được phân phối lại trong quá trình xử lý tiếp theo, hình thành sự phân tách dải hoặc khuyết tật khu vực, làm suy yếu các tính chất vật liệu. Do đó, làm thế nào để đạt được độ tinh khiết cuối cùng của các thỏi titan thông qua đổi mới quá trình đã trở thành đề xuất cốt lõi của ngành công nghiệp titan.

Công nghệ làm lại hồ quang chân không đạt được sự tinh khiết sâu của chất lỏng titan thông qua hiệu ứng hiệp đồng của sự nóng chảy điện cực và hóa rắn định hướng. Logic kỹ thuật của nó có thể được phân tách thành ba giai đoạn chính:

Trong vòng đầu tiên của quá trình VAR, điện cực tiêu thụ (thường được ép từ miếng bọt biển tựa cao và hợp kim trung gian) được làm nóng và tan chảy bởi ARC trong môi trường chân không. Vì việc luyện kim được thực hiện trong điều kiện chân không, các tạp chất khí như oxy và nitơ bị ức chế một cách hiệu quả; Đồng thời, tạp chất áp suất hơi cao trong chất lỏng titan (như clorua của magiê và nhôm) bay hơi và thoát ra trong quá trình luyện kim. Giai đoạn này có thể loại bỏ khoảng 50% các tạp chất ban đầu, đặt nền tảng sơ bộ cho độ tinh khiết của thỏi titan.

Vòng thứ hai của VAR kiểm soát tốc độ hóa rắn và độ dốc nhiệt độ để đạt được sự đồng nhất thành phần của chất lỏng titan trong quá trình hóa rắn hướng. Kim loại lỏng ở dưới cùng của hồ nóng chảy kết tinh trước tiên, trong khi các tạp chất được làm giàu đến đỉnh của bể nóng chảy do hiệu ứng phân tách. Khi điện cực được tiêu thụ, khu vực làm giàu tạp chất được loại bỏ dần dần để ngăn chặn nó xâm nhập vào thỏi cuối cùng. Quá trình này không chỉ làm giảm thêm nội dung tạp chất, mà còn cải thiện cấu trúc vi mô thông qua các cơ chế nghiền và kết tinh lại dendrite.

Vòng thứ ba của VAR tập trung vào tinh chế tại kính hiển vi. Bằng cách tối ưu hóa các tham số ARC và bầu không khí luyện, kích thước và phân phối của các vùi có thể được kiểm soát chính xác. Ví dụ, công nghệ khuấy điện từ có thể làm tăng tốc độ nổi của các vùi, trong khi môi trường chân không cực cao (<10⁻³ PA) có thể ức chế sự hấp thụ lại của tạp chất khí. Hàm lượng oxy của thỏi cuối cùng có thể giảm xuống dưới 0,1%và hàm lượng nitơ nhỏ hơn 0,015%, đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của titan hàng không vũ trụ.

Độ tinh khiết được cải thiện do công nghệ VAR mang trực tiếp thành một bước nhảy vọt trong việc thực hiện ingots titan và định hình lại khả năng của các ứng dụng công nghiệp trong nhiều chiều:

1. Cải thiện cấp độ lượng tử trong hiệu suất mệt mỏi
Việc giảm hàm lượng tạp chất làm giảm đáng kể nguồn gốc của vết nứt, kéo dài tuổi thọ mỏi của vật liệu titan nhiều lần. Ví dụ, sau khi đĩa máy nén của động cơ máy bay được sản xuất với các thỏi var titan, cường độ mỏi chu kỳ cao của nó được tăng từ 400 MPa lên hơn 600 MPa, đáp ứng nhu cầu của thế hệ động cơ mới để giảm cân và tăng hiệu quả.

2. Đột phá thiết yếu trong khả năng chống ăn mòn
Màng oxit dày đặc (TiO₂) hình thành trên bề mặt của ma trận titan tinh khiết có độ ổn định cao hơn và tốc độ ăn mòn được giảm bởi hai bậc độ lớn trong axit mạnh, môi trường kiềm hoặc nhiệt độ cao. Điều này mở rộng tuổi thọ ứng dụng của các thỏi var titan trong các đường ống hóa học, thiết bị khử mặn nước biển và các cánh đồng khác từ 5 năm đến hơn 20 năm.

3. Cải thiện mang tính cách mạng trong việc xử lý hiệu suất
Phân phối thành phần thống nhất giúp loại bỏ các khiếm khuyết phân tách của các thỏi titan truyền thống, làm giảm đáng kể nguy cơ nứt trong quá trình rèn, lăn và các quá trình xử lý khác. Đồng thời, hàm lượng tạp chất thấp làm giảm quá trình oxy hóa bề mặt và lỗ chân lông bên trong trong quá trình làm việc nóng và tốc độ năng suất được tăng từ 70% lên hơn 90%.

4. Nền tảng của các ứng dụng tiên tiến như siêu dẫn và lưu trữ hydro
Trong lĩnh vực vật liệu titan siêu dẫn, công nghệ VAR có thể kiểm soát hàm lượng tạp chất ở cấp độ PPM để đảm bảo hiệu suất siêu dẫn của vật liệu ở nhiệt độ cực thấp; Trong hợp kim Titan lưu trữ hydro, ma trận thuần túy có thể cải thiện sự hấp thụ hydro và hiệu quả giải phóng và ổn định chu kỳ.