Avlägsnande av mellanliggande element (O, N, C, H) i eldfasta metaller genom smältning av flera elektronstråler (EB) - Blogg

Eldfasta metaller (som niob,tantal, molybden och volfram) används i stor utsträckning inom flyg-, supraledande teknik och kärnkraftsindustrin. Dessa metaller har dock extremt hög affinitet för interstitiellt element (syre, kväve, kol och väte). Även en mycket liten mängd mellanliggande element kommer avsevärt att försämra duktiliteten, bearbetbarheten och supraledande kritiska parametrar för metaller. Elektronstrålesmältning (EB) har blivit kärnmedlet för att rena dessa metaller på grund av dess extremt höga vakuumgrad och extremt höga energitäthet.

I detta dokument diskuteras mekanismen och den praktiska effekten av multipel EB-smältning på avlägsnandet av fyra huvudsakliga interstitiella element.

Fysikalisk-kemisk mekanism: reningens bottenlogik

Reningsprocessen för EB-smältning beror huvudsakligen på de fysikaliska och kemiska reaktioner som sker i den smälta poolen under en hög-vakuummiljö.

Deoxidation

Syre förångas huvudsakligen i form av metalloxider (t.ex. NbO, NbO₂), eller så reagerar det med kol i matrisen för att bilda en CO-gas.

Denitrogenering

Avlägsnandet av kväve beror huvudsakligen på den sammansatta desorptionen av atomärt kväve på ytan av den smälta poolen, som strömmar ut i form av N₂molekyler.

Avkolning

Kol bildar CO-bubblor genom att kombineras med löst syre. Om syrehalten är otillräcklig är det nödvändigt att tillsätta oxidanter eller använda restsyre.

Dehydrering

Vätets löslighet minskar snabbt med temperaturökningen och dess diffusionskoefficient är extremt hög, vilket i princip kan avlägsnas genom termisk desorption i den primära smältningen.

Dynamisk effekt av flera smältningar på mellanliggande element

Multipelsmältning är inte en enkel upprepning utan en process där koncentrationsgradienten tenderar mot jämviktsgränsen kontinuerligt.

Syre: "Marginal effekt" efter kontinuerlig nedgång

Syreavlägsnande är höjdpunkten vid EB-smältning. I den primära smältningen bryts de stora-oxidinneslutningarna snabbt ned. När antalet smältningar ökar:

De två första smältningarna: Syrehalten visar vanligtvis en exponentiell minskning. Till exempel, efter sekundär smältning, kan syrehalten i niobmaterial av industriell kvalitet reduceras från 500 ppm till mindre än 50 ppm.

Efter flera smältningar: Reningseffektiviteten kommer att möta ett "tak". När syrekoncentrationen är mycket låg begränsas dess förångningshastighet av atomernas diffusionshastighet till den smälta poolytan. Vid denna tidpunkt, om antalet smälttider ökas (t.ex. från 3 till 6 gånger), kommer minskningen av syrehalten att minska avsevärt.

Kväve: det svåraste "hårda benet" att gnaga

Borttagningskinetiken för kväve är mycket långsammare än för syre. Resultaten visar att jämviktspartialtrycket för kväve i flytande metaller är extremt lågt och dess desorption hindras av kinetik.

Nödvändighet av multipelsmältning: Enkelsmältning klarar ofta inte de kvävehaltsnivåer som krävs för supraledande niobmaterial (krav på RRR-värden).

Effekt: När antalet smältningar ökar, ökar uppehållstiden vid hög temperatur för den smälta poolen, vilket ger fler möjligheter för rekombination av kväveatomer. Multipelsmältning kan stadigt minska kvävehalten, men det är svårt att helt ta bort det till mindre än 1 ppm

Kol : Kemisk jämvikt beroende på syrehalt

Avlägsningseffektiviteten för kol är starkt beroende av "förhållandet kol-till-syre".

Om det finns ett överskott av syre i metallen kan kolet kontinuerligt reduceras med ökande antal reaktioner genom C + O→ CO↑.

Om syrehalten reduceras till en mycket låg nivå genom multipelsmältning, kommer avkolningsreaktionen att avbrytas. Därför är det ibland nödvändigt att på konstgjord väg kontrollera atmosfären i processen med multipelsmältning för att förhindra att inbromsningen av kol stagnerar.

Väte: Effektivt och snabbt

Väte är den bästa behandlingen. På grund av dess extremt höga ångtryck kan mer än 90 % av dehydreringsarbetet slutföras vid den första smältningen.

Efterföljande multipelsmältning fungerar huvudsakligen som en konsolideringsfunktion, vilket förhindrar åter-absorption av spårväte i miljön under kondensationsprocessen.

Analys av fördelar och nackdelar med multipelsmältning

Renhet	Betydligt förbättrad	speciellt för material med extremt höga krav på RRR-värde
Sammansättningens enhetlighet	Förbättra	multipel flip-smältning gör föroreningsfördelningen mer isotrop.
Kornstorlek	Öka	Upprepad omsmältning kan leda till grova korn i götet, vilket kräver efterföljande bearbetning och förädling
Kostnad/avkastning	Ogynnsam	För varje ytterligare smältning ökar avdunstningsförlusten av metall och kostnaden för elförbrukningen ökar.

Slutsats

Flera EB-smältningar har en icke-linjär förstärkningseffekt på att ta bort mellanliggande element. För syre och väte bidrog de två första smältningarna till det mesta av reningsmängden; för kväve och kol ger flera smältningar den nödvändiga kinetiska tiden.

I faktisk produktion är antalet smälttider inte "ju fler desto bättre". Vanligtvis anses 3 till 4 smältningar vara balanspunkten mellan renhet och ekonomi. För extremt krävande vetenskaplig forskning-material kan så många som 6 eller fler raffineringstider krävas, kombinerat med en långsam smälthastighet, för att säkerställa att mellanliggande element diffunderar till ytan och avdunstar grundligt.