Välielementtien (O, N, C, H) poistaminen tulenkestävästä metallista usean elektronisuihkun (EB) sulamisen vaikutuksesta - Blogi

Tulenkestävät metallit (kuten niobium,tantaali, molybdeeni ja volframi) ovat laajalti käytössä ilmailuteollisuudessa, suprajohtavassa tekniikassa ja ydinteollisuudessa. Näillä metalleilla on kuitenkin erittäin korkea affiniteetti interstitiaalisiin elementteihin (happi, typpi, hiili ja vety). Jo hyvin pieni määrä välielementtejä heikentää merkittävästi metallien sitkeyttä, prosessoitavuutta ja suprajohtavuuden kriittisiä parametreja. Elektronisuihkusulatuksesta (EB) on tullut keskeinen keino näiden metallien puhdistamisessa sen erittäin korkean tyhjiöasteen ja erittäin suuren energiatiheyden vuoksi.

Tässä artikkelissa käsitellään usean EB-sulatuksen mekanismia ja käytännön vaikutusta neljän tärkeimmän interstitiaalisen elementin poistamiseen.

Fysikaaliskemiallinen mekanismi: Puhdistuksen pohjalogiikka

EB-sulatuksen puhdistusprosessi riippuu pääasiassa fysikaalisista ja kemiallisista reaktioista, jotka tapahtuvat sulassa altaassa korkeassa{0}}tyhjössä.

Deoksidaatio

Happi haihtuu pääasiassa metallioksidien muodossa (esim. NbO, NbO₂), tai se reagoi matriisissa olevan hiilen kanssa muodostaen CO-kaasua.

Typenpoisto

Typen poisto riippuu pääasiassa atomitypen yhdistetystä desorptiosta sulan altaan pinnalla, joka poistuu N2:n muodossa.molekyylejä.

Hiilenpoisto

Hiili muodostaa hiilidioksidikuplia yhdistymällä liuenneen hapen kanssa. Jos happipitoisuus on riittämätön, on tarpeen lisätä hapettimia tai hyödyntää jäännöshappea.

Dehydraus

Vedyn liukoisuus laskee nopeasti lämpötilan noustessa ja sen diffuusiokerroin on erittäin korkea, mikä voidaan periaatteessa poistaa termisellä desorptiolla primäärisulatuksessa.

Useiden sulatusten dynaaminen vaikutus välielementteihin

Monisulatus ei ole yksinkertainen toisto, vaan prosessi, jossa pitoisuusgradientti pyrkii jatkuvasti tasapainorajalle.

Happi: "Marginaalinen vaikutus" jatkuvan laskun jälkeen

Hapenpoisto on EB-sulatuksen kohokohta. Ensisulatuksessa suuret-oksidisulkeumat hajoavat nopeasti. Kun sulatusten määrä kasvaa:

Kaksi ensimmäistä sulatusta: Happipitoisuus laskee yleensä eksponentiaalisesti. Esimerkiksi sekundäärisen sulatuksen jälkeen teollisuuslaatuisten niobiummateriaalien happipitoisuus voidaan vähentää 500 ppm:stä alle 50 ppm:iin.

Usean sulatuksen jälkeen: Puhdistustehokkuus kohtaa "katon". Kun happipitoisuus on hyvin alhainen, sen haihtumisnopeutta rajoittaa atomien diffuusionopeus sulan altaan pintaan. Tällä hetkellä, jos sulamisaikojen määrää lisätään (esim. 3-6 kertaa), happipitoisuuden lasku kaventuu merkittävästi.

Typpi: vaikein "kova luu" pureskella

Typen poistumiskinetiikka on paljon hitaampaa kuin hapen. Tulokset osoittavat, että typen tasapainoosapaine nestemäisissä metalleissa on erittäin alhainen ja sen desorptiota haittaa kinetiikka.

Monisulatuksen välttämättömyys: Yksittäinen sulatus ei usein täytä suprajohtavien niobiummateriaalien edellyttämiä typpipitoisuuksia (RRR-arvovaatimukset).

Vaikutus: Kun sulatusten lukumäärä kasvaa, sulan altaan viipymäaika korkeassa lämpötilassa kasvaa, mikä tarjoaa enemmän mahdollisuuksia typpiatomien rekombinaatiolle. Moninkertainen sulatus voi tasaisesti vähentää typpipitoisuutta, mutta sitä on vaikea poistaa kokonaan alle 1 ppm

Hiili : Happipitoisuudesta riippuva kemiallinen tasapaino

Hiilen poistoteho riippuu suuresti "hiilen -/-happisuhteesta".

Jos metallissa on ylimäärä happea, hiiltä voidaan jatkuvasti pelkistää reaktioiden lisääntyessä C + O→ CO↑:n kautta.

Jos happipitoisuus pienennetään erittäin alhaiselle tasolle moninkertaisella sulatuksella, hiilenpoistoreaktio pysähtyy. Siksi moninkertaisen sulatuksen prosessissa on joskus tarpeen säädellä ilmakehää keinotekoisesti, jotta hiilen hidastuminen ei pysähtyisi.

Vety: Tehokas ja nopea

Vety on paras hoitomuoto. Äärimmäisen korkean höyrynpaineen ansiosta yli 90 % dehydraustyöstä voidaan suorittaa ensimmäisessä sulatuksessa.

Myöhempi moninkertainen sulatus toimii pääasiassa tiivistystoimintona, joka estää vedyn hiven takaisinabsorption ympäristöön kondensaatioprosessin aikana.

Moninkertaisen sulatuksen etujen ja haittojen analyysi

Puhtaus	Huomattavasti parantunut	erityisesti materiaaleille, joilla on erittäin korkeat vaatimukset RRR-arvolle
Koostumuksen yhtenäisyys	Parantaa	moninkertainen kääntösulatus tekee epäpuhtauksien jakautumisesta isotrooppisemman.
Raekoko	Lisätä	Toistuva uudelleensulatus voi johtaa karkeiden rakeiden muodostumiseen harkon sisään, mikä vaatii myöhempää käsittelyä ja jalostusta
Kustannukset/tuotto	Epäsuotuisa	Jokainen ylimääräinen sulatus lisää metallin haihtumishäviötä ja sähkönkulutuksen hinta nousee.

Johtopäätös

Useilla EB-sulamisilla on epälineaarinen vahvistusvaikutus välielementtien poistamiseen. Hapen ja vedyn osalta kaksi ensimmäistä sulatusta muodostivat suurimman osan puhdistusmäärästä; typelle ja hiilelle useat sulatukset tarjoavat tarvittavan kineettisen ajan.

Varsinaisessa tuotannossa sulatuskertojen määrä ei ole "mitä enemmän sen parempi". Yleensä 3-4 sulamista pidetään tasapainopisteenä puhtauden ja taloudellisuuden välillä. Äärimmäisen vaativien tieteellisten tutkimusten -laatuisten materiaalien osalta voidaan vaatia jopa kuusi tai useampaa jauhatusaikaa yhdistettynä hitaan sulamisnopeuteen, jotta välielementit diffundoituvat pintaan ja haihtuvat perusteellisesti.